Dotykové displeje

Část 1. Odporová a kapacitní technologie

Displeje provázejí člověka v současnosti téměř na každém kroku. Smyslem článku věnujícího se těmto zobrazovacím zařízením není jmenovat všechny jejich aplikace a možnosti využití. Článek by měl přiblížit provedení displejů se zaměřením na dotykové technologie. Ty jsou dnes velmi moderní a široce využívané, a to nejen domácími uživateli mobilů, tabletů a dalších přístrojů domácího použití, ale pronikly i do světa profesionálních přístrojů a průmyslových aplikací, jako jsou měřicí přístroje, ovládací panely a další.

Článek se bude věnovat dotykovým displejům využívajícím tři technologie. Základní a nejdůležitější je čtyřvodičová odporová technologie a její modifikace, kterou představuje pětivodičová odporová technologie. Kapacitní technologie je třetí nejčastěji v praxi využívaná technologie.

Dotykový displej tvoří tři části – panel, řadič a ovladač. Řadič je zařízení, které řídí dotykovou vrstvu a spojuje ji s počítačem. Při dotyku panelu se vzniklý signál předá řadiči, který jej zpracuje a data předá procesoru, převádí tedy informaci z dotykové vrstvy na informaci, která je srozumitelná počítači. Ovladač je program, který komunikuje prostřednictvím řadiče s operačním systémem a zajistí, že pohyb prstu je převeden na pohyb kurzoru.

Obr. 1. Principiální nákres dotykové technologie

Rezistivní displej – čtyřvodičová odporová dotyková technologie

Mezi první dotykové displeje patří rezistivní displej, který využívá tzv. rezistivní technologii. Displej se skládá z několika vrstev. Na jeho povrchu je pružná membrána, která je pokryta (zevnitř displeje) tenkou průhlednou vrstvou kovu se specifickým odporem (první elektroda). Pod membránou je další (hrubší) vodivá průhledná vrstva (druhá elektroda), která je také vodivá a zároveň pevnější a je zapojena a otočena o 90°. Mezi těmito vrstvami se nachází velmi tenká vzduchová mezera s rastrem izolačních podpěr, které tyto vodivé vrstvy na krajích izolují od sebe. Po dotyku s dostatečným tlakem se horní vrstva lehce prohne a vrstvy se spojí. V místě kontaktu dolní vrstva rozdělí horní vrstvu na dva odpory v sérii (obdoba potenciometru). Podobně je dolní vrstva rozdělena do dvou odporů v místě kontaktu s horní vrstvou. Konkrétně se při měření polohy dotyku připojí na elektrody v první vrstvě napětí, při dotyku dojde ke styku dvou dosud vzájemně izolovaných fólií a na elektrodách druhé fólie se objeví napětí, jehož velikost je úměrná souřadnici místa dotyku. Pro měření druhé souřadnice se napětí připojí na druhou fólii a měří se na elektrodách fólie první. Mezi vrstvami začne procházet proud a kontrolér převede a z výsledků dotyku spočítá jeho polohu.

Popsaný dotykový panel se nazývá čtyřvodičový, podle počtu vyvedených elektrod. Patří mezi nejčastěji používané typy dotykových panelů. K výhodám se řadí zejména nízká cena, vysoká spolehlivost, možnost ovládat panel v rukavicích, odolnost proti chemickým vlivům atd.

Čtyřvodičová odporová dotyková technologie je v zásadě nejpoužívanější. Ačkoliv je propustnost světla poněkud nižší, je tato technologie odolnější, co se týče mechanického poškození. Vysoké dotykové rozlišení, reakce na tlak, ovládání jakýmkoliv předmětem, odolnost proti prachu, špíně, vodě či světlu, to jsou vlastnosti, pro které jde o nejpoužívanější dotykovou technologii. Proto je doporučována pro osobní využití, školy, kanceláře nebo do restauračních systémů a mnoha různorodých aplikací. Nevýhodami je pouze 80% průzračnost oproti akustické technologii (SAW – Surface Acoustic Wave) a skutečnost, že horní odporová vrstva může být mechanicky poškozena ostrými předměty. Technologie je určena pro méně zátěžové aplikace, jako jsou domácí počítače, prezentační místnosti, restaurace apod.

  
Obr. 2. Předpětí dotykové obrazovky pro čtení směrů x a y a pro detekci dotyku (čtyřvodičová technologie)
Obr. 3. Předpětí dotykové obrazovky pro čtení směrů x a y a pro detekci dotyku (pětivodičová technologie) (vpravo)

Rezistivní displej – pětivodičová odporová dotyková technologie

Problém odolnosti částečně řeší pětivodičová odporová dotyková technologie. Od čtyřvodičové se liší zejména tím, že napětí není pouštěno do dolní, ale pouze do horní vrstvy, která se při stisknutí dotýká stabilní skleněné vodivě pokovené podložky. Displej tudíž není tolik ovlivněn mechanickým poškozením horní pružné vrstvy a má životnost 35 milionů dotyků v jednom místě. Je zaváděn v zařízeních, kde je zapotřebí vyšší odolnost, jako jsou průmyslové terminály, kiosky atd.

Princip pětivodičové odporové dotykové obrazovky je složitější. K obvodům dotykové obrazovky je přidán další obvod, který umožňuje zacházet s dotykovou obrazovkou jako s děličem napětí v každém směru v místě dotyku, je-li použito správné předpětí. Předpětí horního levého a pravého rohu na Vss a předpětí dolních rohů na Vdd umožní změřit souřadnici y. Předpětí levé strany obrazovky na Vss a předpětí pravé strany obrazovky na Vdd analogicky změří souřadnici x. Předpětí všech čtyř rohů na Vss lze použít k detekci dotyku obrazovky a generování přerušení.

Všechny rohy dotykové obrazovky jsou nastaveny na logickou nulu. Pátý kontakt se připojí na napětí přes pull-up rezistor. Po dotyku obrazovky se vytváří dělič napětí mezi rezistorem a bodem dotykové obrazovky. Dojde-li k dotyku, napětí na rezistoru poklesne a generuje přerušení.

Pro určení místa dotyku v ose X se dva kontakty připojí na napětí přes pull-up rezistor a zbylé dva kontakty uzemní. Na pátém vodiči je měřeno napětí. Postup je nutné opakovat pro obě osy.

Podrobnější informace o tomto technickém řešení jsou dostupné v dokumentu AN10675 [1].

Obr. 4. Kapacitní technologie

Kapacitní technologie

Na povrchu kapacitního dotykového displeje je nanesena vodivá vrstva, která uchovává elektrický náboj. Vznikne jednoduchý deskový kondenzátor, kde elektrody v rozích panelu přivádějí do vodivé vrstvy napětí a skleněná podložka představuje dielektrikum. Při dotyku displeje prstem nebo jiným vodivým předmětem se připojí parazitní kapacita vodivého předmětu do obvodu, což způsobí změnu kapacity. Vzroste proud, jehož velikost je úměrná místě dotyku. Nárůst proudu lze využít k registraci dotyku a z velikosti proudu je možné určit přesné místo dotyku.

Výhodou tohoto systému je možnost využití pro vícedotykové aplikace a vysoká mechanická odolnost a nízká náchylnost k poruchám funkce vlivem nečistot (mastnota, prach atd.). Nevýhodou a omezením je to, že displej funguje jen v případě, že se ho uživatel dotýká elektricky vodivým předmětem. S rukou v kožené rukavici nebo s tyčinkou z plastu je tento typ displeje nefunkční. Technologie není vhodná do prostředí se stříkající vodou atd.

Speciálním typem kapacitního displeje je tzv. projekční kapacitní displej. Využívá princip kapacitního displeje, ale s tím rozdílem, že vyzařuje elektrické pole do blízkého okolí. Jestliže je takový displej umístěn např. za nevodivou tenkou vrstvu skla nebo plexiskla, bude tento systém fungovat a bude mechanicky velmi odolný.

(pokračování)

Zdroj:
AN10675. Interfacing 4-wire and 5-wire resistive touchscreens to the LPC247x [online]. [cit. 2020-11-22].
Dostupné z: https://www.nxp.com/docs/en/application-note/AN10675.pdf
In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2020-11-22].
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Touchscreen.png 
https://en.wikipedia.org/wiki/File:TouchScreen_projective_capacitive.svg