Interfejs użytkownika z wykorzystaniem czujnika pojemnościowego

Poniedziałek, 15 października 2007 | Technika

Projektanci rozmaitych przenośnych urządzeń, telefonów, odtwarzaczy, pilotów, cyfrowych kamer i aparatów fotograficznych, borykają się z problemami, związanymi z nieustannym wzrostem stopnia skomplikowania i liczby funkcji tych urządzeń. Postęp technologiczny zachęcił producentów urządzeń do stosowania rezystancyjnych ekranów dotykowych, zapewniających więcej miejsca w obudowie. Technologia ta jest łatwo dostępna, jednak poza zwiększeniem dostępności miejsca na ekranie ma ona szereg wad.

Interfejs użytkownika z wykorzystaniem czujnika pojemnościowego

Rezystancyjny panel dotykowy jest czujnikiem mechanicznym o dwóch warstwach materiału, przedzielonych powietrzem (rys. 1). Materiałem górnej warstwy jest cienka folia poliestrowa, a dolnej szkło. Naciśnięcie palcem górnej warstwy powoduje zetknięcie jej z dolną, z czego zostaje obliczona lokalizacja punktu styku. Po uniesieniu palca górna warstwa powraca do położenia początkowego. Główne wady rezystancyjnych ekranów dotykowych to słaba widoczność umieszczonego pod spodem wyświetlacza i niewielka trwałość ekranu.

Rys. 1. Rezystancyjny panel dotykowy jest czujnikiem mechanicznym o dwóch warstwach przedzielonych powietrzem.

Urządzenia z takimi ekranami łatwo ulegają uszkodzeniom na skutek upuszczenia, lub zbyt silnego naciskania przez użytkownika. Gdy ekran dotykowy pęknie, główny element wejściowy przestaje działać i całe urządzenie staje się bezużyteczne. Element ten wymaga ponadto otwieranej ramki, chroniącej brzegi ekranu, zwiększającej nawet dwukrotnie jego koszt. Ponadto ekran dotykowy musi być montowany na płaskiej i równej powierzchni, nie pod plastykiem. Ma także małą odporność na wyładowania elektrostatyczne (ESD). Jest podatny na uszkodzenia pod wpływem skraplającej się wilgoci, a fluktuacje temperatury i wilgotności mają silny wpływ na jego właściwości. Rezystancyjny ekran dotykowy naraża także na uszkodzenia mieszczący się pod nim delikatny wyświetlacz ciekłokrystaliczny.

Pojemnościowy ekran dotykowy

Wydajniejszą i bardziej niezawodną alternatywą dla ekranów rezystancyjnych jest pojemnościowy ekran dotykowy. Jest to cienki i przeźroczysty, czujnik pojemnościowy, umieszczany nad ekranem LCD z widocznymi symbolami, pomocnymi przy wprowadzaniu danych i do nawigacji. Jednym z wdrożeń tego rodzaju interfejsów z czujnikiem pojemnościowym jest ekran o nazwie ClearPad. Moduł czujnika pojemnościowego w postaci cienkiej przeźroczystej warstwy, służącej do kontaktowania się z palcem, jest zakończony elastyczną wypustką, zawierającą wszystkie elektroniczne obwody czujnika. Palec zbliżony do sieci ścieżek przewodzących czujnika zmienia pojemności najbliższych ścieżek (rys. 2). Na podstawie pomiaru tych zmian obliczana jest pozycja palca. Do aktywacji czujnika pojemnościowego nie jest potrzebny jakikolwiek nacisk. Wystarcza delikatne dotknięcie jego powierzchni lub przesunięcie po niej, palcem.

Czujnik pojemnościowy odbiera dotykową informację od użytkownika, i przesyła ją do płytki sterującej, gdzie zostaje ona przetworzona i przekazana do hosta. Host wykorzystuje informacje o pozycji palca w wielu funkcjach urządzenia, do wprowadzania znaków, danych i do przewijania.

Rys. 2. Pojemnościowy panel dotykowy ClearPad jest wykonany z twardego materiału. Palec na siatce przewodzących ścieżek zmienia pojemności tych najbliższych. Na podstawie danych pomiarowych zostaje obliczona pozycja palca.

W tej technice czujnik pojemnościowy zawiera przeźroczyście odwzorowane ścieżki (rys. 3). W ekranach pojemnościowych używa się tych samych materiałów co w rezystancyjnych, tlenku indowo-cynowego (ITO) na tereftalanie polietylenu (PET). Ekran pojemnościowy nie ma wad wersji rezystancyjnej, związanych z nienajlepszą przeźroczystością i trwałością, jest bowiem pojedynczym laminatem bez pogarszających przejrzystość szczelin powietrznych, strukturą niezawodną i sztywną. Ekrany rezystancyjne są uginającymi się pod naciskiem przełącznikami fizycznymi o ograniczonej żywotności. Istnienie pomiędzy foliami warstwy powietrza i dystansów podpierających, wywołuje wewnętrzne odbicia i rozpraszanie światła, a także zniekształcenia optyczne (jak pierścienie Newtona) po ugięciu się naciśniętej górnej folii.

Prostota struktury mechanicznej zapewnia mu niezawodność i przeźroczystość. Poszczególne warstwy tworzącego ekran pojemnościowy laminatu są ze sobą dobrze spojone optycznie, dzięki czemu wszelkie pęcherzyki powietrza i wewnętrzne odbicia są wyeliminowane. Bardzo mała grubość przewodzących ścieżek niemal nie powoduje pochłaniania światła. Element ten nie wymaga także płaskości ekranu, i może działać równie dobrze w kształcie lekko wypukłym.

Dopasowanie do aplikacji

Projektanci aplikacji przenośnych, jak telefony komórkowe, odtwarzacze, kamery i aparaty cyfrowe, dobierają rozmiary i kształt czujnika pojemnościowego oraz jego części elektronicznej do swoich specyficznych wymagań. Nieodłączną częścią modułu czujnika jest element sterujący ze specjalizowanymi układami scalonymi i oprogramowaniem. Urządzenia wykorzystujące czujnik pojemnościowy zapewniają użytkownikowi świetną optykę i doskonałą czułość w operowaniu dotykiem palca. Tekst i grafika prezentowane zarówno na jak i pod ekranem są jednoznacznie i ostro widoczne.

Rys. 3. Czujnik pojemnościowy składa się z przeźroczystych warstw z przewodzącymi ścieżkami. Użyte materiały są te same co w czujniku rezystancyjnym, tlenek indowo cynowy (ITO) na tereftalanie polietylenu (PET).

Rysunek 4 przedstawia przykładowy moduł czujnika, na który składają się cztery obszary. Panel czujnika pojemnościowego, przystosowany do 4-calowego wyświetlacza TFT, ma aktywną powierzchnię 60 x 80mm i grubość 0,68mm (wliczając 0,075mm spoiwa, łączącego ekran z soczewką lub obudową). Powierzchnia aktywna, sygnalizująca obecność i lokalizację palca użytkownika, jest obszarem przeźroczystym. W wąskim przeźroczystym obramowaniu powierzchni aktywnej, palec nie jest wykrywany. Nieprzejrzyste nieaktywne brzegi ekranu, od trzech stron obszaru czujnika, mieszczą niskorezystancyjne ścieżki doprowadzające. Są one optycznie i elektrycznie izolowane przed użytkownikiem. Wreszcie wystająca wypustka zawiera elektroniczne obwody czujnika.

Dostępny dla palca obszar czujnika jest przeźroczysty, doskonale więc się nadaje do współpracy z kontekstowymi symbolami graficznymi interfejsu użytkownika (na znajdującym się pod spodem ekranie LCD), zmieniającego się w zależności od aktualnego trybu działania urządzenia. Mogą być w nim używane zestawy przycisków, suwaki, programowane menu, sterowane kursory i rozpoznawanie znaków alfanumerycznych. Takie interfejsy oferują projektantowi bardzo liczne możliwości. Interfejs użytkownika nie jest już jedynie sprzętowy, może być w dowolny sposób kształtowany programowo i dostosowywany do specyficznych wymagań zadania i aplikacji.

Posługiwanie się czujnikiem

Technologia czujników pojemnościowych otwiera przed projektantami szeroki wybór nowych możliwości. Stworzenie intuicyjnego interfejsu użytkownika to nie tylko udoskonalanie czujnika pojemnościowego. Przy jego projektowaniu szczególną uwagę należy zwrócić na niedokładności i błędy, powodowane przez użytkownika interfejsu.

Czujnik pojemnościowy jest przeznaczony do wprowadzania informacji za pomocą palca, ale przeciętny użytkownik nie jest w stanie posługiwać się palcem z wielką precyzją. Z jednej strony ogranicza to interfejs, ale z drugiej czyni go bardziej intuicyjnym i prostszym. Dobrze nadaje się do urządzeń masowego użytku i dla użytkowników mniej zaawansowanych technicznie, a nie mających czasu na naukę obsługi.

Współdziałanie użytkownika z tym czujnikiem można usprawnić dwoma metodami. Jedna dotyczy statycznych cech interfejsu i zajmuje się sposobami sterowania i rozmieszczania jego elementów oraz rodzajem dotknięć. Druga dotyczy dynamiki interfejsu i zajmuje się formowaniem sterowania, obejmującym sposoby aktywacji przycisków, jej histerezą oraz konsekwencją w działaniu. Na przykład czujnik ClearPad, podobnie jak i inne interfejsy dotykowe, umożliwia projektantowi realizację elementów sterujących urządzenia całkowicie programowo. W takich interfejsach wyświetlacz udostępnia obiekty, wywołujące, przez dotknięcie ich palcem przez użytkownika, określone działania urządzenia. Jednakże nie wszystkie obiekty, widoczne na ekranie, muszą wywoływać działanie. Ważna więc jest łatwość wyróżniania, w danym rozmieszczeniu elementów sterowania, obiektów mających wywołać działanie, z pośród innych elementów grafiki ekranowej. W większości istniejących rozwiązań brakuje takiej jednoznaczności.

Rozmieszczenie elementów sterowania

Rys. 4. Powierzchnia czujnika pojemnościowego składa się z czterech obszarów: obserwacyjnej powierzchni aktywnej w środku, otoczonej z trzech stron wąską strefą przeźroczystą i nieaktywną, otoczonej z kolei szerszą strefą nieprzeźroczystą i nieaktywną, oraz wystającej elastycznej wypustki, mieszczącej obwody elektroniczne.

Przy projektowaniu rozmieszczenia elementów sterowania w interfejsie użytkownika trzeba pamiętać o zapewnieniu im poprawnych rozmiarów i odległości. Powierzchnia ekranu w urządzeniach przenośnych jest bardzo cenna, ale zbyt gęste rozmieszczenie małych elementów będzie frustrowało użytkowników. Dlatego ważne jest uwzględnienie typowych rozmiarów palca (8-14mm) użytkownika urządzenia. Przyciski i elementy, mniejsze od przewidywanej najmniejszej powierzchni styku palca z ekranem będą wywoływały kłopoty z użytkowaniem i powinny być unikane. Oprócz tego, pomiędzy elementami interfejsu powinno się zapewnić dostateczne odstępy. Odstępy te, czyli odległości pomiędzy środkami tych elementów, nie powinny być mniejsze od średnicy palca. Często zapomina się, że rozmiar wyświetlanego elementu, na przykład przycisku, nie musi być równy jego rozmiarowi aktywującemu. Gdy chce się użyć ciasno rozmieszczonych dużych przycisków, to ich rozmiary aktywujące powinny ograniczać się tylko do ich centralnej części. Natomiast rozmiar aktywujący małych, szeroko rozrzuconych, przycisków może być od nich większy. Projektant powinien unikać takiego rozmieszczania przycisków, w którym użytkownikowi będzie trudno nacisnąć tylko jeden.

Przyciski jednakowych rozmiarów nie są jednakowo dostępne. Dla poprawienia dostępności przycisków, przy równoczesnym oszczędzaniu miejsca, niektóre z nich należy uczynić mniejszymi, a inne większymi, w zależności od ich lokalizacji i funkcji. Przyciski narożne są łatwiej dostępne, mniej bowiem mają przycisków sąsiednich, a narożniki obudowy ułatwiają użytkownikowi nakierowywanie palca. Z tych samych powodów dolne narożne przyciski mogą być nieco mniejsze od górnych.

Za przykład takiego zróżnicowania rozmiarów przycisków, aby ich dostępność była jednakowa, może posłużyć klawiatura telefonu komórkowego (rys. 5). Zwiększone rozmiary środkowych przycisków kompensują ujemny wpływ na dostępność ich większej odległości od brzegów. Na rozmieszczenie przycisków wpływ mają także inne elementy interfejsu, na przykład czujniki przewijania, które nie powinny dać się uruchamiać przypadkowo wraz z naciskaniem przycisków sąsiednich.

Trzeba też pamiętać, że około 10% ludzkiej populacji jest leworęczna. Umieszczanie elementów kontrolnych po lewej lub po prawej stronie ekranu dyskryminuje jedną rękę względem drugiej. Zatem najczęściej używane elementy sterujące oraz te, które najbardziej wymagają praworęczności, powinny być umieszczane w środku.

Alternatywy wzgórków braillowskich

Rys. 5. Rozmiary klawiaturowych przycisków pojemnościowego czujnika dotykowego są zróżnicowane w sposób zapewniający im jednakową względną dostępność dla palca.

W technice czujników pojemnościowych reakcja następuje w wyniku delikatnego dotknięcia, użytkownik nie musi naciskać ekranu. Ale przydatne byłoby dotykowe sprzężenie zwrotne, dotykowy znak rozpoznawczy, jak wzgórek braillowski, zagłębienie, lub zmieniona tekstura powierzchni, ułatwiające użytkownikowi dotykową lokalizację obszaru przycisku. Wzgórki braillowskie są stosowane w klawiaturach komputerowych (klawisze F, J i 5) i niektórych telefonicznych dla ułatwienia bezwzrokowego odnajdywania środkowych klawiszy. Wzgórki takie mogą mieć podobne zastosowanie w ekranach pojemnościowych. Jednakże nie powinny być one używane, gdy nad dotykowym przeważa posuwisty ruch palca. Wtedy wzgórek będzie raczej przeszkadzał.

W aplikacjach ze zróżnicowanymi sposobami posługiwania się palcem ekran nie powinien być absolutnie gładki. Najlepszym rozwiązaniem jest przygotowanie nieco bardziej szorstkich obszarów aktywnych i pozostawienie pozostałej powierzchni gładkiej, o zróżnicowaniu wyraźnie wyczuwalnym pod palcem.

W wykorzystywaniu ekranów pojemnościowych istotne jest zróżnicowanie sygnału wejściowego. Można wyróżnić kilka jego rodzajów, inicjowanych palcem na ekranie. Ruch palca (gest) może służyć do przewijania, przeciągania, rysowania (przy tworzeniu rysunków lub rozpoznawaniu znaków), czy panoramowaniu (zoom). Ważne są aspekty dynamiczne tych gestów.

Z pośród mechanizmów aktywacji przycisków najważniejsze są dwa, puknięcie i naciśnięcie. Puknięcie jest krótkim kontaktem (przeciętnie < 250ms) z przyciskiem, niepołączonym z przesunięciem palca. Mechanizm ten zapobiega aktywacjom przypadkowym, ponieważ użytkownik musi szybko unieść palec po dotknięciu przycisku. Naciśnięcie przycisku, z minimalną zwłoką i poruszeniem palca, trwa dłużej (zwykle > 250ms) i dla większości użytkowników jest łatwiejsze do wykonania, dlatego jest zalecane bardziej niż puknięcie.

Trzeba także zwrócić uwagę na to, co się dzieje po „aktywacji” przycisku. Powinien on zostać na krótko unieruchomiony, aby uniknąć „podwójnej aktywacji”. W przypadku przewijania i innych ruchowych elementów interfejsu zalecane jest zastosowanie sterowania z histerezą. Oznacza to, że gdy gest zostanie zapoczątkowany dotknięciem danego elementu interfejsu, granice tego elementu powinny tak zostać poszerzone, aby objęły ewentualne niedokładności ruchu palca. Poszerzenie to powinno trwać od rozpoczęcia gestu aż do jego przerwania, czyli do momentu, gdy palec zostanie uniesiony, albo gdy opuści poszerzone granice elementu. Wprowadzenie histerezy do sterowania interfejsem, jeśli właściwie zrealizowane, znacznie poprawia użyteczność urządzenia, ponieważ ogranicza skutki niedokładności działania użytkownika. Poza tym histereza umożliwia ciaśniejsze rozmieszczenie pól dotykowych.

Sterowanie

Sterowanie w interfejsie użytkownika wymaga jednoznaczności. Ponieważ sposób sterowania nie jest dla użytkownika oczywisty i nie może być łatwo przedstawiany wizualnie, ważne jest, aby elementy sterowania danej aplikacji działały jednoznacznie. Na przykład pomieszanie przycisków aktywowanych puknięciem z przyciskami aktywowanymi naciśnięciem, na pewno będzie dla użytkowników mylące. Posługiwanie się poszerzaniem rozmiarów aktywacji i histerezą musi być stosowane konsekwentnie w poszczególnych aplikacjach w całym urządzeniu. Dotyczy to aspektów wizualnych rozmieszczenia elementów, a także szczególnego języka ich identyfikacji.

Aplikacje urządzenia mogą być pisane przez różnych wykonawców (a nawet w różnych firmach), zatem jednoznaczność w działaniu interfejsu może być trudniejsza do osiągnięcia, niż jednoznaczność w wyglądzie. Brak jednoznaczności może frustrować użytkownika, niezależnie od tego, jak dobrze będą zaprojektowane poszczególne aplikacje, czy rozmieszczenie elementów sterowania.

Zakończenie

Sercem elektroniki pojemnościowego panelu czujnikowego jest 16-bitowy mikrokontroler RISC. Jego zadaniem jest obsługa czujnika, zbieranie danych analogowych, kompensowanie wpływów środowiskowych, jak zakłócenia elektryczne i dryf temperatury, obliczanie pozycji palca, detekcja gestów nacisku, pukania i przesunięcia oraz komunikowanie się z hostem systemu.

W ważnej dziedzinie ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) zaletą ekranu pojemnościowego jest możliwość jego montażu pod soczewką lub obudową urządzenia. Dzięki temu jest niemal całkowicie odcięty od wpływu ESD. Jego wytrzymałość na ESD przy poprawnym montażu przekracza ±15kV, gdy ekrany rezystancyjne wytrzymują tylko ±8kV.

Ekran dotykowy pojemnościowy sprawdza się dobrze w warunkach oszczędnego zasilania. Może zostać wyłączony po dostarczeniu danych palcowych już po 100ms od włączenia. Może pracować w trybie aktywnym, w drzemce, uśpieniu i głębokim uśpieniu. W trybie aktywnym jest w pełni działający i gotowy do pracy pobierając 1,5mA i automatycznie przechodzi w drzemkę, pobierając około 60μA. Jeśli w ciągu określonego czasu nie zostanie wykryty gest palca, przechodzi w uśpienie przy poborze około 40μA, gdy częstotliwość sprawdzania obecności palca maleje i wreszcie w głębokie uśpienie przy 10μA, gdy sprawdzanie obecności palca ustaje. (KKP)