集成了触摸屏功能的平板显示系统的设计

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对工业和商业计算机系统来说，触摸屏界面是一种广受欢迎的技术。触摸屏技术消除了对键盘或传统鼠标的需求，而是可通过代表特定任务的图标实现简单、直接的交互。在工业应用中，触摸屏的这个特性有助于现场操作人员把精力集中在应用上，并且大多数操作者都能正确地使用触摸屏，而不论他们的计算机技能如何。触摸屏成功应用的关键是选择合适的技术，并按照必需的步骤把触摸屏整合到平板显示系统中。这项工作正越来越多地由系统集成商来完成，他们设计触摸屏，并把触摸屏集成在标准的LCD系统中，从而使用户无需再配备洁净室。        一个完整的集成式触摸屏开发套件包括控制器、接口电缆和LCD。系统集成商通常可根据每个客户的要求提供具有合适功能的定制系统，这对不熟悉或缺乏触摸屏设计经验的系统设计者来说尤其有用(图1)。本文将讨论集成了触摸屏功能的平板显示系统的开发步骤及设计关键点。

图1：集成式触摸屏系统包含一个耐磨损的狭小外壳，该系统可以升级以适应从12.1英寸到19英寸的显示器尺寸。

1．应用定义
        在定义应用时需要考虑这些问题：这个集成了触摸屏功能的平板显示系统主要应用在什么地方？它将用在工业控制或机器自动化系统、医疗应用系统、销售点(POS)系统或信息点(POI)系统、信息亭或自助服务亭，还是数字签名应用？它将放置在室内还是室外？是否将用在恶劣环境中？它所要求的工作温度范围是多少？是否将在多种不同的环境中使用？它们将如何集成触摸屏功能？
        触摸屏面板可直接粘贴在LCD的前表面或显示器的边框上，为便于在损坏时更换屏幕，也可以采用机械方式安装。直接粘贴触摸传感器，或将触摸传感器安装在边框上均要求在专门的洁净室环境中进行，特别是直接粘贴传感器必须由受过严格训练的安装人员使用专用设备进行。采用机械方式安装的触摸传感器，是一种设计用来安装在显示设备外部的触摸传感器，可以通过物理设备(例如支架或压力衬垫材料)将它们固定在显示设备外部。外部触摸屏对LCD的影响较小，并且可以在现场或维修点替换传感器时使用。触摸屏控制器的功率要求也是一个需要考虑的问题，因为许多触摸屏控制器在5V或12V直流电压下才能正常工作(图2)。

图2：触摸屏系统的主要组成部分，它采用了一个外部安装型触摸面板。

2. 安装触摸屏的准则
        在设计触摸屏显示器时,需要考虑的重要性能指标包括：触摸点的数目、触发力度、LCD像素间距、期望的响应时间、工作寿命(触摸次数)和触摸分辨率。除了必须知道LCD显示器和边框的全部尺寸以及LCD的类型(例如无源矩阵或有源矩阵TFT LCD)之外，还需考虑下面几个额外的问题：是否需要防炫射或防反射性能？是否要求在日光下阅读所需的高亮度或高透反性能？(在日光阅读所要求的亮度通常为600cd/m2(尼特)或更高，具体数值依赖于其它相关性能，例如，通常由大部分LCD的制造商或增值集成商提供的防反射表面处理。)是否需要对显示器玻璃进行粘接以防在室外公共环境遭到破坏？在价格、性能、质量以及能否长期供货这几个因素中,哪个更重要？其它需要考虑的参数还包括外部连接方式、安装方式和工作环境参数。
3. 选择合适的触摸屏技术
        一旦决定采用触摸屏界面，下一步就要确定哪种触摸屏技术最合适。常见的触摸屏技术包括电阻式触摸屏、电容式触摸屏、红外扫描触摸屏或表面声波(SAW)触摸屏，这些技术的特性比较见表。选择时需要考虑的参数包括：工作环境、光学性能、LCD尺寸、透射率或透明度、期望寿命、防刮伤的能力、校准稳定性、选择手指触摸还是用触摸笔(手指触摸是否可带手套？)、防反射处理(针对强光条件)、触摸屏面板和控制器的成本。
        通过将铟锡氧化物(ITO)镀膜玻璃与PET薄膜像三明治似地夹在一起，可构建一个电阻式触摸屏(图3)。玻璃提供机械稳定性，而PET则充当把两层ITO连接起来的柔性介质。印在玻璃上的微小分隔点把各层隔离开，并通过调节隔离点的尺寸、高度和密度，精确控制触摸屏的性能。隔离点的密度决定了触摸屏的触发方式，比如，是采用低密度的手指操作还是较高密度的触摸笔操作。

图3：通过将铟锡氧化物(ITO)镀膜玻璃与PET薄膜像三明治似地夹在一起，可构建一个电阻式触摸屏。

        在从工业领域到消费领域的各种应用中，电阻式触摸屏是最流行的触摸屏技术。这种压敏型触摸屏技术具有多种功能，也是最具有成本效益和易用性的触摸屏技术之一。通常，电阻式触摸屏的价格比较便宜，但缺点是光透射率一般不超过86%(尽管也有透射率更高的产品)，而且电阻层的前表面对尖锐物和腐蚀性化学制品的抵御能力较差。电阻式触摸屏不受灰尘或水等外界污染物的影响,而且由于它们的密封度可达到NEMA 4/4X标准，所以大部分的主要人机界面制造商都采用了这项技术。
        举例来说，在患者监视和医疗设备控制的医疗应用中，用户必须戴着手套直接操作(不使用外部指点设备)触摸屏。为满足这种应用要求，设计工程师可以把一个4线电阻式触摸传感器集成到显示器中，该显示器选用了大小为12.1英寸(对角线)、亮度为400尼特、带SVGA分辨率、具有高对比度且带有LVDS接口的有源矩阵LCD。
        与电阻式触摸面板一样，采用SAW技术的LCD可以利用任何类型的指向装置(例如手指或触摸笔)。SAW触摸屏具有杰出的防刮伤能力和校准稳定性(无漂移)、透光性好(92%)，而且几乎不存在物理磨损问题。SAW触摸屏技术广泛用于游戏、办公自动化和室内自助服务亭(例如ATM)应用，但缺点是极易受到灰尘和其它微粒的污染。在面向公众的信息亭类应用中，还存在另外一些污染的威胁，例如，雨水、雪或着粘到触摸屏上的口香糖块等将阻断触摸屏传感器前方的声波传输模式，从而降低触摸屏的操作性能。
        电容式触摸屏采用带有氧化锌涂覆层(已用微小电流进行了充电)的玻璃基底。当导电性触摸笔或手指接触到屏幕表面时，它将产生电容性耦合，从触摸点处吸取电流，这样，触摸屏控制器可依此确定触摸点的X坐标和Y坐标。电容式触摸屏的玻璃基底的防刮能力很强、透光性好，用其构造的触摸屏系统可达到NEMA 4/4X防护标准。但这项技术要求采用某种类型的导电性指向装置，而对戴手套的手指或非导电性装置没有反应，因此它不适合在工业应用和洁净室环境中使用。
        红外扫描触摸屏(也称为IR触摸屏)技术利用红外发射器-接收器，在离屏幕表面的一小段距离上投射出一个不可见的光网格。当光束被阻断时，接收器上的信号缺失被检测出来，并转换成触摸屏的X/Y坐标。图4阐述了这种技术的工作方式。红外扫描触摸屏技术通常使用在信息亭、游戏、零售、卫生保健和工业人机界面(HMI)等应用中。它十分耐磨损，不受灰尘、水和其它污染物的影响(非常适用于室外的公共信息亭显示器)，且没有校准漂移。不过，这种技术的应用是有限制的，它无法检测微小的指点区域，因此不适于对分辨率要求很高的、要求捕获签名的应用(如POS机)。红外扫描触摸屏的分辨率确实达不到防止签名失真所要求的精度，因为红外扫描要从一个光束切换到另一个光束。
4. 选择控制板
        在选择控制板时需考虑：是采用串行接口(RS-232)、USB还是PS/2，将触摸控制器与计算机主板上的CPU连接起来？
        如果触摸控制器和触摸传感器离主机有一段距离，那么这个距离将影响对接口方式的选择。例如，串行接口最多可支持50英尺的距离，而USB接口一般仅支持约16英尺的距离。但是，采用串行接口的触摸控制器必须采用外部供电方式(需要一个5V或12V的直流电源)，而采用USB接口的控制器可以从主机系统的USB端口直接获取电源。

图4：红外扫描触摸屏利用红外发射器-接收器，在离屏幕表面的一小段距离上投射出一个不可见的光网格。当光束被阻断时，接收器上的信号缺失被检测出来，并转换成触摸屏的X/Y坐标。

5. 选择外壳
        当将触摸面板和触摸控制器与LCD、LCD控制器和相关组件封装在一起时，也要考虑许多因素，其中最重要的是选择合适的外壳。另外，是否需要密封、是否需要达到NEMA级或IP级防护，以及如何处理可能的污染物(例如化学制品或极热和极冷物质)也是需要考虑的问题。
        如果您在自行设计集成触摸屏功能的平板显示系统，相信本文会对您的设计提供深入和有益的帮助。如果公司内部缺乏完成设计工作所需要的工程资源，则可以依赖对显示器和相关子系统有多年设计经验的增值解决方案集成商，他们知道如何用所有这些组件构成一个完美的功能系统。
作者：Richard E. McKay, Apollo Display Technologies公司