【導(dǎo)讀】與鍵盤和鼠標(biāo)相比，人們?cè)絹?lái)越傾向于使用觸摸屏作為人機(jī)界面 (HMI)，對(duì)消費(fèi)者、企業(yè)和工業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行編程、配置和控制。觸摸屏更直觀、速度快，采用單一的集成接口，可取代多種輸入設(shè)備。此外，還能為殘障人士提供更大的便利，并且可制成十分小巧的尺寸。
與鍵盤和鼠標(biāo)相比，人們?cè)絹?lái)越傾向于使用觸摸屏作為人機(jī)界面 (HMI)，對(duì)消費(fèi)者、企業(yè)和工業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行編程、配置和控制。觸摸屏更直觀、速度快，采用單一的集成接口，可取代多種輸入設(shè)備。此外，還能為殘障人士提供更大的便利，并且可制成十分小巧的尺寸。
觸摸屏的應(yīng)用范圍非常廣泛，這意味著它們必須堅(jiān)固耐用，既可以裸指操作，也可以戴著手套操作，同時(shí)還要經(jīng)濟(jì)高效。電阻式觸摸屏可以滿足這些要求，但設(shè)計(jì)人員需要能夠利用現(xiàn)成即用的解決方案快速進(jìn)入市場(chǎng)，其中就包含與適當(dāng)?shù)目刂破髋涮资褂玫挠|摸屏。他們還必須了解四線和五線電阻式觸摸屏接口之間的區(qū)別。
本文簡(jiǎn)要介紹了電阻式觸摸屏。隨后以 NKK Switches 的觸摸屏和控制器為例，說(shuō)明了如何使用這些產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)。
電阻式觸摸屏的工作原理
電阻式觸摸屏是覆蓋在平板顯示器上的獨(dú)立組件。觸摸屏與控制器結(jié)合使用，可讓用戶通過(guò)觸摸特定區(qū)域與所顯示的符號(hào)進(jìn)行交互。觸摸屏可以檢測(cè)手指或手寫(xiě)筆觸點(diǎn)的精確位置。然后，應(yīng)用軟件會(huì)根據(jù)該位置確定屏幕上應(yīng)進(jìn)一步執(zhí)行的操作。
由于電阻式觸摸屏價(jià)格低廉、堅(jiān)固耐用，可以裸指、戴著手套或用手寫(xiě)筆進(jìn)行操作，因此適用于各類消費(fèi)者、零售、企業(yè)、工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用。該技術(shù)采用一種可變形的塑料薄膜，薄膜背面涂有一層導(dǎo)電材料，例如氧化銦錫 (ITO)。觸摸屏的背面由玻璃或丙烯酸基板構(gòu)成，其正面也有一層 ITO。
非導(dǎo)電隔離點(diǎn)將塑料薄膜與玻璃或丙烯酸基板隔開(kāi)。當(dāng)用手指或手寫(xiě)筆以一到兩牛頓 (N) 的力度按壓塑料薄膜時(shí)，薄膜便會(huì)接觸基板，從而有效地閉合局部受壓區(qū)域的開(kāi)關(guān)。帶有四線或五線連接器的控制器板可以確定閉合開(kāi)關(guān)的位置，軟件也會(huì)做出相應(yīng)的反應(yīng)（圖 1）。
圖 1：電阻式觸摸屏通過(guò)觸摸操作使兩個(gè)導(dǎo)電表面相接觸進(jìn)行工作。（圖片來(lái)源：NKK Switches）
電阻式觸摸屏被廣泛用于要求成本低、堅(jiān)固耐用、可戴著手套或使用非導(dǎo)電手寫(xiě)筆操作的應(yīng)用。此類產(chǎn)品通常能夠經(jīng)受數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)千萬(wàn)次的觸摸操作，而不會(huì)出現(xiàn)故障。此外，電阻式觸摸屏還可制造為具有防水和防化學(xué)品飛濺功能的產(chǎn)品。
四線與五線觸摸屏配置的區(qū)別
四線觸摸屏在底板和頂板上各裝有兩個(gè)電極。底板上的電極沿 Y 軸延伸，使其能夠測(cè)量沿 X 軸的電阻。同樣，頂板上的邊緣電極沿 X 軸延伸，使其能夠測(cè)量沿 Y 軸的電阻（圖 2）。
圖 2：四線電阻式觸摸屏在底板和頂板上各裝有兩個(gè)邊緣電極。這兩對(duì)電極相互垂直，從而確定觸點(diǎn)的 XY 位置。（圖片來(lái)源：NKK Switches）
在手指觸點(diǎn)處，底層可有效地將頂層分為兩個(gè)串聯(lián)電阻。而頂層同樣也在觸點(diǎn)處對(duì)底層進(jìn)行分壓。通過(guò)適當(dāng)?shù)钠?，每塊板都能起到分壓器的作用，其中輸出電壓即代表觸點(diǎn)坐標(biāo)。
在五線系統(tǒng)中，頂板有四個(gè)邊緣電極，作為電壓感應(yīng)節(jié)點(diǎn)。底板的四個(gè)角形成電極，在 X 和 Y 方向上產(chǎn)生電壓梯度。使用不同的偏置配置獲得 X 和 Y 方向的測(cè)量值（圖 3）。
圖 3：五線電阻式觸摸屏在底板上使用四個(gè)角落電極，以在 X 和 Y 方向上產(chǎn)生電壓梯度，并在頂板上使用兩對(duì)邊緣電極來(lái)感應(yīng)電壓。（圖片來(lái)源：NKK Switches）
在五線結(jié)構(gòu)中，只有底板是活動(dòng)的。這意味著即使頂板損壞，觸摸屏仍能正常工作。相反，四線觸摸屏的兩塊板都是活動(dòng)的；頂板損壞會(huì)導(dǎo)致觸摸屏失靈。五線觸摸屏往往更耐用，但代價(jià)是其設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，成本也更高。
商用電阻式觸摸屏解決方案
為了盡可能降低復(fù)雜性并加快產(chǎn)品上市速度，NKK 為觸摸屏和配套的控制器提供了成熟的商用解決方案。設(shè)計(jì)人員仍然可以選擇從 NKK 購(gòu)買觸摸屏，并將其與其他供應(yīng)商或自有的控制器配套使用。
NKK 的 FT 系列是電阻式觸摸屏的典范。該系列提供從 5.7 英寸到 15.6 英寸（對(duì)角線）不等的各種屏幕尺寸，有四線和五線兩種配置，觸摸激活力度為 1.4 N（表 1）。這兩個(gè)版本都有一個(gè)連接到控制器板的柔性電路尾端。
表 1：通過(guò)對(duì)四線和五線電阻式觸摸屏進(jìn)行比較，可以看出五線電阻式觸摸屏的使用壽命更長(zhǎng)（以點(diǎn)擊次數(shù)為單位）。（圖片來(lái)源：NKK Switches）
FTAS00-5.7AS-4A 是一款 5.7 英寸四線型電阻式觸摸屏，在 5 VDC 下電流為 1 mA，XY 電阻值為 250 Ω 至 850 Ω，線性度為 1.5%，絕緣阻抗為 10 MΩ。觸摸屏的預(yù)期使用壽命為 5 萬(wàn)次書(shū)寫(xiě)或 100 萬(wàn)次點(diǎn)擊。
FTAS00-10.4A-5 是一款 10.4 英寸五線型電阻式觸摸屏，在 5.5 VDC 下電流為 1 mA，XY 電阻值為 20 Ω 至 80 Ω，線性度為 2%，絕緣阻抗為 10 MΩ。預(yù)期使用壽命為 5 萬(wàn)次書(shū)寫(xiě)或 1,000 萬(wàn)次點(diǎn)擊。
無(wú)論是四線還是五線觸摸屏產(chǎn)品，NKK 均提供帶有 RS232C 或 USB 接口的控制器?？刂破靼咫S附與 Windows 7、8 和 10 兼容的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序軟件。FTCS04C 和 FTCU04B 分別是用于 NKK 四線觸摸屏的 RS232C 和 USB 接口控制器板，而 FTCS05B 和 FTCU05B 則是用于五線觸摸屏的同類產(chǎn)品。
電阻式觸摸屏入門
四線與五線觸摸屏的設(shè)計(jì)過(guò)程類似。RS232C 和 USB 四線控制器板的核心是 FTCSU548 控制器芯片。這款 48 引腳 LFQFP IC 配備異步串行接口和全速 USB 2.0 接口。該器件由 3.3 V 至 5 V 電源供電（用于 RS232C），或由 5 V 電源供電（用于 USB），額定輸出電流為 170 mA，工作頻率為 16 MHz，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 分辨率為 10 位。該芯片具有內(nèi)置校準(zhǔn)功能。
按壓觸摸屏?xí)r，控制器 IC 會(huì)利用 ADC 檢測(cè)到的模擬電壓值確定坐標(biāo)，并通過(guò) RS232C 或 USB 接口將坐標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)到主機(jī)（圖 4）。
圖 4：FTCSU548 控制器 IC (IC1) 安裝在 FTCU04B（四線 USB）控制器板上。CN1（左）是觸摸屏四線柔性電路尾端的連接器。（圖片來(lái)源：NKK Switches）
觸摸屏的四線柔性電路尾端通過(guò) CN1 與控制器板連接?？刂破靼逋ㄟ^(guò) CN4 與主機(jī) PC 連接。CN4 USB 接口同時(shí)為控制器板供電。主機(jī)會(huì)運(yùn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和觸摸屏應(yīng)用軟件（圖 5）。
圖 5：典型的四線 USB 控制器板和主機(jī) PC 配置。（圖片來(lái)源：NKK Switches）
設(shè)計(jì)建議
電阻式觸摸屏在安裝時(shí)需要校準(zhǔn)。FTCSU548 控制器 IC 內(nèi)置有校準(zhǔn)功能。首先，必須將控制器 IC 設(shè)置為“源數(shù)據(jù)模式”才能進(jìn)行校準(zhǔn)。然后，PC 會(huì)在觸摸屏上顯示一個(gè)參考點(diǎn) (P1)，操作人員用手寫(xiě)筆按壓該點(diǎn)，ADC 電壓信息就會(huì)通過(guò)控制器板發(fā)送到 PC。隨后在觸摸屏另一處的第二個(gè)點(diǎn) (P2) 重復(fù)這一過(guò)程。P1 和 P2 的物理坐標(biāo)以 8 字節(jié)數(shù)字的形式發(fā)送到 PC。接下來(lái)，再將觸摸屏設(shè)置為“校準(zhǔn)數(shù)據(jù)模式”，應(yīng)用軟件會(huì)使用兩個(gè)已知點(diǎn)的電壓和坐標(biāo)讀數(shù)，加上內(nèi)置的“0,0”參考點(diǎn)，對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)模式區(qū)域內(nèi)的所有其他坐標(biāo)插值（圖 6）。
圖 6：由于電阻會(huì)隨著觸摸屏的老化而發(fā)生變化，因此需要在初始配置時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)，并在之后定期校準(zhǔn)。（圖片來(lái)源：NKK Switches）
屏幕的電阻會(huì)隨著器件的老化而發(fā)生變化，因此在整個(gè)使用壽命內(nèi)需要反復(fù)校準(zhǔn)。
最重要的是，必須將顯示器件框架接地以防止電磁干擾 (EMI)。此外，手指的初始接觸電阻也可能導(dǎo)致“抖動(dòng)”。為了防止抖動(dòng)，可使用內(nèi)置延遲功能，讓電壓在系統(tǒng)計(jì)算坐標(biāo)之前穩(wěn)定下來(lái)。
設(shè)計(jì)人員還必須注意不要在軟件中指示用戶同時(shí)點(diǎn)擊兩個(gè)觸摸屏區(qū)域。該技術(shù)無(wú)法分辨兩個(gè)獨(dú)立的觸點(diǎn)，會(huì)默認(rèn)為兩點(diǎn)之間的中點(diǎn)。最后，當(dāng)使用手寫(xiě)筆在屏幕上畫(huà)線時(shí)，屏幕中將兩層隔開(kāi)的隔離點(diǎn)上方會(huì)出現(xiàn)斷點(diǎn)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保應(yīng)用軟件能填補(bǔ)這些缺陷。
總結(jié)
電阻式觸摸屏適用于在要求成本低、堅(jiān)固耐用、可裸手或戴著手套或者使用非導(dǎo)電手寫(xiě)筆操作的應(yīng)用中作為 HMI。為了簡(jiǎn)化實(shí)施過(guò)程，NKK 的商用解決方案涵蓋了觸摸屏覆蓋層、帶有專用控制器 IC 的控制器板，以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序軟件。
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