全自动液位控制器接线 如何选择表面电容式触摸显示屏控制器

　　文章编号：1006-6268（2008）10-0021-05 　　摘要：对于所有电容式触摸屏，控制器是其重要部分，所以正确地选择控制器是产品成功与否的关键。本文将讲述如何选择表面电容式触摸屏的控制器，以及如何集成控制器及其相应的软件。
　　关键词：触摸屏；表面电容式；控制器
　　中图分类号：TN141文献标识码：B
　　
　　How to Select a Surface-Capacitive Touch-Screen Controller
　　Carl Bauman
　　(Hampshire Company,WI,U.S.A)
　　Abstract: Controllers are critical to the performance of all capacitive touch screens, and selecting the right one for your application is critical to the product"s success. This article serves as a how-to guide to selecting and integrating a surface-capacitive touch-screen controller and software.
　　Keywords:touch-screen；surface-capacitive；controller
　　
　　许多大型触摸系统供应商只把他们的元件作为一个完整的系统出售，通常不会提供组成系统的基本元件的二级货源：物理触摸屏部分（又称作"传感器"），控制电子部分（又称作"控制器"），所支持的软件（即各种操作系统的典型的器件驱动）及其校准功能。
　　很明显，上述部件和软件可以为公司创建更良好的供给链，也是系统设计的挑战。例如，某专门产品设计采用某专门公司的触摸屏系统，就必须采用该公司触摸屏系统的所有元件。稍后，如果设计上需要用另一供应商的产品替代物理触摸屏部分，一般情况下控制器不能兼容，而最初的供销商也不会提供替换支持。另外，很多小的触摸屏供销商并没有资源开发自己专门的控制器，他们或者从其他人那儿获得许可，或者把控制器选择留给产品设计师。
　　汉普郡公司专门生产多种用途的触摸屏控制器，该控制器支持许多显示屏和多种系统的执行。汉普郡公司并不制造触摸传感器，而是专门制作操纵它们的控制器。
　　确保触摸屏技术正确运行的关键是触摸屏控制器，以及相应的软件驱动和校准。高性能控制器能大大提高普通触摸屏的性能，而低等控制器会明显使看起来很好的触摸屏设计性能降低，寿命缩短。因此用于控制器和触摸屏的费用比例要适当，以便选择最佳性能的控制器和最佳性能的触摸屏。
　　本文着重介绍控制器的选择和控制器与软件的集成问题。包括结构概述，生产典型表面电容触摸屏的科学材料，操作理论、问题及相应的技术方法，最后是测试控制器质量的概述。
　　
　　1结构
　　
　　表面电容式触摸屏的结构都是首先在玻璃衬底上沉积一层高阻的透明导电膜。如图1所示，透明导电膜与用丝网印刷银浆制成的的线性图形（有时也叫做"总线"）相连，另一端与弯曲的尾部相连，这些弯曲的尾部最后再与触摸屏控制器相连。
　　
　　透明导体：供销商采用各种材料充当透明导电膜，包括：
　　锑锡氧化物（ATO）被用于最初的表面电容触摸显示屏，因为把它沉积在玻璃上可制作出均匀的透明导电膜，并且具有很高的阻抗（1,200~2,000Ω/方块）。
　　锡氧化物（TO）与ATO特性类似，只是阻抗稍微低一点（但仍在1,000Ω/方块以上），并且价格比较低廉。
　　铟锡氧化物（ITO）是一种透明导体，一些触摸屏制造商正在尝试使用。因为它比较容易得到，价格比ATO低。但是把它均匀的沉积在玻璃上并获得高于1，000Ω/方块的阻抗比较困难。
　　触摸屏制造商很难寻找到能够始终如一地生产符合要求的镀有透明导电膜衬底的供应商。目前仅有不超过5家供应者能供应触摸屏所需的镀膜衬底。由于供应商数目有限导致单一供货问题，所以触摸屏制造商无法同时兼顾质量、交易时间和价格的有效选择。
　　对于控制器制造商也是这个事实――世界上至少有15家表面电容式触摸屏制造商，但只有5家公认的控制器制造商。包括3M控制系统（美国），数字科技DigiTech（韩国），eGalax_eMPIA科技（EETI，台湾），互连系统（Interaction Systems--ISI，美国）和汉普郡公司（Hampshire Company，美国)。3M，DigiTech和ISI只为他们自己的传感器提供控制器，他们一般不考虑外面公司的其他用途。EETI大范围地生产独立的触摸屏控制器产品，可以被第三方触摸屏采用。它也提供USB视频捕捉器件和音频IC产品。
　　线性布线图：线性布线的图形，最典型的是采用丝网印刷法将银浆印刷在触摸屏各个边的透明导电膜上。线性布线的图形最初的功能有两个：一是纠正矩形导体表面与电流流动有关的固有的非线性问题;二是连接透明导电膜和那些弯曲端的尾部。本文后面还会讲到线性布线图形的问题。
　　透明介电硬质涂层：通常采用的是二氧化硅，其功能是用于保护透明导电膜。
　　透明导电背屏蔽：由ATO、TO、ITO构成的这层透明导电膜，用来屏蔽显示时产生的电磁干扰（EMI，electro magnetic interference）对透明导电膜的损害。因为这一层只用来做屏蔽层，对于此层导电的线性性与均匀性的要求并不重要。只有导电性和光透过性有所影响。背屏蔽触摸显示屏的缺点是增加了成本以及该层带来的5%~8%的光传播损失。
　　许多触摸屏制造商为了降低成本和提高亮度，试图去掉背屏蔽层。但是这样做带来的负面效应让我们不值得那样做。在一些应用中，带背屏蔽的触摸屏是我们唯一能接受的方法。在其它情况下，假定控制器可以有效地补偿无背屏蔽带来的电磁干扰，不带背屏蔽的屏也能很好地运行。在系统设计和光应用中如何处理电磁效应将和控制器制造一块讨论（对传感器可通过电子与机械的统盘考虑，或者通过控制器的电子学与软件协同处理）。
　　
　　2操作理论
　　
　　电容式触摸屏的实现方式是，当屏幕被触摸时，可以探测到已知电流所发生的变化。一个交流信号电压通过一种"四角线(four corner wires)"加载到传感器正面的表面导电层上。加到四角线各端的电压信号具有精确相等的电压值、相位和频率。当用户手指接触到透明硬质层（顶层）时，传感器与手指之间的电容耦合将产生一个小的电流，由此引起一个虽小但是可以检测得到的电流，该电流流向四角线的各条线上。通过地再返回到控制器的路径构成这个回路。
　　于是，系统通过比较已知的基线电流（屏幕未被触摸时）与人触摸屏幕时产生的电流变化来识别是否被触摸。大部分控制器制造商采用25kHz到200kHz的正弦或方波信号驱动触摸屏。当人触摸屏幕时电流被吸收的大小大约为1μA。触摸屏控制器通过测量为了恢复基线电压触摸屏每一角所需要提供的电流大小来识别触摸位置。四个角必须提供的电流大小与触摸位置和角的临近程度成正比。一旦这些数值被识别出来，报告出具体位置就依赖于触摸屏控制器的模数转换分辨率。例如，10位ADC可报告出某一轴上1,024个位置中的一点，而12位ADC可报告出4,096个位置中的一点。
　　
　　如图2所示，电容式触摸屏的每个角采用振荡驱动信号供电 。如果采用了背屏蔽，它也采用相同的信号供电。一种电流测量方法是产生一个与每个角输出电流相适应的瞬间信号。接着，交流-直流转换器对振荡电流进行补偿，产生直流信号，随后再经过一个模拟滤波部分，把大部分环境噪音去除掉，仅保留RMS信号，得到稳定的测量信号。然后该信号传到增益放大级，采用各种自动增益方法去控制放大这个微小的被测信号。经放大后的这个高质量信号再通过A/D转换器转换为数字信号。一旦信号通过A/D转换器，固件（firmware，一种由软硬件结合得到的组件）进一步详察触摸信号，再通过其他诸如灵敏性等特性的设置，从而确定触摸位置。最后，这一触摸信息通过通信协议发送到主机上。
　　
　　3 表面电容技术的重要特性
　　
　　表面电容触摸技术面临一些现实的争议，下面将详细讲述。大部分问题可以通过采用如上述简图所示的高性能触摸控制器得到解决。
　　3.1传感器线性化:触摸屏中的线性化是指无论位于哪一行或列的哪一点，该行或列的任意一点到触摸屏平行边缘的测量电阻必须一样。在完美线性触摸屏传感器上画一条直线，会形成一系列坐标，不经过控制器软件校正就可以在显示上形成一条完美直线。而实际上，非理想线性模型和不规则透明导体，意味着需要控制器采用一些校正。
　　3.2 人为变化因素：人手指尖用于激活表面电容触摸屏（本文不讨论采用电动笔激活）。不同的人的手指形状不同，手指大小不同，与人体化学因素有关的电学特性也不同（例如，干湿程度）。小孩比大人触摸产生的电流小，大的手指比小的手指触摸产生的电流大。大人的小手指可能比小孩的大手指触摸产生的电流大。更重要的是当一个人接触着接地的物体时操作触摸屏，人的电学特性可能会改变。这是所有问题中最困难的――许多控制器不能补偿这种变化。这些变化所占的数量级和所测量的触摸信号力度差不多。由此可知，既然绝缘手套起到隔离作用，那么戴手套的手一般也不能产生触摸屏可以识别到的电流。
　　3.3 屏幕尺寸：触摸屏的物理尺寸也会影响它的整体性能。大的触摸屏容易受到显示和环境的电磁干扰（就像大的触角）。干扰越严重越需要控制器识别并拒绝模仿触摸屏激活的噪声干扰。在大屏幕中线性模型和透明导电膜都比较难以控制，在生产这些屏幕时会增加固有非线性问题所引入的难度。
　　3.4 接地：触摸屏系统的接地状况，对系统的性能好坏有很大影响。表面电容式触摸屏系统必须有稳定的系统的"地"，控制器才能建立基线电平。如果没有固定的接地连接，控制器将不断地试图寻找并不存在的稳定基线。这是表面电容式触摸屏大多只能用于专门的、固定的应用的主要原因。
　　3.5 集成：触摸屏必须稳定地安装在显示系统上，并且要和显示的导电部分绝缘，如果不这样做，控制器将不能确定基线。另外，如果触摸屏并不是安全地固定在显示系统上，而是允许在操作过程中移动（相对于显示器），控制器将不能确定一致的基线。最后，尾端必须屏蔽，以便大大减少电磁干扰噪声以及增加可采用不必附带背屏蔽层的可能性。即使采用了高性能的控制器和触摸传感器，倘若表面电容式触摸屏集成不当，也会使该系统成为一种性能不协调、低品质的系统。
　　
　　3.6 动态放大器和信号隔离：因为与实际触摸相关的信号很小（1μA），为了能够识别必须进行放大。这一点可以通过标准放大技术很容易地实现，难点是如何隔离与触摸相关的信号和已经存在的噪声信号。不同的控制器制造商采用不同的信号隔离方法，其中一些比较有效，一些无效。动态放大和信号隔离过程紧密合作，如果触摸屏控制器隔离作用无效，它可能会丢掉触摸信息或者识别到根本没发生触摸的信息。可以通过控制器电路和板上译码固件结合来解决这个问题。当增益改变时，控制器维持稳定位置的能力是控制器一个很关键的特性。
　　3.7操作频率：如前面提到的，控制器操作频率幅度是25kHz到200kHz。制造商选择特殊缺省频率是为了限制某典型环境产生的噪音的影响。为了考虑到触摸屏运行频率环境实际上是无限的，控制器必须设计成频率可调，以便能更好地适应环境。
　　3.8噪音滤波：软硬件噪音滤波可以用于减少电磁干扰的影响；采用高性能的滤波，触摸屏可以用在更广泛的环境中。同时也为廉价的不带背屏蔽的触摸屏的使用提供可能性。也就是说，有时候与某一特殊应用相关的噪声太大，以至于控制器不能单独处理，此时使用昂贵的背屏蔽触摸屏是最好的选择。
　　3.9 防静电保护：对于所有的触摸屏，静电都是一个大问题。静电主要沿触摸屏的表面到最近的边缘，然后通过弯曲尾部进入控制器。一些集成技术可以在系统级减少静电的影响，控制器不造成破坏的情况下应该可以吸收并去除高达27kV的电压（这个电压描述来自博彩业）。
　　
　　表面电容式触摸屏控制器的测试
　　
　　对于触摸屏控制器有如下几个部分需要测试：
　　4.1硬件测试：测试各个制造商的触摸屏控制器。测试在有背屏蔽和无背屏蔽的时候传感器是如何工作的。注意这是一个相对测试。也许，你的系统采用无背屏蔽的触摸屏的噪音太大，用任何控制器都没有用。不管它的最后购买期限是什么时候，调查一下控制器的老化速率。 确定它是否采用不易更新的专用集成电路。查明控制器的驱动和软件是否能一直向后兼容。
　　4.2测试动态增益级的过程、速度和敏感性：一只手手指触摸触摸屏，另一只手同时触摸接地物体，如PC机金属底座，观察指针是否保持稳定。如果指针移动了，说明控制器的增益级不能合理地处理变化。划一条线，观察采用每一个控制器后的直线的平滑度。快速、慢速画圆，观察指针是否跟得上你的手指的运动，观察快速圆圈仍旧是圆圈，还是已经变成了多边形。用手指快速轻弹屏幕（博彩公司称为"呼呼响"），观察触摸是否能一直被识别出来。关闭电脑，再重新启动（电脑启动过程中不要触摸屏幕）。重新进行以上测试，看看结果是否有变化。
　　测试驱动和软件的效用：驱动器被安装后，测试它能否被彻底卸载并重新安装。这在工业上，很长时间以来这都是一个有待解决的问题。安装了某一专门制造商的驱动器后，即使你已经卸载了，有时它还会阻止其他制造商的驱动器正确安装，除非你重新启动整个操作系统。
　　
　　5 结 论
　　
　　一种高性能的触摸屏控制器应该能配置大范围的不同制造规格的触摸屏（或者该控制器可以自动进行配置）。如果控制器的操作范围有限，例如传感器报告的位置超过了控制器能接受的范围，会造成触摸屏系统过早地失效。控制器不仅要具备标准的通信协议，还应该有传递工业标准命令的能力。控制器必须符合触摸屏的结构、材料和制造商的要求。触摸屏控制器应该可以拓宽可选择性而不是限制可选择性。
　　（南开大学光电子所 赵立晴，熊绍珍 译自《Information Display》12/07）