Implémenter rapidement des écrans tactiles fiables

Un écran tactile est de plus en plus préféré à un clavier et une souris en tant qu'interface homme-machine (IHM) pour la programmation, la configuration et le contrôle des systèmes grand public, industriels et d'entreprise. Les écrans tactiles sont intuitifs, rapides et disposent d'une seule interface intégrée qui remplace une combinaison de périphériques d'entrée. Ils sont également pratiques pour les personnes souffrant de problèmes physiques et peuvent être très compacts.

La grande variété d'applications pour les écrans tactiles implique qu'ils doivent être robustes, économiques et utilisables avec un doigt nu ou ganté. Les écrans tactiles résistifs répondent à ces exigences, mais les concepteurs doivent pouvoir commercialiser rapidement des solutions prêtes à l'emploi comprenant un écran tactile associé à un contrôleur approprié. Ils doivent également connaître les différences entre les interfaces d'écrans tactiles résistifs à 4 et 5 fils.

Cet article décrit brièvement les écrans tactiles résistifs. Il présente ensuite des exemples d'écrans tactiles et de contrôleurs de NKK Switches et montre comment les utiliser dans les conceptions.

Fonctionnement des écrans tactiles résistifs

Les écrans tactiles résistifs sont des composants autonomes qui se superposent à un écran plat. En conjonction avec un contrôleur, un écran tactile permet aux utilisateurs d'interagir avec les symboles affichés en touchant des zones spécifiques. Un écran tactile peut détecter la position précise d'un doigt ou d'un stylet. Le logiciel d'application détermine ensuite quelles autres actions d'écran doivent se produire en fonction de cette position.

Les écrans tactiles résistifs conviennent à diverses applications grand public, de vente au détail, d'entreprise, industrielles et médicales, car ils sont économiques, robustes et peuvent être utilisés avec un doigt nu, une main gantée ou un stylet. La technologie utilise un film plastique déformable recouvert au dos d'une couche conductrice telle que l'oxyde d'étain et d'indium (ITO). Le dos de l'écran tactile est constitué d'un panneau de verre ou d'acrylique, la face avant étant recouverte d'une couche d'ITO.

Des points d'espacement non conducteurs séparent le film plastique du panneau de support en verre ou en acrylique. Lorsqu'une pression est exercée sur le film plastique avec un doigt ou un stylet avec une force de 1 ou 2 newtons (N), le film entre en contact avec le panneau de support, fermant ainsi efficacement un interrupteur dans la zone de pression locale. La carte contrôleur, à laquelle est raccordé un connecteur à quatre ou cinq fils, peut déterminer l'emplacement de l'interrupteur fermé, et le logiciel réagit en conséquence (Figure 1).

Figure 1 : Les écrans tactiles résistifs fonctionnent en utilisant le toucher pour presser deux surfaces conductrices l'une contre l'autre. (Source de l'image : NKK Switches)

Les écrans tactiles résistifs sont populaires lorsque le coût, la robustesse et le fonctionnement avec une main gantée ou un stylet non conducteur sont des critères essentiels. Ils sont généralement capables d'effectuer des millions, voire des dizaines de millions d'opérations sans défaillance. Les écrans tactiles résistifs peuvent également être fabriqués avec une protection contre les projections d'eau et de produits chimiques.

La différence entre les configurations d'écrans tactiles à 4 et 5 fils

Un écran tactile à 4 fils utilise deux électrodes sur la plaque inférieure et deux sur la plaque supérieure. Sur la plaque inférieure, les électrodes s'étendent le long de l'axe Y, permettant de mesurer la résistance le long de l'axe X. De même, la plaque supérieure comporte des électrodes sur le bord qui s'étendent le long de l'axe X, permettant de mesurer la résistance le long de l'axe Y (Figure 2).

Figure 2 : Les écrans tactiles résistifs à 4 fils utilisent deux électrodes sur les bords de la plaque inférieure et deux sur la plaque supérieure. Les paires sont perpendiculaires les unes aux autres et permettent de déterminer la position XY d'un point de contact. (Source de l'image : NKK Switches)

Au point de contact du doigt, la couche inférieure divise efficacement la couche supérieure en deux résistances en série. La couche inférieure est divisée de la même manière au point de contact avec la couche supérieure. Avec une polarisation appropriée, chaque plaque peut fonctionner comme un diviseur où la tension de sortie représente les coordonnées du point de contact.

Dans un système à 5 fils, la plaque supérieure comporte quatre électrodes sur les bords et fonctionne comme nœud de détection de tension. Les quatre coins de la plaque inférieure forment des électrodes qui produisent des gradients de tension dans les directions X et Y. Différentes configurations de polarisation sont utilisées pour obtenir les mesures des directions X et Y (Figure 3).

Figure 3 : Les écrans tactiles résistifs à 5 fils utilisent quatre électrodes dans les coins de la plaque inférieure pour produire des gradients de tension dans les directions X et Y et deux paires d'électrodes sur les bords de la plaque supérieure pour détecter la tension. (Source de l'image : NKK Switches)

Dans la construction à 5 fils, seule la plaque inférieure est active. Cela signifie que la plaque supérieure peut subir des dommages, mais que l'écran tactile continuera à fonctionner. En revanche, les deux plaques de l'écran tactile à 4 fils sont actives ; des dommages affectant la plaque supérieure peuvent entraîner une défaillance de l'écran tactile. L'écran tactile à 5 fils a tendance à être plus durable, mais le compromis est une complexité et un coût de conception accrus.

Solutions commerciales d'écrans tactiles résistifs

Pour minimiser la complexité et accélérer la mise sur le marché, NKK propose des solutions commerciales éprouvées pour l'écran tactile et le contrôleur correspondant. Le concepteur a toujours la possibilité d'acheter un écran tactile auprès de NKK et de le combiner à un contrôleur d'un autre fournisseur ou avec son propre contrôleur.

La série FT de NKK constitue un excellent exemple d'écrans tactiles résistifs. Disponible dans une variété de tailles d'écran s'étendant de 5,7 à 15,6 pouces (po) (diagonale), la série est proposée dans des configurations à 4 et 5 fils avec une force d'activation tactile de 1,4 N (Tableau 1). Les deux versions comportent une queue de circuit flexible qui se connecte à une carte contrôleur.

Tableau 1 : Une comparaison des écrans tactiles résistifs à 4 et 5 fils montre que la version à 5 fils offre une durée de vie opérationnelle plus longue, mesurée en nombre d'opérations de contact. (Source de l'image : NKK Switches)

Le FTAS00-5.7AS-4A est un modèle à 4 fils de 5,7 pouces qui consomme 1 milliampère (mA) à 5 volts CC (VCC), et a une valeur résistive XY de 250 à 850 ohms (Ω), une linéarité de 1,5 % et une impédance d'isolement de 10 mégaohms (MΩ). La durée de vie opérationnelle attendue de l'écran tactile est de 50 000 opérations d'écriture ou de contact.

Le FTAS00-10.4A-5 est un modèle à 5 fils de 10,4 pouces qui consomme 1 mA à 5,5 VCC, et a une valeur résistive XY de 20 Ω à 80 Ω, une linéarité de 2 % et une impédance d'isolement minimum de 10 MΩ. La durée de vie opérationnelle est de 50 000 opérations d'écriture ou 10 millions d'opérations de contact.

Pour les écrans tactiles à 4 et 5 fils, NKK propose un contrôleur avec une interface RS232C ou USB. Les cartes contrôleurs sont fournies avec un logiciel pilote de périphérique compatible avec Windows 7, 8 et 10. Le FTCS04C et le FTCU04B sont les cartes contrôleurs RS232C et USB pour les écrans tactiles NKK à 4 fils, respectivement, tandis que le FTCS05B et le FTCU05B sont les équivalents pour les écrans tactiles à 5 fils.

Premiers pas avec un écran tactile résistif

Le processus de conception est similaire pour les écrans tactiles à 4 et 5 fils. Au cœur de la carte contrôleur à 4 fils USB et RS232C se trouve la puce de contrôleur FTCSU548. Ce circuit intégré LFQFP à 48 broches est doté d'une interface série asynchrone et d'une interface USB 2.0 pleine vitesse. Il est alimenté avec de 3,3 V à 5 V pour un fonctionnement RS232C ou avec 5 V pour USB, avec un courant de sortie nominal de 170 mA, une fréquence de fonctionnement de 16 mégahertz (MHz) et une résolution de convertisseur analogique-numérique (CAN) de 10 bits. La puce dispose d'une fonction d'étalonnage intégrée.

Lorsque l'on appuie sur l'écran tactile, le circuit intégré de contrôleur détermine les coordonnées en utilisant la valeur de la tension analogique détectée par le CAN et les transmet à l'ordinateur hôte via l'interface RS232C ou USB (Figure 4).

Figure 4 : Le circuit intégré de contrôleur FTCSU548 (IC1) est monté sur la carte contrôleur FTCU04B (USB à 4 fils). CN1 (à gauche) est le connecteur pour le circuit flexible à 4 fils de l'écran tactile. (Source de l'image : NKK Switches)

Le circuit flexible à 4 fils de l'écran tactile est connecté à la carte contrôleur via CN1. La carte contrôleur se connecte au PC hôte via CN4. L'interface USB CN4 alimente également la carte. L'hôte exécute le pilote de périphérique et le logiciel d'application de l'écran tactile (Figure 5).

Figure 5 : Carte contrôleur USB à 4 fils typique et configuration de PC hôte. (Source de l'image : NKK Switches)

Conseils de conception

L'écran tactile résistif nécessite un étalonnage lors de l'installation. Le circuit intégré de contrôleur FTCSU548 intègre une fonction d'étalonnage. Le circuit intégré de contrôleur doit d'abord être défini sur le mode de données source pour être étalonné. Le PC indique ensuite un point de référence (P1) sur l'écran tactile sur lequel l'opérateur appuie avec un stylet, et les informations de tension CAN sont envoyées au PC via la carte contrôleur. Le processus est répété avec un deuxième point (P2) dans une zone éloignée de l'écran tactile. Les coordonnées physiques de P1 et P2 sont envoyées au PC sous forme de nombre à huit octets. L'écran tactile est ensuite défini sur le mode de données d'étalonnage et le logiciel d'application utilise la tension et les coordonnées des deux points connus, ainsi qu'une référence « 0,0 » intégrée, pour interpoler toutes les autres coordonnées dans la zone du mode de données d'étalonnage (Figure 6).

Figure 6 : Un étalonnage est requis lors de la configuration initiale et périodiquement par la suite, car la résistance change avec le vieillissement de l'écran tactile. (Source de l'image : NKK Switches)

La résistance de l'écran change avec le vieillissement, de sorte qu'un réétalonnage est nécessaire pendant toute sa durée de fonctionnement.

Il est essentiel d'inclure une mise à la terre pour le cadre du dispositif d'affichage afin de prévenir les interférences électromagnétiques (EMI). Il est également possible que la résistance de contact initiale d'un doigt provoque une vibration. Pour éviter les vibrations, un délai intégré peut être utilisé pour permettre à la tension de se stabiliser avant que le système ne calcule les coordonnées.

Les concepteurs doivent également veiller à ne pas inclure de logiciel demandant aux utilisateurs de toucher simultanément deux zones de l'écran tactile. La technologie ne peut pas résoudre le problème de deux touchers distincts et propose par défaut un point central entre les deux. Enfin, lorsqu'une ligne est tracée sur un écran à l'aide d'un stylet, des ruptures apparaissent au-dessus de l'espacement d'écran, séparant les deux couches. Les concepteurs doivent s'assurer que le logiciel d'application comble ces lacunes.

Conclusion

Les écrans tactiles résistifs sont des IHM adaptées aux applications dans lesquelles des critères tels que le coût, la robustesse et le fonctionnement avec une main nue ou gantée ou un stylet non conducteur sont essentiels. Pour simplifier la mise en œuvre, les solutions commerciales de NKK incluent des superpositions d'écrans tactiles, des cartes contrôleurs avec un circuit intégré de contrôleur dédié et un logiciel pilote de périphérique.