Ofensywa pojemnościowych ekranów dotykowych

Rys. 1. Ekran dotykowy rejestrujący pojedyncze dotknięcie

Powszechnie wiadomo, że interakcja człowieka z urządzeniem stanowi nieodłączny i krytyczny element większości urządzeń. Zarówno projektanci, jak i użytkownicy chcieliby, aby była ona możliwie prosta i intuicyjna, gdyż wpływa to na łatwość obsługi oraz przekłada się na większą liczbę klientów i większe zyski. Najlepszym rozwiązaniem wydaje się ekran graficzny wyświetlający dostępne opcje z możliwością wyboru, która z zaprezentowanych funkcji ma być uaktywniona. Niestety znaczna część sprzętu konsumenckiego traktuje te dwa elementy jako oddzielne byty - z jednej strony wyświetlacz, a z drugiej sterowanie za pomocą przycisków, suwaków czy pokręteł. Taka obsługa nie zawsze jest odpowiednio prosta i intuicyjna.

Sytuacja ta ulega zmianie i użytkownicy otrzymują do dyspozycji urządzenia, które mają zintegrowany ekran graficzny z dotykowym. Dzięki przezroczystości ekranu dotykowego człowiek może wskazać palcem element graficzny na wyświetlaczu, który go interesuje, jednocześnie przekazując informację do sterownika urządzenia. Jest to dość intuicyjne rozwiązanie, które znacznie upraszcza użytkowanie np. punktów informacyjnych w centrach handlowych, biletomatów czy odbiorników GPS.

Taki interfejs ma jednak pewne ograniczenie - można dotykać ekran tylko w jednym miejscu (single-touch) - rysunek 1. Wynika to najczęściej z zastosowania rezystancyjnego ekranu dotykowego, który nie jest zdolny do obsługi więcej niż jednego dotknięcia równocześnie. Niemniej rozwiązanie to ma swoje zalety: urządzenie ma mniejszy rozmiar, nielimitowaną liczbę wirtualnych przycisków na ekranie oraz pozwala stosować rysiki do nawigacji.

Rys. 2. Ekran dotykowy rejestrujący dotknięcie w wielu miejscach równocześnie

W pewnym momencie zaczęto zadawać sobie pytanie, dlaczego interfejs użytkownika ma być oparty jedynie na obsłudze pojedynczego przycisku? Człowiek dysponuje dziesięcioma palcami, które może wykorzystywać do komunikacji ze sterownikiem urządzenia - rysunek 2. Zapewnia to możliwość obsługi z góry ustalonych gestów (rozciąganie, podwójne lub potrójne dotknięcie, obracanie) lub zaprogramowania nowych, wymyślonych przez projektanta urządzenia.

Niestety tak zaawansowana obsługa nie jest możliwa w przypadku typowego, rezystancyjnego ekranu ze względu na sposób jego działania. Staje się to możliwe dopiero po zastosowaniu technologii pojemnościowej.

Technologia wykonywania pojemnościowych ekranów dotykowych

Rys. 3. Budowa typowego systemu wyposażonego w ekran dotykowy

Typowy ekran dotykowy złożony jest z kilku elementów - rysunek 3. Pierwszym z nich jest przedni panel osłaniający podzespoły znajdujące się w jego wnętrzu. Może on spełniać funkcję ozdobną, zabezpieczającą przed czynnikami atmosferycznymi oraz zwiększającą odporność urządzenia na akty wandalizmu.

Bezpośrednio pod obudową umieszczany jest kontroler odbierający informacje z czujników pojemnościowych. Przetwarza on wstępnie zmierzone sygnały i przesyła je do systemu wbudowanego lub komputera. Kontroler ten może być umieszczony na obwodzie drukowanym wewnątrz urządzenia lub na elastycznej płytce drukowanej FPC (Flexible Printed Circuit) przytwierdzonej do szklanego podłoża. Czujnik dotykowy zbudowany jest z dużej liczby niezależnych elementów, stanowiących jedną z okładzin kondensatora. Zbliżony palec staje się drugą taką okładziną, tworząc pełnoprawny kondensator.

Detekcja dotknięcia bazuje na różnych metodach, ale w ogólności sprowadzają się one do doprowadzenia prądu do wybranej elektrody i zarejestrowania odpowiedzi na takie pobudzenie. W oparciu o wynik pomiaru kontroler jest w stanie określić miejsce przyłożenia palca. Wymaga to jednak odpowiedniej konstrukcji ekranu, na którą składają się dwie warstwy szkła z umieszczonymi na nich siatkami sensorów - osobno dla osi X i osobno dla Y. Są one przedzielone warstwą izolatora (rysunek 4). Każdy sensor w osi X oraz Y musi mieć osobne wyprowadzenie, więc ekran dotykowy o organizacji 5×6 będzie miał razem 11 wyjść.

Rys. 4. Budowa ekranu dotykowego

Jak już wspomniano, po przyłożeniu palca do ekranu tworzy się kondensator. Jego pojemność jest stosunkowo mała (w granicach 0,5...20pF), ale jest możliwa do zmierzenia. Jedna z technik wykorzystywanych do tego celu bazuje na modulatorze delta-sigma, który błyskawicznie ładuje kondensator i następnie rozładowuje go poprzez dołączony rezystor. Wynikiem jest czas upływający od momentu rozpoczęcia rozładowania do jego zakończenia.

Obszar zajmowany przez pojedyncze okładziny kondensatora jest stosunkowo niewielki, więc normalne jest, że sygnał jest rejestrowany równocześnie na kilku z nich - rysunek 5. Za dokładne określenie miejsca dotknięcia ekranu odpowiedzialne jest oprogramowanie, które interpoluje zmierzone sygnały i w ten sposób wyznacza z dużą dokładnością, gdzie przyłożono palec. Przykładowo, jeżeli sygnał zostanie zarejestrowany na czujnikach 1, 2 oraz 3 i jego wartości będą wynosiły (odpowiednio) 3, 10 oraz 7, to można wyliczyć, że palec znajduje się w położeniu

(1·3+2·10+7·3) / (3+10+7) = 2.2

Większość ekranów dotykowych współpracuje z tradycyjnymi wyświetlaczami LCD. Stanowią one ważny element dotykowego interfejsu użytkownika i powinny być dobierane do potrzeb aplikacji według standardowych kryteriów: rozdzielczości, jasności, jakości obrazu, częstotliwości odświeżania czy ceny. Problem stanowią jednak zaburzenia elektromagnetyczne emitowane przez pracujący wyświetlacz. Może to prowadzić do dużych błędów przy pomiarze bardzo małych sygnałów, jakie są charakterystyczne dla pojemnościowych ekranów dotykowych. Warto zatem sprawdzić, czy wybrany moduł LCD nie przyczyni się do wadliwej pracy pozostałych elementów systemu.

Rys. 5. Sygnał rejestrowany na czujnikach pojemnościowych w momencie ich dotknięcia

Ostatnim, nie mniej ważnym elementem jest oprogramowanie. Może być one dostarczone jako wbudowany system operacyjny (np. w telefonie komórkowym) lub oferowane jako pakiet dodatkowych bibliotek. Odpowiada ono za wymianę danych pomiędzy kontrolerem a systemem operacyjnym urządzenia. Oprogramowanie może interpretować ruchy palców użytkownika i przesyłać do systemu operacyjnego dane o jego aktywności.

Ekrany dotykowe, w jakie wyposażone są komputery, działają w sposób podobny do myszki - umożliwiają kliknięcie wybranego elementu na ekranie. Urządzenia wbudowane są zmuszone do porównywania miejsca dotknięcia z tym, co jest wyświetlane obecnie na ekranie.

Rozwiązania sprzętowe - kontrolery

Na rynku dostępne są jednoukładowe kontrolery zdolne rozpoznawać gesty i lokalizować miejsce przyłożenia palca do ekranu. Przykładem takiego rozwiązania opracowanego przez Cypress Semiconductor jest rodzina układów TMA300 (TrueTouch) obsługująca do 10 wejść równocześnie. Układy te mogą być zasilane napięciem z szerokiego przedziału (od 1,7V do 3,6V) i cechują się małymi rozmiarami (obudowa QFN o grubości 0,6mm). Pozwala to opracowywać urządzenia elektroniczne w sposób bardziej elastyczny i zmniejszyć ich rozmiary. Co więcej, możliwy staje się montaż na elastycznym podłożu bądź bezpośrednio na płytce drukowanej.

Rys. 6. Reklama gry na iPhone, w której do zabawy wykorzystywany jest... język

Technologia TrueTouch oparta na elastycznych i programowalnych układach PSoC współpracuje z ekranami dotykowymi i LCD pochodzącymi od różnych producentów. Rozwiązanie Cypress Semiconductor oferuje dodatkowe możliwości zwiększenia stopnia zintegrowania urządzenia, gdyż układ PSoC może dodatkowo realizować zadania takie jak sterowanie podświetleniem czy obsługa portów I/O i komunikować się z hostem za pomocą interfejsu szeregowego. Warto zwrócić uwagę na małe zużycie energii (typowo 15mW) oraz obecność wbudowanego systemu rozpoznawania niektórych gestów. Kontrolery z rodziny TrueTouch mogą obsługiwać ekrany dotykowe wykonane z różnych materiałów (np. ze szkła czy plastiku), co przekłada się na możliwość swobodnego doboru surowców.

Odporność na zakłócenia radiowe umożliwia stosowanie ich również w połączeniu z ekranami LCD cechującymi się stosunkowo dużymi zakłóceniami. Dostępne układy z rodziny TMA300 to: CY8CTMA300E oraz CY8CTMA301E zawierające, odpowiednio, 32kB i 16kB pamięci Flash. Są one umieszczone w obudowach o 36 i 48 wyprowadzeniach. Na rynek wprowadził swoje rozwiązanie również Atmel. Są to układy scalone z rodziny maXTouch. Według zapewnień firmy nowa technologia oferuje dużą liczbę wejściowych sensorów (do 224), niskie zużycie energii (4mW w stanie aktywnym) oraz natychmiastową odpowiedź na dotyk (odświeżanie z częstotliwością 250Hz).

Według oceny menedżerów Atmela nowe kontrolery będą stanowiły dla firmy ważne źródło dochodu, gdyż według prognoz największego wzrostu sprzedaży należy spodziewać się właśnie wśród kontrolerów ekranów dotykowych. W podobnie optymistycznym tonie wypowiada się przedstawiciel Cypress Semiconductor, który przewiduje 50% spadek popytu na ekrany rezystancyjne na rzecz pojemnościowych w najbliższym czasie. Wartość ta może się wahać w pewnych granicach, jednakże najwięksi gracze w Korei rozpoczęli już wdrażanie nowej technologii w swoich produktach. Dostępne na rynku technologie zapewniają obsługę różnej liczby wejść. Przykładowo rodzina kontrolerów True-Touch obsługuje ich 10. W przypadku Microchipa oferującego układy mTouch oraz IDT oferującego PureTouch liczba te wynosi, odpowiednio, 16 i 15. Znacznie lepiej pod tym

względem wypada maXTouch zapewniający wsparcie dla, teoretycznie, nieskończonej liczby wejść. Niemniej pierwsze z dostępnych na rynku układów Atmela (mXT224) obsługują ich zaledwie 10, ale położenie każdego z dziesięciu palców może być odczytywane i śledzone niezależnie. Dysponując dodatkowymi informacjami, takimi jak położenie palców w osiach X, Y oraz dodatkowym parametrem Z określającym kąt, pod jakim są one przyłożone, układ scalony może wykorzystać opracowane przez producenta algorytmy, aby uzyskać dokładniejsze dane o tym, co robi użytkownik. Przykładowo Atmel opracował zbiór algorytmów umożliwiających ignorowanie pięciu palców, gdy są one używane do trzymania np. telefonu.

Zalety ekranów pojemnościowych

Charakterystyczną cechą pojemnościowych ekranów dotykowych jest brak elementów ruchomych, jak ma to miejsce w rozwiązaniach rezystancyjnych. Powodowały one powstawanie zniekształceń nieliniowych na skutek niejednolitości w warstwie separującej powierzchnie kontaktowe. Z tego powodu konieczne było stosowanie przetworników analogowocyfrowych o rozdzielczości 10 a nawet 12 bitów. W niektórych przypadkach znacząco komplikowało to projekt. Co więcej, dotykowe ekrany rezystancyjne wymagały okresowej kalibracji zapewniającej spasowanie miejsca dotyku z wyświetlanym pod spodem obrazem.

W przypadku rozwiązań pojemnościowych wady te nie występują co więcej pomiędzy wyświetlaczem LCD a palcem użytkownika znajduje się jedynie warstwa ITO (Indium-Tin-Oxide) charakteryzująca się prawie 100% przezroczystością (poprawa o około 15..20% w stosunku do rozwiązań rezystancyjnych). Jest to szczególnie istotne przy używaniu nowoczesnych wyświetlaczy o dużej rozdzielczości. Zwiększona została ponadto trwałość, odporność na wilgotność, temperaturę oraz przypadkowe dotknięcie, np. przedmiotami noszonymi w kieszeni.

Ostatni aspekt staje się szczególnie ważny w przypadku telefonów komórkowych, gdzie istotne jest odróżnienie dotknięcia ekranu palcem od dotknięcia uchem czy policzkiem. Zapobiega to przypadkowym reakcjom urządzenia podczas rozmowy przez telefon, gdy aparat jest dociskany przez rozmawiającego do twarzy. Mimo to ekrany pojemnościowe reagują na dotyk o mniejszej sile nacisku, szybciej rejestrują obecność palca, mają większy obszar aktywny.

Zdolność wykrywania kilku palców przyłożonych do ekranu jednocześnie tworzy szereg dodatkowych możliwości komunikacji z systemem operacyjnym opartych o różnorodne ułożenie palców. Pozwala to choćby na łatwiejsze przeciąganie elementów na wirtualnym pulpicie, powiększania ich czy rozwijania podręcznego menu w zależności od tego, ile palców użytkownik użyje i w jaki sposób. Dość ciekawym rozwiązaniem prezentującym możliwości ekranów pojemnościowych są gry przeznaczone dla telefonu Apple polegające na... zlizywaniu z talerza różnych potraw (rysunek 6). Pomijając sensowność takich gier, można jednak zauważyć, że możliwości rozpoznawania dotyku są ogromne. Niemniej coraz większą rolę w tym procesie zaczyna odgrywać oprogramowanie.

Obsługa rysików

Pojemnościowe ekrany dotykowe najczęściej nie radzą sobie w sytuacji, gdy użytkownik korzysta z tanich, pasywnych rysików albo paznokci podczas obsługi urządzenia. Jest to spowodowane przyłożeniem do ekranu materiału stanowiącego izolator, zamiast palca, który stanowi drugą z okładzin kondensatora. Produkt Atmela, według zapewnień analityka z firmy Databeans, jest odporny na ten problem i obsługuje rysiki oraz paznokcie. Wynika to z dużej wartości współczynnika sygnału do szumu (około 80:1) i bardzo dużej prędkości odświeżania (do 250Hz). Dzięki temu jest możliwa rejestracja bardzo słabych sygnałów. Co ciekawe, tak dobre parametry pozwalają także zbadać obecności innych sygnałów (np. zakłóceń z nadajników radiowych, wyświetlacza LCD czy ładowarki do baterii).

Wysoka wartość SNR ma również zaletę w postaci mniejszego zużycia energii i większej częstotliwości odświeżania, bo nie jest wymagana dodatkowa filtracja i przetwarzanie słabego sygnału, aby wydobyć go z szumu tła. Przykładowy układ z rodziny maXTouch (mXT224) oparty jest o jednotaktowy rdzeń AVR RISC, ma 32 rejestry oraz wbudowane dwa układy DSP do wyliczania współrzędnych X oraz Y. Podobnie rodzina układów TMA300 zapewnia wsparcie dla tanich, pasywnych rysików.

Podsumowanie

Bez zbędnej przesady można rzec, że ekrany dotykowe stanowią przyszłość interfejsów użytkownika. Stają się one standardowym wyposażeniem różnorodnych, współczesnych urządzeń elektronicznych - począwszy od układów monitorujących pracę serca, a skończywszy na wielofunkcyjnych urządzeniach biurowych. Ich duża odporność na akty wandalizmu, niewrażliwość na czynniki środowiskowe i pogodowe, odporność na ścieranie oraz nowe możliwości interakcji z użytkownikiem oparte o obsługę wielu palców sprawiają, że są pożądanym elementem w nowoczesnych urządzeniach.

Elastyczność technologii umożliwia kupno poszczególnych elementów od różnych dostawców i realizację rozwiązania dopasowanego do potrzeb. Ważną zaletą jest możliwość dowolnego kształtowania obudowy ekranu dotykowego, co pozwoli zadbać o odpowiednie wzornictwo, estetykę i ergonomię końcowego produktu. Użytkownicy z pewnością docenią dokładne śledzenie ruchu wszystkich palców oraz dużą rozdzielczości pomiarów, które przekładają się na niezawodność działania i precyzyjną interpretację wykonywanych operacji. Nowa technologia będzie stanowiła ciekawą propozycję dla producentów interaktywnych gier 3D, klawiatur czy cyfrowych map, którzy skorzystają z możliwości optymalnego wykorzystania zarówno małych, jak i dużych wyświetlaczy, śledzenia ruchu wielu palców jednocześnie czy nawet całej dłoni.

Dość interesującym pomysłem wydaje się wykorzystanie pojemnościowych ekranów dotykowych do wykrycia dłoni zbliżanej do ekranu dotykowego jeszcze przed jego dotknięciem. Pozwoli to np. włączyć podświetlenie wyświetlacza, zanim użytkownik złapie telefon. Ułatwiłoby to znacznie poszukiwanie aparatu w ciemnym pomieszczeniu.

Jakub Borzdyński,
jotbeage@interia.pl