Świat dotyku: półprzewodnikowy sposób na touch panele

52 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2011 WYBÓR KONSTRUKTORA Spośród wielu sposobów odczytu po- zycji palca lub innego wskaźnika przyło- żonego do wyświetlacza (pojemnościowe, mikrofalowe, wykorzystujące podczerwień lub falę powierzchniową) największą obec- nie popularnością cieszą się metody pole- gające na pomiarze rezystancji w punkcie przyłożenia przeźroczystych nakładek na ekrany (touch paneli). Współczesne touch panele rezystancyjne są dostępne w  wie- lu konfiguracjach, różniących się między sobą przede wszystkim liczbą przewodów wyprowadzonych z powierzchni rezystan- Świat dotyku: półprzewodnikowy sposób na touch panele Dodatkowe materiały na CD i FTP cyjnych. W wyświetlaczach o niewielkich wymiarach (do 8?10 cali) są zazwyczaj stosowane touch-panele 4-przewodowe, których budowę pokazano na rysunku  1. W tabeli 1 zestawiono najważniejsze cechy touch-paneli o różnej liczbie przewodów. Touch-panel jest naklejany lub nakła- dany na wyświetlacz LCD i jest zbudowany z dwóch rozdzielonych warstw folii z na- łożoną na całej powierzchni warstwą rezy- stancyjną. W chwili naciśnięcia zewnętrz- nej folii za pomocą palca lub specjalnego piórka folie stykają się ze sobą, tworząc Rezystancyjne touch panele naklejane na powierzchnię wyświetlaczy przestały onieśmielać konstruktorów urządzeń elektronicznych, tworząc wygodną alternatywę dla klasycznych klawiatur stykowych, potencjometrów, nastawników i  przełączników obrotowych. Dostępność coraz tańszych wyświetlaczy wyposażonych w  ekrany dotykowe rodzi także problemy, z  którymi można sobie wygodnie poradzić stosując nowoczesne, wyspecjalizowane układy scalone. dwa dzielniki napięcia referencyjnego, zwarte ze sobą poprzez rezystancję styku folii (spora liczba scalonych kontrolerów umożliwia pomiar rezystancji styku, czyli siły naciśnięcia na powierzchnię). Typowe wartości rezystancji liniowo widzianych rezystorów dzielnikowych wynoszą od 180 do ok. 920 V, a trwałość mechaniczna touch-paneli jest zazwyczaj nie mniejsza niż 1 mln uderzeń piórka, a są producenci obiecujący trwałość do nawet 35 mln ude- rzeń. Podczas dobierania touch panelu do projektowanego urządzenia warto wziąć pod uwagę (i  wliczyć ? co oczywiste ? w jego koszt) gwarantowaną przez produ- centa liniowość rozkładu rezystancji na powierzchni folii oraz stabilność termicz- ną masy rezystancyjnej, które to cechy Dodatkowe materiały na CD i  FTP: ftp://ep.com.pl, user: 17855, pass: 4s406qj2 WYBÓR KONSTRUKTORA 53ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2011 Świat dotyku: półprzewodnikowy sposób na touch-panele R E K L A M A Tab. 1. Zestawienie podstawowych cech touch-paneli o  różnej liczbie przewodów (za www.microchip.com) Cecha 4-przewodowe 5-przewodowe 8-przewodowe Liniowość Bardzo dobra Słaba Bardzo dobra Moc zasilania Mała Średnia Mała Stabilność termiczna Słaba Słaba Możliwa autokompen- sacja Trwałość Średnia Duża Średnia Cena Niska Średnia Średnia Liczba dostawców Wielu Wielu Bardzo niewielu Rys. 1. Budowa typowego touch panelu 4-przewodowego mają fundamentalne znaczenie dla komfor- tu pisania oprogramowania dla urządzenia i jego późniejszej eksploatacji. Obsługa 4-przewodowych touch-pane- li nie jest skomplikowana, polega bowiem na pomiarze napięć na przemiennie zasila- nych rezystorach w osiach X i Y, do czego w  zupełności wystarczy układ pokazany na rysunku 2. Napięcia można mierzyć za Modu?y LCD Touch panele ? alfanumeryczne ? graficzne (TFT, TN, STN, FSTN) ? panele LCD na zamówienie (wg w?asnego projektu) ? analogowe ? cyfrowe Rodzaje pod?wietle?: LED, EL, CCFL 01-013 Warszawa, ul. Kacza 6A tel. (022) 862 75 00, fax (022) 862 75 01 e-mail: info@gamma.pl www.gamma.pl WY?WIETLACZE LCD 54 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2011 WYBÓR KONSTRUKTORA Rys. 4. Schemat blokowy układu AD7843 firmy Analog Devices pomocą przetwornika wbudowanego w mi- krokontroler obsługujący touch-panel lub zastosować wyspecjalizowany, wielokana- łowy przetwornik A/C o dużej rozdzielczo- ści (do 12 bitów), który zajmie się nie tyl- ko odpowiednim sterowaniem rezystorów i  odczytem wyników pomiarów, ale może także wykrywać puknięcia piórka w ekran, obliczać współrzędne naciśniętego punktu, kompensować wpływ zmian temperatury otoczenia na wyniki odczytów, wspoma- gać procedury kalibrowania touch-panelu z  matrycę LCD, a  także sterować elektro- magnetycznym lub piezoelektrycznym wibratorem, który realizuje funkcję me- chanicznego sprzężenia zwrotnego dla ręki użytkownika (tzw. haptic driver). Ponieważ zastosowanie wyspecjali- zowanych przetworników obsługujących touch-panele (kontrolerów) jest rozwiąza- niem zdecydowanie najprostszym i  naj- mniej pracochłonnym, w  dalszej części artykułu przedstawiamy przegląd wybra- Rys. 2. Jeden z najprostszych systemów zasilania 4-przewodowego touch-panelu w konfiguracji pomiarowej Rys. 3. Schemat blokowy systemu obsługującego touch-panel w konfiguracji z zastosowaniem wyspecjalizowanego kontrolera nych typów takich układów. Na rysunku 3 pokazano schemat kompletnego systemu obsługującego touch-panel w  konfiguracji z zastosowaniem wyspecjalizowanego kon- trolera. Przegląd wybranych typów kontrolerów touch-paneli Podstawową i  najczęściej spotykaną na rynku grupą scalonych kontrolerów touch-paneli są wielokanałowe przetwor- niki A/C, wyposażone w specyficzne ob- wody wejściowe dostosowane (poprzez użycie źródeł prądowych lub włącza- nych rezystorów) do zasilania rezysto- rów pomiarowych współpracującego to- uch-panelu, jak pokazano na rysunku  4 (AD7843 produkowany przez Analog Devices). Układy tego typu ? ze względu na prostotę budowy ? są często nazywane digitizerami, ich dodatkowym wyposaże- niem jest tylko detektor dotknięcia ekra- nu. Układy tego typu produkuje wielu producentów (m.in. Maxim ? MXB7843, TI ? ADS7843 itp.), podobnie dużą po- pularnością cieszą się nieco bardziej za- awansowane wersje tych układów wypo- sażone w wewnętrzne precyzyjne źródła napięć odniesienia, czujniki temperatury otoczenia czy system pomiaru napięcia zasilającego ? jak na przykład AD7873 55ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2011 Świat dotyku: półprzewodnikowy sposób na touch-panele (rysunek  5) i  układy do niego funkcjo- nalnie podobne (AK4182, ADS7846, TSC2000, MXB7846). Podobne do przedstawionych ? pod względem budowy blokowej ? ukła- dy TSC2003, TSC2004?6, TSC2008, TSC2014, TSC2017, TSC2046, AK4183 (mało u  nas znanej firmy Asahi Kasei), MAX11800?803 ? wyposażono z  kolei w  system pomiaru siły nacisku na touch- panel, co jest szczególnie przydatne w bar- dziej zaawansowanych urządzeniach. Kolejną podgrupą funkcjonalną wśród dostępnych na rynku kontrolerów touch- paneli są układy, w  których zintegrowano dodatkowo ekspandery portów GPIO, jak np. STMPE610 (rysunek 6), STMPE811 czy R E K L A M A 1Elektronik Grudzień 2010 Rys. 5. Schemat blokowy układu AD7873 firmy Analog Devices 56 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2011 WYBÓR KONSTRUKTORA Tab. 2. Zestawienie podstawowych cech funkcjonalnych wybranych scalonych kontrolerów touch-paneli Typ Produ- cent 4-/5- /8-w SPI/I2C/ UART Rozdziel- czość A/C [b/kHz] PWM C/A GPIO Ob- sługa gestur Detek- tor do- tknię- cia TP Kon- troler klawia- tury Czujnik tempe- ratury Pomiar na- pięcia baterii Ste- rownik haptic Kom- pletne tory audio Pomiar siły nacisku na TP AD7843 Analog Devices +/-/- +/-/- 12/125 - - - - + - - - - - - AD7873 Analog Devices +/-/- +/-/- 12/125 - - - - + - + + - - + AD7877 Analog Devices +/-/- +/-/- 12/125 - + + - + - + + - - + AD7879 Analog Devices +/-/- +/+/- 12/105 - - + - + - + + - - + AD7889 Analog Devices +/-/- +/+/- 12/105 - - + - + - + + - - + ADS7843 TI +/-/- +/-/- 12/125 - - - - + - - - - - - ADS7845 TI -/+/- +/-/- 12/125 - - - - + - - + - - - ADS7846 TI +/-/- +/-/- 12/125 - - - - + - + + - - - AK4181 Akashi Kasei (AKM) +/-/- +/-/- 12/125 - - - - + - + + - - + AK4182 Akashi Kasei (AKM) +/-/- +/-/- 12/125 - - - - + - + + - - + AK4183 Akashi Kasei (AKM) +/-/- -/+/- 12/125 - - - - - - - - - - + AK4184 Akashi Kasei (AKM) +/-/- +/-/- 12/125 + - + (8) - + + (6x5) - - - - + AK4185 Akashi Kasei (AKM) +/+/- +/-/- 12/300 - - - - + - + - - - + AK4186 Akashi Kasei (AKM) +/+/- -/+/- 12/22,2 - - - - + - - - - - - AK4187 Akashi Kasei (AKM) +/-/- -/+/- 12/22,2 - - - + + - - - - - + AK4650 Akashi Kasei (AKM) +/-/- +/-/- 12/105 - - - - + - - - - + + AK4673 Akashi Kasei (AKM) +/-/- -/+/- 12/105 - - - - + - - - - + + AR1010 Micro- chip +/+/+ -/-/+ 10/b.d. - - - - - - - - - - - AR1020 Micro- chip +/+/+ +/+/- 10/b.d. - - - - - - - - - - - LM8300 National Semi- conduc- tor +/-/- -/-/+ 10/b.d. - - - - - - - - - - - LM8500 National Semi- conduc- tor +/-/- -/-/+ 10/b.d. - - - - - - - - - - MAX11800 Maxim +/-/- +/-/- 12/34,4 - - - - - - - - - - + MAX11801 Maxim +/-/- -/+/- 12/34,4 - - - - - - - - - - + MAX11802 Maxim +/-/- +/-/- 12/34,4 - - - - - - - - - - + MAX11803 Maxim +/-/- -/+/- 12/34,4 - - - - - - - - - - + MAX11811 Maxim +/-/- -/+/- 12/b.d. - - - - - - - - + - MAX1233 Maxim +/-/- +/-/- 12/50 - + + - + + (4x4) + + - - + MAX1234 Maxim +/-/- +/-/- 12/50 - + + - + + (4x4) + + - - + MXB7843 Maxim +/-/- +/-/- 12/125 - - - - + - - - - - - MXB7846 Maxim +/-/- +/-/- 12/125 - - - - + - + + - - + STM32TS60 ST Matry- cowe TP +/+/+/ USB 12/0,125 - - - + + - - - - - + 57ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2011 Świat dotyku: półprzewodnikowy sposób na touch-panele R E K L A M A Tab. 2. cd. Typ Produ- cent 4-/5- /8-w SPI/I2C/ UART Rozdziel- czość A/C [b/kHz] PWM C/A GPIO Ob- sługa gestur Detek- tor do- tknię- cia TP Kon- troler klawia- tury Czujnik tempe- ratury Pomiar na- pięcia baterii Ste- rownik haptic Kom- pletne tory audio Pomiar siły nacisku na TP STMPE610 ST +/-/- +/+/- 12/b.d. - - + - - - - - - - + STMPE811 ST +/-/- +/+/- 12/b.d. - - + - - - - - - - + STMPE812 ST +/-/- -/+/- 12/b.d. + - + - + - - + - - + TSC2000 TI +/-/- +/-/- 12/125 - - - - + - + + - - + TSC2003 TI +/-/- -/+/- 12/125 - - - - + - + + - - + TSC2004 TI +/-/- -/+/- 12/8,2 - - - - + - + - - - + TSC2005 TI +/-/- -/+/- 12/8,2 - - - - + - + - - - + TSC2006 TI +/-/- +/-/- 12/8,2 - - - - + - + - - - + TSC2008 TI +/-/- +/-/- 12/8,2 - - - - + - + - - - + TSC2014 TI +/-/- -/+/- 12/8,2 - - - - + - + - - - + TSC2017 TI +/-/- -/+/- 12/8,2 - - - - + - + - - - + TSC2020 TI +/-/- -/+/- 12/100 b.d. b.d. b.d. b.d. + b.d. + + - - + TSC2046 TI +/-/- +/-/- 12/125 - - - - + - + + - - + R E K L A M A Konfiguracje touch-paneli Touch-panel 4-przewodowy Touch-panel 5-przewodowy Touch-panel 8-przewodowy podobny konstrukcyjnie STMPE812, który dodatkowo wyposażono w konfigurowany generator PWM. Opracowany przez firmę Asahi Kasei układ AK4184 (rysunek 7) oprócz standardowych linii GPIO wyposażono w kompletny kontroler klawiatury matrycowej o orga- nizacji 5×6 (obsługuje łącznie do 30 przycisków). Spotykane są tak- że kontrolery wyposażone w przetworniki C/A z wyjściami napięcio- wymi, za pomocą których można regulować kontrast LCD lub uży- wać ich do innych celów. Przykładem kontrolerów wyposażonych w wewnętrzne przetworniki C/A są opracowane przez firmę Maxim układy MAX1233 i MX1234 (rysunek 8) czy AD7877, wyposażony dodatkowo w  sekwencer automatyzujący wykonywane pomiary w trybie autonomicznym. 58 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2011 WYBÓR KONSTRUKTORA Ze względu na dużą popularność to- uch-paneli 4-przewodowych większość scalonych kontrolerów jest przystosowa- na do obsługi wyłącznie takich konfigura- cji. Są jednak wyjątki ? na przykład układ ADS7845 ma tor wejściowy przystosowany do obsługi touch-paneli 5-przewodowych, układy AK4185, AK4186 są przystosowa- ne do obsługi paneli 4- i 5-przewodowych, a najbardziej uniwersalne układy AR1010 i AR1020 są przystosowane do współpracy z touch-panelami 4-/5- i 8-przewodowymi. W ofercie firmy Maxim pojawiły się z ko- lei układy obsługujące wraz z touch-panelem coraz bardziej popularne siłowniki (elektro- magnetyczne lub piezoelektryczne) wytwa- rzające drgania mechaniczne spełniające rolę sprzężenia zwrotnego dla użytkownika, któ- ry może poczuć ręką reakcję obsługiwanego urządzenia. Mechanizm ten jest określany mianem haptic driver, wyposażono w niego układy MAX11811 (i  MAX11810, które pro- ducent szybko wycofał ze swojej oferty). Skrajnym pod względem wyposażenia przykładem kontrolera touch-panelu są układy AK4650 i  AK4673, w  których sam Rys. 7. Kontroler touch-panelu AK4184firmy Asahi Kasei wyposażono m.in. w autonomiczny moduł obsługi 30-przyciskowej klawiatury matrycowej Rys. 6. Schemat blokowy układu STMPE610 firmy STMicroelectronics 59ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2011 Świat dotyku: półprzewodnikowy sposób na touch-panele Rys. 9. Uproszczony schemat aplikacyjny kontrolera STM32TS60 Rys. 8. Układy MAX1233 i MAX1234 wyposażono m.in. w wewnętrzne przetworniki C/A jeden z  tych dwóch interfejsów. Jedynie układy LM8300, LM8500 i AR1010 wyposa- żono w asynchroniczne interfejsy szeregowe UART, który wraz z  dodatkowym USB jest dostępny także w specyficznym kontrolerze touch-paneli segmentowych STM32TS60 (rysunek 9). Podsumowanie Przedstawione w  artykule układy ilu- strują podstawowe możliwości scalonych kontrolerów touch-paneli dostępnych na rynku. Szeroki zasób oferowanych przez nie możliwości wyczerpuje w  znacznym stopniu wymogi stawiane tego typu ukła- dom, w  coraz większym stopniu uprasz- czając pracę programistom i  konstruk- torom. Warto zwrócić uwagę na fakt, że coraz większa liczba mikroprocesorów do- stępnych na rynku jest wyposażana przez producentów w  wewnętrzne kontrolery touch-paneli, których możliwości w  wie- lu przypadkach przewyższają oferowane przez rozwiązania standardowe. Musimy jeszcze poczekać na obniżenie cen wy- świetlaczy TFT wyposażonych w  TP do ?chińskich? poziomów, co umożliwi tak powszechne ich stosowanie jak wyświetla- czy alfanumerycznych. Andrzej Gawryluk, EP Układy prezentowane w  artykule ko- munikują się z  otoczeniem zazwyczaj za pomocą synchronicznych interfejsów szere- gowych SPI lub I2 C, w niektórych przypad- kach użytkownik może samodzielnie wybrać kontroler jest niewielką ?przystawką? do kompletnego systemu cyfrowego audio, co pozwala traktować te układy jako komplek- sowe ?chipsety? znane dobrze z  kompute- rów PC.