Вече е токова естествено да почукваме и плъзгаме пръсти по-екрана на телефона, таблета, а вече и на лаптопа и дори на големите дисплеи. Но как става магията, за да реагират те на нашите докосвания с пръсти, писалка или друго въвеждащ предмет?
Някои все още помнят как едно време, за да направи нещо компютърът (побиращ се в голяма зала), трябваше да му се подават перфорирани карти или накратко перфокарти. Това са хартиени карти с дупки по тях, които са използвани доста преди създаването на компютрите – в текстилната промишленост още в далечната 1725 година. Но това е друга и дълга история. Днес на мода е сензорният екран или тъчскринът, който надделява над клавиатурите, мишките и дори разпознаването на гласови команди.
Но дали докато почукваме и плъзгаме пръстите си по екрана, имаме и най-малка представа как телефонът, таблетът, четецът и всяко друго устройство с тъчскрин ни разбира и ни отговаря?
Ще видим какво става под пръстите ни, но първо да си припомним как работи вездесъщата клавиатура.
Клавиатурата много прилича на миниатюрен компютър. Разполага със собствен процесор и схема, която носи информация към и от този процесор. Голямата част от нейната схема е матрица от превключватели. Матрицата от превключватели е решетка от електрически вериги под всеки клавиш.
Във всички клавиатури, всяка верига е прекъсната в точка под всеки клавиш. При натискане на клавиш той притиска превключвателя, затваря веригата и позволява протичането на слаб ток през нея. Механичното действие на ключа причинява известни вибрации, наречен отскок, които процесорът филтрира. Когато отпускате клавиша, малки еластични парчета гума под него гo връщат обратно към първоначалното положение, като прекъсват веригата. Ако натиснете и задържите клавиш, процесорът го разпознава като неколкократното му натискане.
Когато процесорът установи верига, която е затворена, той сравнява разположението на тази верига в матрицата от превключватели с картата от знаци в своята памет (ROM). Картата от знаци в основата си е таблица за сравнение. Тя съобщава на процесора позицията на всеки клавиш в матрицата и това, което всяко натискане на клавиша или комбинация от клавиши представя. Например, картата на знаците позволява на процесора да знае, че натискането на клавиш „а“ само по себе си отговаря на малка буква „а“, но едновременното натискане и на клавиша Shift съответства на главно „А“.
Компютърът може да използва отделни карти със знаци, които припокриват схемите в клавиатурата. Това може да е полезно, ако човек пише на език, който използва букви, които не разполагат с еквиваленти на клавиатура с английски букви. Хората също могат да определят дали компютрите да тълкува техните клавиши с едно или друго разпределение – например БДС или фонетична кирилица.
Сензорният екран трябва да постигне нещо подобно на това чрез повърхността си. Очевидно той не може да използват превключватели, мембрани и пластмаса, защото те ще закрият гледката на екрана отдолу. Така че се налага да използва по-хитри трикове, за да „усети“ вашето докосване по напълно невидим начин!
Как работи сензорният екран?
Има различни видове сензорни екрани, които работят по различни начини. Някои могат да „усещат“ само един пръст в даден момент и да се „почувстват“ изключително объркани, ако се опитате да натиснете на две места едновременно. Други могат лесно да откриват и разграничават повече от едно натискане наведнъж.
Основните технологии за изграждане на сензорни екрани са резистивната, капацитивната, инфрачервена, с повърхностни акустични вълни и др. Ще ги разгледаме в няколко последователни броя.
Резистивна технология
Резистивните сензорни екрани (в момента те са най-популярната технология) работят малко като „прозрачни клавиатури“, разположени върху горната част на екрана. Един гъвкав горен слой от проводима полиестерна пластмаса е поставен над твърд долен слой от проводимо стъкло, като двата слоя са отделени от изолационна прозрачна точкова мембрана (фиг. 1). Когато натиснете върху екрана, вие карате полиестерният слой да се докосне до стъкления и да затвори електрическа верига – точно както при натискане на клавиша на клавиатурата. А чипът на екрана разбира координатите на мястото, което сте докоснали.
За да са проводими, двата слоя са покрити с индиево-калаен оксид (ИКО). Напрежението се прилага по проводящите повърхности. Всеки тип докосване, включително на пръсти, ръкавици, кредитни карти, химикали и т.н., които могат да бъдат използвани, за да се приложи натиск срещу горния филм, ще активира екрана. Когато се извърши достатъчно силно докосване, което оказва необходимия натиск върху най-горния слой, филмът се огъва навътре и прави контакт с долния слой. Това води до спад на напрежението. Тази промяна в напрежението се отчита от контролер. От промяната на сигнала на напрежението между горния и долния слой се изчисляват Х и У координатите на докосването от потребителя.
Има конструкции, които вместо стъкло използват прозрачна пластмаса и за долния слой. Допълнително се използва още оптически прозрачно лепило, което залепва долния слой към подложка, обикновено направена от стъкло или поли материал.
Основните резистивни сензорни екрани биват 4-проводникови, 5- проводникови, 8- проводникови, както и някои други комбинации (например 7-проводникови), но както ще видим по-долу основният принцип на работа е описаният по-горе, и в него екранът играе ролята на съпротивление (резистор), стойността на което зависи от мястото на докосване (мястото на затваряне на веригата).
Фигура 1. Когато упражнявате натиск върху сензорния екран, вие събирате два проводими слоя заедно, така че се осъществява контакт подобно на класическата клавиатура.
4-проводников сензорен екран
На фиг 2 е показана схема на четирипроводников резистивен тъчскрин. Когато докосвате гъвкавия горен слой с писалка или пръст, можете намерите XY координатите на докосването върху панела на екрана. Натискът на писеца кара двата слоя от индиево-калаен оксид (ИКО) да се свържат. След като панелът е докоснат, се прилага захранване на един от двата ИКО слоя чрез проводниковите ленти от сребърно мастило в двата края на този слой. Когато се захрани единият ИКО слой, например горния (в зелено на схемата), можете да използвате другия ИКО слой (в светло синьо), за да откриете местоположението на писалката. След това можете да използвате аналогово-цифров преобразувател (АЦП) да конвертира напрежението, създадено от докосването в незахранения слой в цифрова стойност.
Фигура 2. При 4-проводниковия панел се използват двете активни зони на резистивния сензорен екран, за да се „усетят“ точките Х и У на натиска
Например, ако захраните X-слоя от X+ до X- (зеления на фиг. 2) с 2,5 волта и докоснете със стилус приблизително на половината път между двете проводими ленти или X-остта, то Y + и Y- изходите (в синьо) ще бъдат равни на 1,25 V. Това напрежение е пропорционално на приложеното напрежение по X+ и Х- в резултат на това, че панелът служи за резистивен делител на напрежение. Така се отчита X-позицията на докосването. Позицията Y се „усеща“, когато се приложи захранване на срещуположните електропроводими ленти на Y слоя. След това можете да използвате изводите X+ или Х-, за да се отчете позицията Y на докосването.
4-проводников сензорен екран
Предимства: евтин, широко достъпен, с малка консумация
Недостатъци: по-малко издръжлив, не особено точен, влияе е се от околната среда (тези недостатъци обаче са видими само при големи сензорни екрани).
Системата на сензорния екран
Сензорният екран работи в сътрудничество с контролер и процесор. Всъщност сензорният екран е резистивният сензор на тази система, откъдето идва и името на технологията.
Фигура 3. Резистивната система на сензорния екран
Топологията на контролера на сензорния екран включва драйвер за панела, мултиплексор и аналогово-цифров преобразовател (АЦП). Драйверът в контролера на сензорния екран захранва независимо двете координати на сензорния панел в режим ON (подадено захранване) или OFF (изключено захранване). Стойността на тока през сензорния панел е приблизително равен на захранващото напрежение, разделено на съпротивлението на сензорния панел. Аналогово-цифровият преобразувател (АЦП) вътре в контролера на сензорния екран измерва позицията на докосване и натиск чрез преобразуване на аналоговото напрежение от сензорния екран в цифров код. Обикновено топологията на АЦП представлява регистър с последователно приближение с резолюции от 8-, 10- или 12-бита.
Има два интерфейса в системата на сензорния екран (фиг. 3): аналогов интерфейс между панела и контролера на сензорен екран, както и цифров интерфейс между контролера на сензорен екран и процесора.
Контролерът на сензорния екран използва 4-проводников аналогов интерфейс към тъч панела за захранване на панела и измерване на координатите. По време на дадено измерване на X- или Y-координата контролерът на сензорен екран осигурява захранване чрез два от проводниците (X + и Х-) на аналоговия интерфейс към единия ИКО слой на панела и „усеща“ координатата на местоположението на докосване с помощта на другия ИКО слой чрез другите два проводника (Y + и Y-).
Дигиталната комуникация между процесора и контролера на сензорния екран включва сигнал за прекъсване и серийна цифрова шина. Процесорът може да пренебрегне контролера на сензорния екран и да се съсредоточи върху изпълнението на други задачи, ако няма събитие на докосване на панела. Веднага след като панелът е докоснат, прекъсване (фиг. 3) от контролера на сензорния екран информира процесора за събитието. Процесорът започва да чете данните за сензорния екран от контролера чрез серийната шина.
5-проводников сензорен екран
Фигура 4. При 5-проводниковия панел се използва захранване само на долния слой, а за да се „усетят“ точките Х и У на натиск, се използва сонда, измерваща напрежението в горния слой.
Подобно на технологията с 4 електрода, 5-проводниковият резистивен сензорен екран се състои от проводим стъклен долен слой и проводим гъвкав филм за горен слой. Основната разлика е в изграждането на 5-проводима конструкция, при която всички електроди са в долния слой, а най-горният слой действа като сонда за измерване на напрежение. За определяне на X координатата се подава напрежение по единия електрод Х в долния слой (срещуположният е земя).
Всеки тип сонда, включително пръсти, ръкавици, кредитни карти, химикали и т.н., могат да бъдат използвани за натиск върху гоения филм, което ще активира екрана. Съответно на сондата (петият електрод) ще се отчете напрежение, съответстващо на Х координатата на докосване.
За да се отчете Y координатата, напрежение се подава на единия електрод Y в долния слой (срещуположния е земя).
Когато натискът на докосване върху най-горния слой е достатъчен, филмът ще се огъне навътре и ще направи контакт с долния слой. Това води до спад на напрежението. Тази промяна в напрежението се отчита от контролера. Чрез изчисляване на процента на намалението на напрежението във всеки ъгъл, контролерът може да изчисли местоположението на докосването. Защото горният проводящ филм действа само като проба, неговата физическа консистентност във времето е от по-малко решаващо значение, отколкото в 4- или 8-проводниковите конструкции, което позволява значително по-голям брой задействания, т.е. около 35 милиона натискания.
5-проводников сензорен екран
Предимства: много издръжлив, точен и надежден
Недостатъци: технологията изисква сложна електроника и е скъпа, но може да се използва за екрани до 22 инча.
Други резистивни конструкции
8-проводниковият сензорен екран е просто разновидност на 4-проводниковия, но са добавени още 4 проводника, по два за всеки слой. Наличието на повече чувствителни точки спомага за намаляване на въздействието на околната среда, за да се повиши стабилността на системата.
6-проводиковите и 7-проводниковите резистивни сензорни екрани също са варианти на технологията с 5 и 4 проводника. В 6-проводниковия резистивен сензорен екран е добавен допълнителен заземен слой зад стъкления панел, чиято цел е да подобри производителността на системата. Вариантът със седем проводника има две сензорни линии върху долния панел. Съществува и 16-проводникова конструкция, както и някои други варианти.