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触摸屏技术的结构原理及应用

王军亮

(兰州大学计算中心,兰州,730000)

摘　要　综述了触摸屏的技术原理及其应用价值。

电脑操作只用屏幕点触方式简便快捷达到操作目的,这是世界上电脑能广泛普及运用的总趋势之一。 只要有点菜单操作概念,就可即学即用。 现对这一技术的几种原理及其应用作以

综述。

触摸屏技术主要就是快速准确地处理随机触摸点坐标的技术,一旦立即解决这一首要问题,剩下的问题就与鼠标作用过程相同。目前成熟的触摸屏技术有4 种,即红外线式、五线电阻式、表面声波式、电容式,其原理分述如下。

1 　红外线式触摸屏

在屏幕前框架的左边( y 轴) 和下边( x 轴) 分别装有红外线发射管,各自的对边又装有对应的接收管(如图1) ,管的排列密度与其分辨率有关。 工作时在屏幕前形成纵横交叉的红外线矩阵,用户的手指触摸点将阻挡经过该点的横竖两方向的红外线,通过接收管,计算机便由此参数计算出触摸点的位置,再执行对计算机的操作目的。红外触摸屏的矩阵电路及微处理器控制电路都装在屏前的框架内,并通过键盘接口直接与主机通讯,不需独立电源。 其价格低,安装简易,但由于发射、接收管排列有限,分辨率不高,且怕外界红外光的干扰及不防水防尘、框架易碎等缺点, 主要应用于室内站台等简单操作的地方。

图1 　红外线触摸屏技术

2 　五线电阻触摸屏

它是在四线电阻触摸屏的基础上创造出来的新的专利技术,克服了四线式寿命短、清晰度不高的缺点。四线电阻技术是一块与显示屏紧贴的玻璃为基层,其外表面涂有一薄层透明氧化铟InO ,作为电阻层,其水平方向加有5V 到0V 的直流工作电压,形成均匀连续的电压分布。 在该导电层上再盖有一层外表面经防刮硬化处理而内表面也涂有相同氧化金属层的保护层,其垂直方向也加有5V 到0V 的直流连续分布电压。 两电阻层之间用约千分之一英寸的许多透明绝缘隔离点隔开(如图2)。 按摸屏幕时,两电阻层在触点位置就有一个接通,经过模拟量电压模数(ATD) 转换,控制器就能计算出触点的x , y 坐标值。 由于四线电阻触摸屏的外电阻涂层频繁受压,易造成裂损而改变涂层电压分布不均致使触点位置计算不准而报废的缺点,又创造了五线电阻技术。

图2 　四线电阻触摸屏技术

五线电阻触摸屏的新特点是把外层电阻层只用作导体层,作为五线中其中一线,即使有裂损,只要不断裂开,对侦测计算不受影响,这无疑大大增强了使用寿命。而在内层电阻涂层中则把四线电阻技术中纵横电压分布场技术创造性巧妙的应用在同一涂层中,其结构分布如图3。 在由金属氧化物构成的细密条的x 轴上形成正向电压差,经过中值点又形成反向电压差,构成同面四线模式。 内外涂层仍用绝缘透明隔离点隔开。 当按压时内外涂层间有一触点接通,致使左侧向下电压的上端某处有不同阻值的分压产生, 据此控制器计算出该触点的水平坐标值。 内涂层上每一触点都有不同对应的x 轴坐标值。 触点y 轴方向的坐标则是由控制器测定从内涂层经触点流入外涂层(五线之一) 的电流值确定出的。 五线电阻触摸屏除使用寿命大大超过四线式35 倍,达3500 万

次外,其透光率和清晰度也很高,由于工作在与外界封闭隔离状态,不怕污染,环境适应性好。它的另一个突出特点是分辨率很高,能分辨很尖细触针的触动,但怕锐器的硬戳。

图3 　五线电阻技术的内涂层四线结构

3 　表面声波技术触摸屏

该技术为美国技术, 它是利用机械超声波矩阵波面的动态传播在显示屏上进行触点定位的。在显示屏左上角和右下角分别固定有垂直向下发射和水平向左发射的超声波换能发射器(如图4)。

图4 　表面声波技术触摸屏

其各自同方向的屏边及对边都刻有45°用于反射波导向的由疏到密间隔非常精密的反射条纹(其参数与波长有关)。 沿着对边传导波的末端———即显示屏的右上角又分别对应安装着超声波x 轴y 轴接收换能器。

工作时,由表面声波屏的控制器产生5. 53MHz 的高频电信号送经换能发射器分别发出相互垂直的超声波,形成动态超声波矩阵波面,当这一工作面上有触点时将吸收通过该点的声能,换能器接收到这一改变后通知控制器确定出该触点的坐标值[2 ]。

目前,表面声波触摸屏独一无二的突出特点是,它能感知第三轴( z 轴) 坐标。 由于其分辨率、精度和稳定性非常高,能对手指触点的压力大小产生的信号衰减量分辨清晰,故可轻松得到数据。 这一自由度值可用于特殊控制,如医用三维立体断层扫描仪中对连续深层图象的浏览和选择等。

表面声波屏由于没有氧化金属涂层,其清晰度非常好;它的强化玻璃屏有很高的防刮擦能力,但怕其它频率很近和倍频的超声、强声和振动,也怕屏幕的污染,故适合室内办公室、研究室等范围。

4 　电容技术触摸屏

其结构最为简单。 它是在紧贴显示屏前的双夹层玻璃中涂有一层透明的氧化、金属导体层,四角引出四个电极受控于控制器。 通过引线,夹层导体中有高频电流流动(如图5)。 由于人体电场的存在, 触摸点手指与屏幕内涂层构成一个微小的耦合电容,而高频电流对于通过小电容是很容易的。 这样, 对称四电极上的高频电流通过触点小电容被分流。 这个被破坏了对称的变化量由控制器侦测到。 由于流入四电极的电流与手指触点到四角的距离成反比,故可计算出触点坐标值。

电容技术触摸屏灵敏度极高, 能感知轻微快速的触碰(响应时间最快为3ms) ,所以它不怕污染和带手套触摸等,但它怕外界强电场干扰

图5 　电容技术触摸屏