觸摸屏技術(shù)的結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用

王軍亮

(蘭州大學(xué)計(jì)算中心,蘭州,730000)

摘　要　綜述了觸摸屏的技術(shù)原理及其應(yīng)用價(jià)值。

電腦操作只用屏幕點(diǎn)觸方式簡(jiǎn)便快捷達(dá)到操作目的,這是世界上電腦能廣泛普及運(yùn)用的總趨勢(shì)之一。 只要有點(diǎn)菜單操作概念,就可即學(xué)即用。 現(xiàn)對(duì)這一技術(shù)的幾種原理及其應(yīng)用作以

綜述。

觸摸屏技術(shù)主要就是快速準(zhǔn)確地處理隨機(jī)觸摸點(diǎn)坐標(biāo)的技術(shù),一旦立即解決這一首要問(wèn)題,剩下的問(wèn)題就與鼠標(biāo)作用過(guò)程相同。目前成熟的觸摸屏技術(shù)有4 種,即紅外線式、五線電阻式、表面聲波式、電容式,其原理分述如下。

1 　紅外線式觸摸屏

在屏幕前框架的左邊( y 軸) 和下邊( x 軸) 分別裝有紅外線發(fā)射管,各自的對(duì)邊又裝有對(duì)應(yīng)的接收管(如圖1) ,管的排列密度與其分辨率有關(guān)。 工作時(shí)在屏幕前形成縱橫交叉的紅外線矩陣,用戶的手指觸摸點(diǎn)將阻擋經(jīng)過(guò)該點(diǎn)的橫豎兩方向的紅外線,通過(guò)接收管,計(jì)算機(jī)便由此參數(shù)計(jì)算出觸摸點(diǎn)的位置,再執(zhí)行對(duì)計(jì)算機(jī)的操作目的。紅外觸摸屏的矩陣電路及微處理器控制電路都裝在屏前的框架內(nèi),并通過(guò)鍵盤接口直接與主機(jī)通訊,不需獨(dú)立電源。 其價(jià)格低,安裝簡(jiǎn)易,但由于發(fā)射、接收管排列有限,分辨率不高,且怕外界紅外光的干擾及不防水防塵、框架易碎等缺點(diǎn), 主要應(yīng)用于室內(nèi)站臺(tái)等簡(jiǎn)單操作的地方。

圖1 　紅外線觸摸屏技術(shù)

2 　五線電阻觸摸屏

它是在四線電阻觸摸屏的基礎(chǔ)上創(chuàng)造出來(lái)的新的專利技術(shù),克服了四線式壽命短、清晰度不高的缺點(diǎn)。四線電阻技術(shù)是一塊與顯示屏緊貼的玻璃為基層,其外表面涂有一薄層透明氧化銦InO ,作為電阻層,其水平方向加有5V 到0V 的直流工作電壓,形成均勻連續(xù)的電壓分布。 在該導(dǎo)電層上再蓋有一層外表面經(jīng)防刮硬化處理而內(nèi)表面也涂有相同氧化金屬層的保護(hù)層,其垂直方向也加有5V 到0V 的直流連續(xù)分布電壓。 兩電阻層之間用約千分之一英寸的許多透明絕緣隔離點(diǎn)隔開(如圖2)。 按摸屏幕時(shí),兩電阻層在觸點(diǎn)位置就有一個(gè)接通,經(jīng)過(guò)模擬量電壓模數(shù)(ATD) 轉(zhuǎn)換,控制器就能計(jì)算出觸點(diǎn)的x , y 坐標(biāo)值。 由于四線電阻觸摸屏的外電阻涂層頻繁受壓,易造成裂損而改變涂層電壓分布不均致使觸點(diǎn)位置計(jì)算不準(zhǔn)而報(bào)廢的缺點(diǎn),又創(chuàng)造了五線電阻技術(shù)。

圖2 　四線電阻觸摸屏技術(shù)

五線電阻觸摸屏的新特點(diǎn)是把外層電阻層只用作導(dǎo)體層,作為五線中其中一線,即使有裂損,只要不斷裂開,對(duì)偵測(cè)計(jì)算不受影響,這無(wú)疑大大增強(qiáng)了使用壽命。而在內(nèi)層電阻涂層中則把四線電阻技術(shù)中縱橫電壓分布場(chǎng)技術(shù)創(chuàng)造性巧妙的應(yīng)用在同一涂層中,其結(jié)構(gòu)分布如圖3。 在由金屬氧化物構(gòu)成的細(xì)密條的x 軸上形成正向電壓差,經(jīng)過(guò)中值點(diǎn)又形成反向電壓差,構(gòu)成同面四線模式。 內(nèi)外涂層仍用絕緣透明隔離點(diǎn)隔開。 當(dāng)按壓時(shí)內(nèi)外涂層間有一觸點(diǎn)接通,致使左側(cè)向下電壓的上端某處有不同阻值的分壓產(chǎn)生, 據(jù)此控制器計(jì)算出該觸點(diǎn)的水平坐標(biāo)值。 內(nèi)涂層上每一觸點(diǎn)都有不同對(duì)應(yīng)的x 軸坐標(biāo)值。 觸點(diǎn)y 軸方向的坐標(biāo)則是由控制器測(cè)定從內(nèi)涂層經(jīng)觸點(diǎn)流入外涂層(五線之一) 的電流值確定出的。 五線電阻觸摸屏除使用壽命大大超過(guò)四線式35 倍,達(dá)3500 萬(wàn)

次外,其透光率和清晰度也很高,由于工作在與外界封閉隔離狀態(tài),不怕污染,環(huán)境適應(yīng)性好。它的另一個(gè)突出特點(diǎn)是分辨率很高,能分辨很尖細(xì)觸針的觸動(dòng),但怕銳器的硬戳。

圖3 　五線電阻技術(shù)的內(nèi)涂層四線結(jié)構(gòu)

3 　表面聲波技術(shù)觸摸屏

該技術(shù)為美國(guó)技術(shù), 它是利用機(jī)械超聲波矩陣波面的動(dòng)態(tài)傳播在顯示屏上進(jìn)行觸點(diǎn)定位的。在顯示屏左上角和右下角分別固定有垂直向下發(fā)射和水平向左發(fā)射的超聲波換能發(fā)射器(如圖4)。

圖4 　表面聲波技術(shù)觸摸屏

其各自同方向的屏邊及對(duì)邊都刻有45°用于反射波導(dǎo)向的由疏到密間隔非常精密的反射條紋(其參數(shù)與波長(zhǎng)有關(guān))。 沿著對(duì)邊傳導(dǎo)波的末端———即顯示屏的右上角又分別對(duì)應(yīng)安裝著超聲波x 軸y 軸接收換能器。

 工作時(shí),由表面聲波屏的控制器產(chǎn)生5. 53MHz 的高頻電信號(hào)送經(jīng)換能發(fā)射器分別發(fā)出相互垂直的超聲波,形成動(dòng)態(tài)超聲波矩陣波面,當(dāng)這一工作面上有觸點(diǎn)時(shí)將吸收通過(guò)該點(diǎn)的聲能,換能器接收到這一改變后通知控制器確定出該觸點(diǎn)的坐標(biāo)值[2 ]。

目前,表面聲波觸摸屏獨(dú)一無(wú)二的突出特點(diǎn)是,它能感知第三軸( z 軸) 坐標(biāo)。 由于其分辨率、精度和穩(wěn)定性非常高,能對(duì)手指觸點(diǎn)的壓力大小產(chǎn)生的信號(hào)衰減量分辨清晰,故可輕松得到數(shù)據(jù)。 這一自由度值可用于特殊控制,如醫(yī)用三維立體斷層掃描儀中對(duì)連續(xù)深層圖象的瀏覽和選擇等。

表面聲波屏由于沒(méi)有氧化金屬涂層,其清晰度非常好;它的強(qiáng)化玻璃屏有很高的防刮擦能力,但怕其它頻率很近和倍頻的超聲、強(qiáng)聲和振動(dòng),也怕屏幕的污染,故適合室內(nèi)辦公室、研究室等范圍。

4 　電容技術(shù)觸摸屏

其結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單。 它是在緊貼顯示屏前的雙夾層玻璃中涂有一層透明的氧化、金屬導(dǎo)體層,四角引出四個(gè)電極受控于控制器。 通過(guò)引線,夾層導(dǎo)體中有高頻電流流動(dòng)(如圖5)。 由于人體電場(chǎng)的存在, 觸摸點(diǎn)手指與屏幕內(nèi)涂層構(gòu)成一個(gè)微小的耦合電容,而高頻電流對(duì)于通過(guò)小電容是很容易的。 這樣, 對(duì)稱四電極上的高頻電流通過(guò)觸點(diǎn)小電容被分流。 這個(gè)被破壞了對(duì)稱的變化量由控制器偵測(cè)到。 由于流入四電極的電流與手指觸點(diǎn)到四角的距離成反比,故可計(jì)算出觸點(diǎn)坐標(biāo)值。

電容技術(shù)觸摸屏靈敏度極高, 能感知輕微快速的觸碰(響應(yīng)時(shí)間最快為3ms) ,所以它不怕污染和帶手套觸摸等,但它怕外界強(qiáng)電場(chǎng)干擾

圖5 　電容技術(shù)觸摸屏