Kalibracja ekranów dotykowych w praktyce

64 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2011 NOTATNIK KONSTRUKTORA Szybkość zużywania się ekranu doty- kowego i  rodzaje powstających problemów zależą od technologii, w  której został on wykonany. Najczęściej kalibracji wymagają ekrany rezystywne 4- i ewentualnie 8-prze- wodowe. Wynika to z faktu, że zawierają one elementy mechaniczne, które stykają się ze sobą, tym samym zużywając się. Jednakże ekrany pojemnościowe (powierzchniowe), pomimo braku takich elementów również z czasem wymagają rekalibracji, gdyż mate- riały z  których się składają powoli starzeją się. Co więcej, nawet ekrany dotykowe wy- konane w  technologii SAW mogą niekiedy zniszczyć się w taki sposób, że ponowna ka- libracja przywróci je do pełnej sprawności. Jedynie panele pojemnościowe typu projec- ted capacitive oraz układy wykorzystujące siatkę podczerwieni mogą działać latami bez konieczności regulacji ich ustawień. Konieczność okresowej kalibracji może być w  niektórych zastosowaniach bardzo kłopotliwa, a czasami po prostu kosztowna. Z tego względu tworząc nowy projekt z ekra- nem dotykowym warto skorzystać z  oferty dystrybutora, które dostarcza panele wy- konywane w  wielu różnych technologiach. Przykładem takiej firmy jest gdański Unisys- tem, który znacząco rozszerzył swoją ofertę paneli dotykowych. Wprowadził do sprze- daży szereg paneli firm Winstar i Densitron, z którymi od lat współpracuje w dziedzinie wyświetlaczy. Firma Unisystem oferuje też wsparcie techniczne dla użytkowników ofe- rowanych przez nią klientów. Które ekrany kalibrować? Decydując się na zastosowanie większo- ści z dostępnych na rynku ekranów dotyko- wych będziemy musieli liczyć się z tym, że jeśli produkowane przez nas urządzenie bę- dzie długo użytkowane, to z czasem pojawią się klienci, których sprzęt będzie wymagał Kalibracja ekranów dotykowych w praktyce Długotrwałe używanie ekranu dotykowego może spowodować, że w  wyniku zużycia materiałów lub zwyczajnego upływu czasu, parametry elektryczne zastosowanych komponentów ulegną zmianie, a  panel przestanie poprawnie reagować na dotyk. Powoduje to najczęściej zmniejszenie precyzji wyznaczania punktów dotyku, co znacząco utrudnia posługiwanie się interfejsem. Na szczęście w  dosyć łatwy sposób można przywrócić pełną sprawność panelu przeprowadzając jego kalibrację. Alternatywą jest też nabycie ekranu, który byłby praktycznie niewrażliwy na zużycie. rekalibracji. Dlatego też warto przygotować się na taką ewentualność. Co więcej, w wy- padku ekranów rezystancyjnych, oporność zastosowanych w  nim warstw, nawet jeśli jest jednolita na całej powierzchni, może różnić się pomiędzy poszczególnymi egzem- plarzami. Dlatego procedura kalibracji może być przydatna także w  chwilę po zakupie ekranu, a nie tylko po pewnym czasie jego użytkowania. Na precyzję działania mogą mieć też wpływ warunki środowiskowe. Na przewodność warstw wpływają np. zmiany temperatury, a  więc tym samym na wyniki pomiarów dokonywanych przez stosowne kontrolery. Ekrany 5-przewodowe są nieco mniej narażone na zużycie i rzadziej wymagają ka- libracji. Wynika to z faktu, zmiany rezystan- cji uginającej się warstwy foliowej nie mają istotnego znaczenia dla precyzji wyznacza- nia punktu dotknięcia. Precyzja działania To, czy warto przeprowadzać kalibrację zależy też od oczekiwanej precyzji działania ekranu, a więc po części i od jego wielkości. Przykładowo, niewielki graficzny wyświe- tlacz LCD, przeznaczony do obsługi palcami wymaga zazwyczaj dokładności określenia pozycji dotknięcia na poziomie 10% całej długości lub szerokości ekranu. Tymcza- sem, użytkowany w normalnych warunkach w  trakcie całego swojego ?życia? nie powi- nien powodować błędów na poziomie 5%, co oznacza że w tej sytuacji kalibracja zupełnie nie będzie potrzebna. Jednakże w  wypadku 5-calowego wy- świetlacza LCD o  rozdzielczości 320×240 pikseli lub wyższej, a szczególnie w sytuacji, gdy jest on obsługiwany rysikiem, konieczne jest by użytkownik mógł poprawnie wskazać dowolny piksel. Oznacza to, że od panelu oczekuje się precyzji działania na poziomie 0,3%, którą trudno utrzymać bez przeprowa- dzania kalibracji. Jest to tym bardziej istotne w sytuacji, gdy do poruszania się po ekranie używane jest piórko, które przyczynia się do znacznie szybszego zużycia ekranu. Kalibracja z użyciem dwóch stałych Kalibracja tego typu przydatna jest szczególnie zaraz po wyprodukowaniu urzą- dzenia, gdyż służy uwzględnieniu ewentual- nych przesunięć pomiędzy pozycją ekranu dotykowego, a  wyświetlacza. Ponadto pro- wadzi do korekcji skalowania, co ma zna- czenie w  sytuacjach gdy wymiary ekranu i wyświetlacza różnią się między sobą. Jest ona skuteczna tylko wtedy, gdy zakłada się, że ekran jest równolegle ułożony względem boków wyświetlacza. Inaczej mówiąc ? że nie jest obrócony. Dodatkowe informacje: Artykuł opracowano na podstawie materiałów dostarczonych przez firmę Unisystem. Tabela 1. Rodzaje ekranów i  częstość, z  jaką wymagają okresowej rekalibracji Konieczność rekalibracji Rodzaj panelu dotykowego Wymaga okresowej rekalibracji, zależnej od stopnia zużycia Rezystancyjny 4-przewodowy, rezystancyjny 6-przewodowy, rezystancyjny 8-przewodowy Wymaga rzadkiej, okresowej kalibracji Pojemnościowy powierzchniowy Może wymagać rzadkiej okresowej kalibracji, w  zależności od stopnia zużycia Rezystancyjny 5-przewodowy Zazwyczaj nie wymaga okresowej rekalibracji SAW Nie wymaga okresowej rekalibracji Pojemnościowy (projected capacitive), siatka podczerwieni 65ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2011 Kalibracja ekranów dotykowych w praktyce Kalibrację tę przeprowadza się oblicza- jąc tzw. offset w pionie i w poziomie. Proce- dura jest prosta: na ekranie wyświetlane są kolejno cztery punkty, które musi dotknąć użytkownik rysikiem. Porównanie wartości współrzędnych odczytanych z ekranu doty- kowymi z zadanymi do wyświetlenia pozwa- la na określenie offsetu. Jednakże w tym celu wystarczy zastosować tylko dwa punkty, ale w  praktyce znacznie lepiej jest użyć czte- rech. Pozwala to bowiem osiągnąć większą precyzję kalibracji. Procedura z użyciem czterech punktów prowadzi do otrzymania nadokreślonego układu równań, który można rozwiązać pa- rami i wyciągnąć średnią z uzyskanych wy- ników. Para 1: Para 2: gdzie: YDn to współrzędna Y wyświetlacza dla punktu n XDn to współrzędna X wyświetlacza dla punktu n Yn to współrzędna Y panelu dla punktu n Xn to współrzędna X panelu dla punktu n ak , bk , ck , dk to parametry funkcji transformu- jącej obliczone dla pary równań k. Po przeprowadzeniu kalibracji, transfor- macji dokonuje się stosując funkcje: gdzie parametry: a, b, c, d mają wartości uśrednione dla obu par wymienionych wcześniej układów rów- nań. Punkty kalibracyjne na ekranie powin- ny zostać tak wyznaczone, by dosyć dobrze reprezentowały cały panel. Zaleca się, aby znajdowały się one dosyć blisko brzegów wyświetlacza, ale nie za blisko, być ekran dotykowy w tych obszarach może być mniej liniowy, co zmniejszy precyzję jego użyt- kowania w  środkowej części wyświetlacza. Dlatego dobrą praktyką jest umieszczenie punktów w  odległości równej 20% wymia- rów ekranu (rys. 1.). Kalibracja z użyciem trzech stałych W  celu zlikwidowania wpływu obrotu ekranu dotykowego względem wyświetlacza należy zastosować tzw. kalibrację z  trzema stałymi, tj. taką w  której za pomocą trzech niezależnych od siebie danych będziemy mogli określić trzy cechy opisujące położe- nie panelu. W tym celu należy zastosować równanie: Gdzie XT i YT to błędy w precyzji określenia współrzędnych X i Y, a pozostałe oznaczenia zgodne są z rysunkiem 2. Przy założeniu, że oraz używa- jąc wzorów znanych z trygonometrii: Co pozwala wyprowadzić dwa równania: Które można uprościć do postaci: Aby rozwiązać tak określony układ rów- nań potrzebne są trzy niezależne od siebie punkty, tj. takie, które nie leżą w jednej linii prostej. Warto je dobrać tak, by znajdowały się w  dużych odstępach od siebie, ale nie przy samej krawędzi ekranu. Po wskazaniu punktów, analogicznie jak w kalibracji z dwiema stałymi wyznaczamy macierz równań, z  tą różnicą, że tu liczba równań odpowiada dokładnie liczbie warto- ści szukanych: Rysunek 1. Sugerowany układ kalibracji z dwiema danymi, przy użyciu czterech punktów kalibracyjnych. Rysunek 2. Kalibracja z trzema danymi, która uwzględnia obrót ekranu względem wyświetlacza. Które rozwiązuje się poprzez: Gdzie M-1 to macierz odwrotna macierzy: Analogicznie, jak dla powyższych rów- nań dla osi X wyznacza się parametry dla osi Y. W  celu zwiększenia precyzji kalibracji warto zastosować pomiar z użyciem 5 punk- tów, gdzie cztery podstawowe punkty wybra- ne są tak samo jak w wypadku przedstawio- nej wcześniej kalibracji z  dwiema danymi, a piąty umieszczony jest np. w środku wy- świetlacza. Kalibrację tę wykonuje się ana- logicznie jak w poprzednim przypadku, z tą różnicą że macierz ma rozmiary 5x3: A  do wyznaczenia parametrów A, B, C należy użyć jej dopiero po przekształceniu dokonaniu przekształcenia: W przeciwnym wypadku niemożliwe by- łoby wykonanie mnożenia macierzy. Jedno- cześnie, uzyskane w ten sposób wyniki będą od razu uśrednione. Marcin Karbowniczek marcin.karbowniczek@ep.com.pl http://forum.ep.com.pl