觸摸屏技術的結構原理及應用

王軍亮

(蘭州大學計算中心,蘭州,730000)

摘　要　綜述了觸摸屏的技術原理及其應用價值。

電腦操作只用屏幕點觸方式簡便快捷達到操作目的,這是世界上電腦能廣泛普及運用的總趨勢之一。 只要有點菜單操作概念,就可即學即用。 現對這一技術的幾種原理及其應用作以

綜述。

觸摸屏技術主要就是快速準確地處理隨機觸摸點坐標的技術,一旦立即解決這一首要問題,剩下的問題就與鼠標作用過程相同。目前成熟的觸摸屏技術有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) 分別裝有紅外線發射管,各自的對邊又裝有對應的接收管(如圖1) ,管的排列密度與其分辨率有關。 工作時在屏幕前形成縱橫交叉的紅外線矩陣,用戶的手指觸摸點將阻擋經過該點的橫豎兩方向的紅外線,通過接收管,計算機便由此參數計算出觸摸點的位置,再執行對計算機的操作目的。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,并通過鍵盤接口直接與主機通訊,不需獨立電源。 其價格低,安裝簡易,但由于發射、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, 主要應用于室內站臺等簡單操作的地方。

圖1 　紅外線觸摸屏技術

2 　五線電阻觸摸屏

它是在四線電阻觸摸屏的基礎上創造出來的新的專利技術,克服了四線式壽命短、清晰度不高的缺點。四線電阻技術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,形成均勻連續的電壓分布。 在該導電層上再蓋有一層外表面經防刮硬化處理而內表面也涂有相同氧化金屬層的保護層,其垂直方向也加有5V 到0V 的直流連續分布電壓。 兩電阻層之間用約千分之一英寸的許多透明絕緣隔離點隔開(如圖2)。 按摸屏幕時,兩電阻層在觸點位置就有一個接通,經過模擬量電壓模數(ATD) 轉換,控制器就能計算出觸點的x , y 坐標值。 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位置計算不準而報廢的缺點,又創造了五線電阻技術。

圖2 　四線電阻觸摸屏技術

五線電阻觸摸屏的新特點是把外層電阻層只用作導體層,作為五線中其中一線,即使有裂損,只要不斷裂開,對偵測計算不受影響,這無疑大大增強了使用壽命。而在內層電阻涂層中則把四線電阻技術中縱橫電壓分布場技術創造性巧妙的應用在同一涂層中,其結構分布如圖3。 在由金屬氧化物構成的細密條的x 軸上形成正向電壓差,經過中值點又形成反向電壓差,構成同面四線模式。 內外涂層仍用絕緣透明隔離點隔開。 當按壓時內外涂層間有一觸點接通,致使左側向下電壓的上端某處有不同阻值的分壓產生, 據此控制器計算出該觸點的水平坐標值。 內涂層上每一觸點都有不同對應的x 軸坐標值。 觸點y 軸方向的坐標則是由控制器測定從內涂層經觸點流入外涂層(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四線式35 倍,達3500 萬

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,不怕污染,環境適應性好。它的另一個突出特點是分辨率很高,能分辨很尖細觸針的觸動,但怕銳器的硬戳。

圖3 　五線電阻技術的內涂層四線結構

3 　表面聲波技術觸摸屏

該技術為美國技術, 它是利用機械超聲波矩陣波面的動態傳播在顯示屏上進行觸點定位的。在顯示屏左上角和右下角分別固定有垂直向下發射和水平向左發射的超聲波換能發射器(如圖4)。

圖4 　表面聲波技術觸摸屏

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

 工作時,由表面聲波屏的控制器產生5. 53MHz 的高頻電信號送經換能發射器分別發出相互垂直的超聲波,形成動態超聲波矩陣波面,當這一工作面上有觸點時將吸收通過該點的聲能,換能器接收到這一改變后通知控制器確定出該觸點的坐標值[2 ]。

目前,表面聲波觸摸屏獨一無二的突出特點是,它能感知第三軸( z 軸) 坐標。 由于其分辨率、精度和穩定性非常高,能對手指觸點的壓力大小產生的信號衰減量分辨清晰,故可輕松得到數據。 這一自由度值可用于特殊控制,如醫用三維立體斷層掃描儀中對連續深層圖象的瀏覽和選擇等。

表面聲波屏由于沒有氧化金屬涂層,其清晰度非常好;它的強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、強聲和振動,也怕屏幕的污染,故適合室內辦公室、研究室等范圍。

4 　電容技術觸摸屏

其結構最為簡單。 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、金屬導體層,四角引出四個電極受控于控制器。 通過引線,夾層導體中有高頻電流流動(如圖5)。 由于人體電場的存在, 觸摸點手指與屏幕內涂層構成一個微小的耦合電容,而高頻電流對于通過小電容是很容易的。 這樣, 對稱四電極上的高頻電流通過觸點小電容被分流。 這個被破壞了對稱的變化量由控制器偵測到。 由于流入四電極的電流與手指觸點到四角的距離成反比,故可計算出觸點坐標值。

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

圖5 　電容技術觸摸屏