Schnelle Implementierung zuverlässiger Touchscreens

Ein Touchscreen wird als Benutzerschnittstelle (HMI) für die Programmierung, Konfiguration und Steuerung von Verbraucher-, Unternehmens- und Industriesystemen zunehmend einer Tastatur und Maus vorgezogen. Touchscreens sind intuitiv, schnell und haben eine einzige integrierte Schnittstelle, die eine Kombination von Eingabegeräten ersetzt. Außerdem bieten sie mehr Komfort für Menschen mit körperlichen Einschränkungen und können recht kompakt gebaut werden.

Aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Touchscreens müssen diese robust, mit dem bloßen oder behandschuhten Finger bedienbar und kostengünstig sein. Resistive Touchscreens erfüllen diese Anforderungen, aber die Anbieter müssen in der Lage sein, mit Standardlösungen, die aus einem Touchscreen und einem entsprechenden Controller bestehen, schnell auf den Markt zu kommen. Sie müssen auch die Unterschiede zwischen resistiven 4-Draht- und 5-Draht-Touchscreen-Schnittstellen kennen.

Dieser Artikel liefert eine kurze Beschreibung resistiver Touchscreens. Anschließend werden Beispiel-Touchscreens und -Controller von NKK Switches vorgestellt und gezeigt, wie man mit ihnen konstruiert.

Funktionsweise resistiver Touchscreens

Resistive Touchscreens sind eigenständige Komponenten, die einen Flachbildschirm überlagern. In Verbindung mit einem Controller ermöglicht ein Touchscreen dem Benutzer die Interaktion mit den angezeigten Symbolen durch Berühren bestimmter Bereiche. Ein Touchscreen kann die genaue Position einer Berührung mit dem Finger oder einem Stift erkennen. Die Anwendungssoftware bestimmt dann, welche weiteren Bildschirmaktionen auf der Grundlage dieser Position erfolgen sollen.

Resistive Touchscreens eignen sich für verschiedene Anwendungen im Verbraucher-, Einzelhandels-, Unternehmens-, Industrie- und Medizinbereich, da sie kostengünstig und robust sind und mit dem bloßen Finger, einer behandschuhten Hand oder einem Stift bedient werden können. Bei dieser Technologie wird eine verformbare Kunststofffolie verwendet, die auf der Rückseite mit einer leitfähigen Schicht wie Indium-Zinn-Oxid (ITO) beschichtet ist. Die Rückseite des Touchscreens besteht aus einer Glas- oder Acrylplatte, die auf der Vorderseite mit einer ITO-Schicht versehen ist.

Nichtleitende Abstandshalter trennen die Kunststofffolie von der Glas- oder Acrylträgerplatte. Wenn die Kunststofffolie mit einem Finger oder einem Stift mit einer Kraft von ein oder zwei Newton (N) gedrückt wird, berührt die Folie die Rückwand und schließt so einen Schalter im lokalen Druckbereich. Das Controller-Board, ausgestattet mit einem vier- oder fünfadrigen Kabel, kann die Position des geschlossenen Schalters bestimmen, und die Software reagiert entsprechend (Abbildung 1).

Abbildung 1: Resistive Touchscreens funktionieren, indem durch Berührung zwei leitende Oberflächen zusammengedrückt werden. (Bildquelle: NKK Switches)

Resistive Touchscreens eignen sich für Anwendungen, bei denen Kosten, Robustheit und die Bedienung mit Handschuhen oder nichtleitenden Stiften wichtig sind. Sie sind in der Regel in der Lage, Millionen oder sogar Dutzende von Millionen von Operationen ohne Ausfall durchzuführen. Resistive Touchscreens können auch mit einem Schutz gegen Wasser und Chemikalienspritzer hergestellt werden.

Unterschied zwischen 4- und 5-Draht-Touchscreen-Konfigurationen

Bei einem 4-Draht-Touchscreen befinden sich zwei Elektroden auf der Bodenplatte und zwei auf der Deckplatte. Auf der Bodenplatte verlaufen die Elektroden entlang der Y-Achse, so dass der Widerstand entlang der X-Achse gemessen werden kann. Auch die obere Platte hat Randelektroden, die entlang der X-Achse verlaufen, so dass der Widerstand entlang der Y-Achse gemessen werden kann (Abbildung 2).

Abbildung 2: Resistive 4-Draht-Touchscreens verwenden zwei Randelektroden auf der unteren Platte und zwei auf der oberen Platte. Die Paare verlaufen senkrecht zueinander und ermöglichen die Bestimmung der XY-Position einer Berührung. (Bildquelle: NKK Switches)

An der Stelle, an der der Finger den Touchscreen berührt, teilt die untere Schicht die obere Schicht effektiv in zwei Widerstände in Reihe. Die untere Schicht ist an der Berührungsstelle mit der oberen Schicht in ähnlicher Weise geteilt. Bei geeigneter Vorspannung kann jede Platte als Spannungsteiler fungieren, wobei die Ausgangsspannung die Koordinaten des Kontaktpunkts darstellt.

In einem 5-Draht-System hat die obere Platte vier Randelektroden und dient als Spannungsmessknoten. Die vier Ecken der Bodenplatte bilden Elektroden, die Spannungsgradienten in X- und Y-Richtung erzeugen. Für die Messungen in X- und Y-Richtung werden verschiedene Vorspannungskonfigurationen verwendet (Abbildung 3).

Abbildung 3: Resistive 5-Draht-Touchscreens verwenden vier Eckelektroden auf der Bodenplatte, um Spannungsgradienten in X- und Y-Richtung zu erzeugen, und zwei Paare von Randelektroden auf der oberen Platte, um die Spannung zu messen. (Bildquelle: NKK Switches)

Bei der 5-Draht-Konstruktion ist nur die Bodenplatte aktiv. Das bedeutet, dass selbst wenn die obere Platte beschädigt wird, der Touchscreen immer noch funktioniert. Im Gegensatz dazu sind bei einem 4-Draht-Touchscreen beide Platten aktiv; eine Beschädigung der oberen Platte kann zum Ausfall des Touchscreens führen. Der 5-Draht-Touchscreen ist in der Regel robuster, aber der Preis dafür ist eine höhere Designkomplexität und höhere Kosten.

Kommerzielle Lösungen für resistive Touchscreens

Um die Komplexität zu minimieren und die Markteinführung zu beschleunigen, bietet NKK bewährte kommerzielle Lösungen sowohl für den Touchscreen als auch für den passenden Controller. Bei der Entwicklung besteht immer noch die Möglichkeit, einen Touchscreen von NKK zu beziehen und ihn mit einem Controller eines anderen Anbieters oder einem eigenen zu kombinieren.

Die FT-Serie von NKK ist ein hervorragendes Beispiel für resistive Touchscreens. Erhältlich in verschiedenen Bildschirmgrößen von 5,7 bis 15,6 Zoll (in.) (diagonal) wird die Serie sowohl in 4- als auch in 5-Draht-Konfigurationen mit einer Betätigungskraft von 1,4 N angeboten (Tabelle 1). Beide Versionen verfügen über ein flexibles Anschlusskabel, das mit einer Steuerplatine verbunden ist.

Tabelle 1: Ein Vergleich von resistiven 4- und 5-Draht-Touchscreens zeigt, dass die 5-Draht-Version eine längere Lebensdauer bietet, gemessen in Tastvorgängen (Berührungen). (Bildquelle: NKK Switches)

Das FTAS00-5.7AS-4A ist ein 4-Draht-Modell, das 1 Milliampere (mA) bei 5 Volt DC (VDC) zieht, einen XY-Widerstandswert von 250 bis 850 Ohm (Ω), eine Linearität von 1,5 % und eine Isolationsimpedanz von 10 Megaohm (MΩ) aufweist. Die erwartete Lebensdauer des Touchscreens beträgt 50.000 Schreibvorgänge oder eine Million Tastvorgänge (Berührungen).

Das FTAS00-10.4A-5 ist ein 5-Draht-Modell, das 1 mA bei 5,5 VDC zieht, einen XY-Widerstandswert von 20 bis 80 Ω, eine Linearität von 2 % und eine minimale Isolationsimpedanz von 10 MΩ bietet. Die Lebensdauer beträgt 50.000 Schreibvorgänge oder 10 Millionen Tastvorgänge.

Sowohl für die 4-Draht- als auch für die 5-Draht-Touchscreen-Produkte bietet NKK einen Controller mit einer RS232C- oder einer USB-Schnittstelle an. Die Controller-Boards werden mit einer Gerätetreibersoftware geliefert, die mit Windows 7, 8 und 10 kompatibel ist. Die FTCS04C und die FTCU04B sind die RS232C- bzw. USB-Schnittstellenkontrollerkarten für die 4-Draht-Touchscreens von NKK, während die FTCS05B und die FTCU05B die Äquivalente für die 5-Draht-Touchscreens sind.

Erste Schritte mit resistiven Touchscreens

Der Entwicklungsprozess ist bei 4- und 5-Draht-Touchscreens ähnlich. Das Herzstück der RS232C- und der USB-4-Draht-Controller-Karte ist der Controller-Chip FTCSU548. Dieser 48-polige LFQFP-IC verfügt über eine asynchrone serielle Schnittstelle und eine Full-Speed-USB-2.0-Schnittstelle. Er wird über eine 3,3- bis 5-Volt-Versorgung für den RS232C-Betrieb oder eine 5-Volt-Versorgung für den USB-Betrieb mit einem Nennausgangsstrom von 170 mA versorgt und bietet eine Betriebsfrequenz von 16 Megahertz (MHz) und eine Analog/Digital-Wandler(ADC)-Auflösung von 10 Bit. Der Chip verfügt über eine integrierte Kalibrierungsfunktion.

Bei Betätigung des Touchscreens ermittelt der Controller-IC die Koordinaten anhand des Wertes der vom ADC erfassten Analogspannung und leitet sie über die RS232C- oder USB-Schnittstelle an den Host-Computer weiter (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der Controller-IC FTCSU548 (IC1) ist auf der Controller-Platine FTCU04B (4-Draht-USB) montiert. CN1 (links) ist der Anschluss für das 4-polige flexible Flachbandkabel des Touchscreens. (Bildquelle: NKK Switches)

Das flexible 4-Draht-Flachbandkabel des Touchscreens ist über CN1 mit dem Controller-Board verbunden. Das Controller-Board wird über CN4 mit dem Host-PC verbunden. Die USB-Schnittstelle CN4 versorgt das Board auch mit Strom. Auf dem Host laufen der Gerätetreiber und die Touchscreen-Anwendungssoftware (Abbildung 5).

Abbildung 5: Abgebildet ist eine typische Konfiguration mit 4-Draht-USB-Controller-Board und Host-PC. (Bildquelle: NKK Switches)

Tipps für die Entwicklung

Der resistive Touchscreen muss bei der Installation kalibriert werden. Der Controller-IC FTCSU548 verfügt über eine integrierte Kalibrierungsfunktion. Zum Kalibrieren muss der Controller-IC zunächst in den „Quelldatenmodus“ („Source Data Mode“) versetzt werden. Der PC zeigt dann einen Referenzpunkt (P1) auf dem Touchscreen an, auf den der Bediener mit einem Stift drückt, und die ADC-Spannungsinformationen werden über das Controller-Board an den PC gesendet. Der Vorgang wird mit einem zweiten Punkt (P2) in einem entfernten Touchscreen-Bereich wiederholt. Die physikalischen Koordinaten von P1 und P2 werden als Acht-Byte-Wert an den PC gesendet. Der Touchscreen wird dann in den „Kalibrierdatenmodus“ versetzt, und die Anwendungssoftware verwendet die Spannungs- und Koordinatenwerte für die beiden bekannten Punkte sowie eine eingebaute „0,0“-Referenz, um alle anderen Koordinaten im Bereich des Kalibrierdatenmodus zu interpolieren (Abbildung 6).

Abbildung 6: Bei der Erstkonfiguration und in regelmäßigen Abständen danach ist eine Kalibrierung erforderlich, da sich der Widerstand mit der Alterung des Touchscreens ändert. (Bildquelle: NKK Switches)

Der Widerstand des Bildschirms ändert sich mit zunehmendem Alter, so dass während seiner gesamten Lebensdauer eine Neukalibrierung erforderlich ist.

Der Rahmen des Displays muss unbedingt geerdet werden, um elektromagnetische Störungen (EMI) zu vermeiden. Es ist auch möglich, dass der anfängliche Kontaktwiderstand eines Fingers ein „Flattern“ verursacht. Um ein Flattern zu vermeiden, kann eine eingebaute Verzögerung verwendet werden, damit sich die Spannung einpendeln kann, bevor das System die Koordinaten berechnet.

Es muss auch darauf geachtet werden, dass keine Software installiert wird, die zum gleichzeitigen Berühren zweier Bereiche des Touchscreens auffordert. Die Technologie kann zwei zeitgleiche aber örtlich getrennte Berührungen nicht auflösen und geht standardmäßig von einem Mittelpunkt zwischen den beiden aus. Und schließlich erscheinen Unterbrechungen oberhalb der Bildschirmabstandshalter, wenn eine Linie mit dem Stift auf dem Bildschirm gezeichnet wird. Es muss sichergestellt werden, dass die Anwendungssoftware diese Lücken ausfüllt.

Fazit

Resistive Touchscreens eignen sich für Benutzerschnittstellen, bei denen Kosten, Robustheit und die Bedienung mit der bloßen Hand oder mit Handschuhen bzw. mit einem nicht leitenden Stift wichtig sind. Um die Implementierung zu vereinfachen, umfassen die kommerziellen Lösungen von NKK Touchscreen-Overlays, Controller-Boards mit einem speziellen Controller-IC und Gerätetreiber-Software.