Obsługa rezystancyjnych paneli dotykowych w systemach mikroprocesorowych

57ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 Obsługa rezystancyjnych paneli dotykowych w systemach mikroprocesorowych Generalnie, pomijając dość egzotyczne rozwiązania, panele dotykowe wykonane są jako panele rezystancyjne lub pojemno- ściowe, co determinuje sposób ich obsługi. W tym artykule opiszę najprostszy a zarazem najtańszy, 4-przewodowy panel rezystancyj- ny. Dla porządku należy wspomnieć, iż na- wet panele rezystancyjne produkowane są w kilku wykonaniach, różniących się sposo- bem ich obsługi, gdyż można spotkać panele rezystancyjne 5-, 6-, 7- oraz 8-przewodowe, które różnią się przede wszystkim możliwą do osiągnięcia rozdzielczością odczytu. Wybór 4-przewodowego panelu rezystan- cyjnego podyktowany był łatwością obsługi, dostępnością, a także ceną. Oczywiście, ist- nieją gotowe układy scalonych kontrolerów paneli dotykowych (choćby w ofercie firmy Texas Instruments), lecz rezystancyjny panel dotykowy może być obsłużony za pomocą pierwszego, lepszego mikrokontrolera wypo- sażonego w przetwornik A/C. W dużym uproszczeniu, panel dotykowy zbudowany jest z  dwóch, przeźroczystych folii rezystancyjnych (jako medium rezystan- cyjne używany jest tlenek cynkowo-indowy) umieszczonych jedna nad drugą, przedzie- lonych odpowiednio przygotowanym die- lektrykiem i naklejonych na płytce szklanej niewielkiej grubości, którą to najczęściej umieszcza się na wyświetlaczu LCD. Każda Obsługa rezystancyjnych paneli dotykowych w systemach mikroprocesorowych Panele dotykowe to przyszłość. Dziś, chyba już nikt nie ma wątpliwości, co do słuszności tego stwierdzenia, wszak stawiają one na zupełnie nowej płaszczyźnie interakcję urządzenia z  użytkownikiem. W  tej chwili trudno już sobie wyobrazić nowoczesny system nawigacji satelitarnej, współczesny telefon komórkowy czy też mały, przenośny komputer bez tego cennego wynalazku, a  skoro taki jest kierunek rozwoju współczesnej elektroniki użytkowej, czemu nie skorzystać z  możliwości, jakie daje nam ten prosty a  zarazem genialny element, tym bardziej, iż jest on w  zasięgu możliwości finansowych i  technicznych także elektroników amatorów. z  tych folii ma umieszczone na brzegach elektrody, przy czym na jednej z folii umiesz- czone są one wzdłuż osi X, a  na drugiej wzdłuż osi Y. Wspomniany dielektryk wyko- nany jest w taki sposób, aby po miejscowym przyciśnięciu panelu nastąpiło elektryczne połączenie warstw obu folii w miejscu naci- sku. W ten sposób powstaje prosty dzielnik rezystancyjny, który odpowiednio spolaryzo- wany pozwala na odczyt położenia miejsca styku. Poglądowy rysunek budowy panelu rezystancyjnego wraz ze schematem funk- cjonalnym przedstawiono na rysunku rys. 1. Modelem panelu rezystancyjnego może być układ dwóch potencjometrów, których ślizgacze połączone są ze sobą w  miejscu odpowiadającym zwarciu płaszczyzn (miej- scu temu odpowiadają położenia ślizgaczy), z  uwzględnieniem niewielkiej rezystancji styku RT . Z analizy tego schematu ideowego nasuwa się prosta metoda na wyznaczenie szukanych parametrów położenia polegająca na pomiarze spadków napięć na powstałym dzielniku rezystancyjnym, oddzielnie dla osi X i Y. Jest to równoważne położeniu miejsca styku obu folii. Wystarczy jedną z osi spola- ryzować napięciem stałym i na jednym z za- cisków drugiej osi odczytać zmierzony spa- dek napięcia, a  następnie dokonać takiego samego pomiaru w sytuacji odwrotnej. W  tym przykładzie, do polaryzacji obu osi (warstw folii rezystancyjnej) użyjemy portów GPIO, ustawiając na nich przeciw- ne stany logiczne, zaś do odczytu poziomu napięcia, wbudowanego w  mikrokontroler Atmega32 10-bitowego przetwornika analo- gowo-cyfrowego pracującego w  trybie poje- dynczego pomiaru. Pomiar dokonywany jest dla każdej z  osi naprzemiennie z  użyciem alternatywnych funkcji portu PORTA mi- Rys. 1. Poglądowy rysunek budowy panelu rezystancyjnego, widok złącza oraz schemat funkcjonalny Notatnik konstruktora 58 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 Notatnik konstruktora krokontrolera. W przypadku tego typu pola- ryzacji należy pamiętać o tym, aby nie prze- kroczyć maksymalnego prądu poszczegól- nych wyprowadzeń portu, a  także mieć na uwadze zalecenie producenta, by w  czasie konwersji pomiaru realizowanej przez prze- twornik ADC nie dokonywać zmiany stanów portu PORTA. Oczywiście przetwornik ADC przed pierwszym użyciem musi zostać skon- figurowany i włączony, co sprowadza się do ustawienia odpowiednich rejestrów konfigu- racyjnych. Ta najprostsza metoda jest wystarczająca jeśli planowana, programowa rozdzielczość naszego panelu ma być niewielka (tzn. prze- widziano niewielką liczbę aktywnych pól o sporych rozmiarach) lecz zwykle zawodzi, gdy chcemy wykorzystać pełną rozdziel- czość wyświetlacza LCD jaki ma być obsługi- wany przez nasz panel. Niekorzystnym zja- wiskiem, które komplikuje obsługę panelu są zakłócenia komutacji charakterystyczne dla obsługi przycisków w systemach mikropro- cesorowych. Dodatkowym problemem jaki może się pojawić jest dopuszczalna wielkość elementu, za pomocą którego chcemy obsłu- giwać taki panel, która to determinuje za- równo maksymalną, możliwą do osiągnięcia rozdzielczość panelu jak i kształt programu obsługi (jego złożoność). Na rysunku rys. 2 przedstawiono przebiegi stanów przejścio- wych przy obsłudze panelu za pomocą de- dykowanego rysika jak i  palca ? wykonano pomiary dla przypadku właściwej i niewła- ściwej siły nacisku na powierzchnię panelu. Należy także pamiętać, iż pole panelu obsługi jest z reguły większe aniżeli aktyw- ny obszar wyświetlacza LCD, stąd skrajnym położeniom obrazu nie odpowiadają skrajne (0 i  max) wartości spadków napięć, co na- leży uwzględnić w  procedurze skalowania. Procedura ta powinna ponadto uwzględniać odpowiedni margines bezpieczeństwa po- między poszczególnymi polami odwzorowu- jącymi położenia wirtualnych przycisków, tak by nie dochodziło do niepotrzebnych de- tekcji naciśnięcia elementów znajdujących się w  pobliżu miejsca styku. Przykładowy wygląd panelu dotykowego z podziałem na aktywne, programowe pola pokazano na ry- sunku rys. 3 (zaznaczono bezwzględne war- tości otrzymane z przetwornika A/C). Jednym ze sposobów zabezpieczenia się przed problemami zakłóceń komutacji jest ustalenie jakiegoś minimalnego progu, który informuje o tym, że panel został naciśnięty, a  następnie wykonanie serii pomiarów dla każdej z osi, odrzucenie pomiarów skrajnych i obliczenie średniej wartości z pozostałych pomiarów. Procedura ta jest dość dobra, lecz nie zawsze okazuje się wystarczająca, gdyż nadal istnieje ryzyko błędnych odczytów. Doświadczenie zebrane na etapie wielu prób z  panelami dotykowymi użytymi w  kilku aplikacjach układowych pokazało, iż najlep- Rys. 2. Przykładowe przebiegi stanów przejściowych przy obsłudze panelu dotykowego Rys. 3. Przykładowy wygląd panelu dotykowego z podziałem na aktywne pola programowe (zaznaczono bezwzględne wartości otrzymane z przetwornika A/C) Rys. 4. Konfiguracja pomiarowa panelu dotykowego dla każdego z czterech kroków pomiarowych 59ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 Obsługa rezystancyjnych paneli dotykowych w systemach mikroprocesorowych Rys. 5. kompletny graf optymalnej procedury pomiarowej szą i  niewymagającą żmudnych procesów z  zakresu DSP jest procedura z  udziałem dwóch, dodatkowych kroków pomiarowych pozwalających na pomiar względnej rezy- stancji styku RT (tak naprawdę wzór na rezy- stancję styku jest bardziej złożony, lecz na- szej procedurze wystarczy stosunek Z2/Z1) jak i odpowiedni schemat działania w celu wyeliminowania zakłóceń. W  procedurze tej stosuje się dwa, dodatkowe układy po- laryzacyjne służące pomiarowi umownych wartości Z2 i Z1, służących do wyznaczenia względnej rezystancji styku jako wskaźnika jakościowego (progu) zdarzenia naciśnięcia panelu. Na rysunku rys.  4 pokazano konfi- gurację pomiarowa panelu dotykowego dla każdego z 4 kroków pomiarowych ze sche- matycznym zestawieniem stanu portów uży- wanego mikrokontrolera (w tym przypadku Atmega32) wykorzystywanego zarówno do polaryzacji osi jak i do odczytu spadków na- pięcia. Natomiast na rysunku rys.  5 przed- stawiono kompletny graf procedury pomia- rowej. Poza pomiarem rezystancji styku RT sta- nowiącej próg informujący o  przyciśnięciu panelu dotykowego (RTMAX ), dla każdej z osi dokonywanych jest pięć pomiarów wartości spadku napięcia (pomiar odniesienia i czte- ry kolejne pomiary porównawcze), których odchyłka determinuje ustawienie wskaźnika odczytu panelu ? Ready (wskaźnik używany jest jako ?aga gotowości dla programu głów- nego aplikacji). Przyjęto rozwiązanie, iż jeśli którykolwiek z  pomiarów porównawczych różni się od pomiaru odniesienia (XODN i YODN ) więcej aniżeli przyjęte maksimum (XLIMIT i YLIMIT ) to wskaźnik gotowości (Ready) jest zerowany, a procedura pomiarowa rozpoczy- na się od nowa. To rozwiązanie, choć z pew- nością nie najszybsze, dało najlepsze rezulta- ty, w praktyce minimalizując ryzyko błędów odczytu i pozwalając wykorzystać pełną roz- dzielczość wyświetlacza LCD współpracują- cego z panelem. Na koniec, jeśli cały proces pomiarowy zakończył się sukcesem, otrzy- mane wartości spadków napięcia dla obu osi należy przeliczyć na współrzędne dla ekranu LCD mając na uwadze założoną roz- dzielczość a co za tym idzie, liczbę aktyw- nych pól (np. zgodnie z rysunkiem rys. 2). Czasami warto jest także zbocznikować obie osie panelu niewielkimi kondensatorami ce- ramicznymi w  celu zmniejszenia zakłóceń komutacji, lecz krok ten należy przewidzieć jako ostateczny, w  pierwszej kolejności do- bierając wartości RTMAX , XLIMIT i YLIMIT . W tym krótkim artykule opisałem własne doświadczenia wynikające z zastosowań pa- neli dotykowych. Jednocześnie zdaję sobie sprawę, że nie da się w ten sposób wyczer- pać obszernego tematu obsługi paneli doty- kowych. Mam jednak nadzieję, że artykuł po- zwoli wielu osobom rozpocząć samodzielne stosowanie paneli. Zbudowany w ten sposób interfejs użytkownika jest elastyczny, no- woczesny i  estetyczny, jednocześnie otwie- ra drogę wyobraźni i  daje sporo satysfakcji z  wykonanego urządzenia, ponieważ do- tychczas jedynie duże i  zasobne finansowo koncerny mogły pochwalić się urządzeniami z zaimplementowaną, sprawną obsługą tego typu interfejsu użytkownika. Robert Wołgajew, EP robert.wolgajew@ep.com.pl Literatura: http://www.ti.com/ http://mcselec.com/ R E K L A M A