Принцип работы и технологии сенсорного оборудования
Содержание
|
Принципы работы сенсорных экранов
Существует множество разных типов сенсорных экранов, которые работают на разных физических принципах.
Резистивныесенсорные экраны
Четырёхпроводной экран
Резистивный сенсорный экран состоит из стеклянной панели и гибкой пластиковой мембраны. И на панель, и на мембрану нанесено резистивное покрытие. Пространство между стеклом и мембраной заполнено микроизоляторами, которые равномерно распределены по активной области экрана и надёжно изолируют проводящие поверхности. Когда на экран нажимают, панель имембрана замыкаются, и контроллер с помощью аналогово-цифрового преобразователя регистрирует изменение сопротивления и преобразуетего в координаты прикосновения (X и Y). В общих чертах алгоритм считывания таков:
- На верхний электрод подаётся напряжение +5В, нижний заземляется. Левый с правым соединяются накоротко и проверяется напряжение на них. Это напряжение соответствует Y-координате экрана.
- Аналогично на левый и правый электрод подаётся +5В и «земля», с верхнего и нижнего считывается X-координата.
Существуют также восьмипроводные сенсорные экраны. Они улучшают точность отслеживания, но не повышают надёжности.
Пятипроводной экран
Пятипроводной экран более надёжен за счёт того, что резистивное покрытие на мембране заменено проводящим (5-проводной экран продолжает работать даже спрорезанной мембраной). На заднем стекле нанесено резистивное покрытиес четырьмя электродами по углам.
Изначальновсе четыре электрода заземлены, а мембрана «подтянута»резистором к +5В. Уровень напряжения на мембране постоянноотслеживается аналогово-цифровымпреобразователем. Когда ничто не касается сенсорного экрана, напряжениеравно 5 В.
Как только наэкран нажимают, микропроцессор улавливает изменение напряжения мембраныи начинает вычислять координаты касания следующим образом:
- На два правых электрода подаётсянапряжение +5В, левые заземляются. Напряжение на экране соответствуетX-координате.
- Y-координата считываетсяподключением к +5В обоих верхних электродов и к «земле»обоих нижних.
Матричныесенсорные экраны
Конструкцияи принцип работы
Конструкцияаналогична резистивной, но упрощена до предела. На стекло нанесеныгоризонтальные проводники, на мембрану — вертикальные.
Приприкосновении к экрану проводники соприкасаются. Контроллер определяет,какие проводники замкнулись, и передаёт в микропроцессорсоответствующие координаты.
Особенности
Имеюточень низкую точность. Элементы интерфейса приходится специальнорасполагать с учётом клеток матричного экрана. Единственноедостоинство — простота, дешевизна и неприхотливость. Обычноматричные экраны опрашиваются по строкам (аналогично матрицекнопок);это позволяет наладить мультитач. Постепенно заменяютсярезистивными.
Ёмкостныесенсорные экраны
Конструкцияи принцип работы
Ёмкостный(или поверхностно-ёмкостный) экран использует тот факт, что предметбольшой ёмкости проводит переменный ток.
Ёмкостныйсенсорный экран представляет собой стеклянную панель, покрытуюпрозрачным резистивным материалом (обычно применяется сплав оксидаиндия и оксида олова). Электроды, расположенные по угламэкрана, подают на проводящий слой небольшое переменное напряжение(одинаковое для всех углов). При касании экрана пальцем или другимпроводящим предметом появляется утечка тока. При этом чем ближе палец кэлектроду, тем меньше сопротивление экрана, а значит, силатока больше.Ток во всех четырёх углах регистрируется датчиками и передаётся вконтроллер, вычисляющий координаты точки касания.
Вболее ранних моделях ёмкостных экранов применялся постоянныйток —это упрощает конструкцию, но при плохом контакте пользователя с землёйприводит к сбоям.
Проекционно-ёмкостныесенсорные экраны
Конструкцияи принцип работы
Навнутренней стороне экрана нанесена сетка электродов. Электрод вместе стелом человека образует конденсатор; электроника измеряет ёмкостьэтого конденсатора (подаёт импульс тока и измеряет напряжение).
Особенности
Прозрачностьтаких экранов до 90 %, температурный диапазон чрезвычайно широк.Очень долговечны (узкое место — сложная электроника,обрабатывающая нажатия). На ПЁЭ может применяться стекло толщинойвплоть до 18 мм, что приводит к крайней вандалоустойчивости. Нанепроводящие загрязнения не реагируют, проводящие легко подавляютсяпрограммными методами. Поэтому проекционно-ёмкостные сенсорные экраныприменяются в автоматах, устанавливаемых на улице. Многие моделиреагируют на руку в перчатке. В современных моделях конструкторыдобились очень высокой точности — правда, вандалоустойчивыеисполнения менее точны.
ПЁЭреагируют даже на приближение руки — порог срабатыванияустанавливается программно. Отличают нажатие рукой от нажатияпроводящим пером. В некоторых моделях поддерживается мультитач.Поэтому такая технология применяется в тачпадах имультитач-экранах.
Стоит заметить,что из-за различий в терминологии частопутают поверхностно- и проекционно-ёмкостные экраны.
Сенсорные экраны на поверхностно-акустических волнах
Конструкция и принцип работы
Экранпредставляет собой стеклянную панель с пьезоэлектрическимипреобразователями (ПЭП), находящимися по углам. По краям панелинаходятся отражающие и принимающие датчики. Принцип действия такогоэкрана заключается в следующем. Специальный контроллер формируетвысокочастотный электрический сигнал и посылает его на ПЭП. ПЭПпреобразует этот сигнал в ПАВ, а отражающие датчики его соответственноотражают. Эти отражённые волны принимаются соответствующими датчиками ипосылаются на ПЭП. ПЭП, в свою очередь принимают отражённые волны ипреобразовывают их в электрический сигнал, который затем анализируетсяс помощью контроллера. При касании экрана пальцем часть энергииакустических волн поглощается. Приёмники фиксируют это изменение, амикроконтроллер вычисляет положение точки касания. Реагирует на касаниепредметом, способным поглотить волну (палец, рука в перчатке, пористаярезина).
Особенности
Главным достоинством экрана на поверхностныхакустических волнах (ПАВ) является возможность отслеживать не толькокоординаты точки, но и силу нажатия (здесь, скорее, способность точноопределять радиус или область нажатия), благодаря тому, что степеньпоглощения акустических волн зависит от величины давления в точкекасания (экран не прогибается под нажатием пальца и не деформируется,поэтому сила нажатия не влечет за собой качественных изменений вобработке контроллером данных о координатах воздействия, которыйфиксирует только область, перекрывающую путь акустических импульсов).Данное устройство имеет очень высокую прозрачность, так как свет ототображающего прибора проходит через стекло, не содержащее резистивныхили проводящих покрытий. В некоторых случаях для борьбы с бликамистекло вообще не используется, а излучатели, приёмники и отражателикрепятся непосредственно к экрану отображающего устройства. Несмотря насложность конструкции, эти экраны довольно долговечны. По заявлению,например, американской компании Tyco Electronics и тайваньской фирмыGeneralTouch, они выдерживают до 50 млн касаний в одной точке, чтопревышает ресурс 5-проводного резистивного экрана. Экраны на ПАВприменяются в основном в игровых автоматах, в охраняемых справочныхсистемах и образовательных учреждениях. Как правило, экраны ПАВразличают на обычные — толщиной 3 мм, и вандалостойкие — 6 мм. Последние выдерживают удар кулакомсреднего мужчины или падение металического шара весом 0.5 кг свысоты 1.3 метра (по данным Elo Touch Systems). На рынке предлагаютсяварианты подключения к компьютеру как через интерфейс RS232, так ичерез интерфейс USB. На данный момент большей популярностью пользуютсяконтроллеры к сенсорным экранам ПАВ, поддерживающие и тот, и другой типподключения — combo (данные Elo Touch Systems).
Главным недостатком экрана на ПАВ являются сбоив работе при наличии вибрации или при воздействии акустическими шумами,а также при загрязнении экрана. Любой посторонний предмет, размещённыйна экране (например, жевательная резинка), полностью блокирует егоработу. Кроме того, данная технология требует касания предметом,который обязательно поглощает акустические волны, — то есть,например, пластиковая банковская карточка в данном случае неприменима.
Точностьэтих экранов выше, чем матричных, но ниже, чем традиционных ёмкостных.Для рисования и ввода текста они, как правило, не используются.
Инфракрасныесенсорные экраны
Принципработы инфракрасной сенсорной панели прост — сетка,сформированная горизонтальными и вертикальными инфракрасными лучами,прерывается при касании к монитору любым предметом. Контроллеропределяет место, в котором луч был прерван.
Особенности
Инфракрасныесенсорные экраны боятся загрязнений и поэтому применяются там, гдеважно качество изображения. Из-за простоты и ремонтопригодности схемапопулярна у военных. Данный тип экрана применется в мобильных телефонахкомпании Neonode.
Оптические сенсорные экраны
Стекляннаяпанель снабжена инфракрасной подсветкой. На границе«стекло-воздух» получается полное внутреннееотражение,на границе «стекло — посторонний предмет» светрассеивается. Остаётся заснять картину рассеяния, для этого существуютдве технологии:
- В проекционныхэкранах рядомс проектором ставится камера. Так устроен,например, MicrosoftSurface.
- Либо светочувствительным делаютдополнительный четвёртый субпиксель ЖК-экрана.
Особенности
Позволяютотличить нажатия рукой от нажатий какими-либо предметами,есть мультитач.Возможны большие сенсорные поверхности, вплоть до классной доски.
Тензометрическиесенсорные экраны
Реагируютна деформацию экрана. Точность тензометрических экранов невелика, затоони отлично выдерживают вандализм. Применение аналогичнопроекционно-ёмкостным: банкоматы, билетные автоматы и прочиеустройства, расположенные на улице.
Индукционныесенсорные экраны
Индукционныйсенсорный экран — это графический планшет совстроенным экраном. Такие экраны реагируют только на специальное перо.
Применяются,когда требуется реакция именно на нажатия пером (а не рукой):художественные планшеты класса high-end, некоторыемодели планшетныхПК.
Своднаятаблица
| Матр | 4-пров | 5-пров | Ёмк | Пр-ёмк | ПАВ | ИК-сетка | Опт | Тензо | Индукц | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Функциональность | ||||||||||
| Рукав перчатке | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | ||
| Твёрдыйпроводящий предмет | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | ||
| Твёрдыйнепроводящий предмет | Да | Да | Да | Да | Да | Да | ||||
| Мультитач | Да1 | Да | Да1 | Да | ||||||
| Измерениесилы нажатия | Да | Да | Да | Да | Да | |||||
| Предельнаяпрозрачность, %2 | 85 | 75 | 85 | 90 | 90 | 95 | 100 | 100 | 95 | 90 |
| Точность3 | Низ | Выс | Выс | Выс | Выс | Сред | Сред | Сред | Низ | Выс |
| Надёжность | ||||||||||
| Срокжизни, млн. нажатий | 35 | 10 | 35 | 200 | ∞4 | 50 | ∞5 | ∞4 | ??? | ∞4 |
| Защитаот грязи и жидкостей | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | ||
| Устойчивостьк вандализму | Да | Да | Да | |||||||
| Применение6 | Огран | Огран | Огран | Помещ | Улица | Помещ | Помещ | Помещ | Улица | Огран |
1 Поддерживаетсяс ограничениями.
2 Если нужна толькостеклянная панель, без каких-либо прозрачных проводящихплёнок — условно 95 %. Если не нужна даже она (можноприменить штатное покрытие экрана) — условно 100 %
3 Высокая — допикселя (точно отслеживает острое перо). Средняя — донескольких пикселей (достаточная для нажатий пальцем).Низкая — крупными блоками экрана (невозможно рисование,требуются очень крупные элементы интерфейса).
4 Ограничивается надёжностьюэлектроники
5 Ограничивается загрязнениемдатчика
6 Огран —аппаратура ограниченного доступа (персональная электроника,промышленная аппаратура). Помещ — общий доступ в охраняемомпомещении. Улица — общий доступ на улице.
