Come implementare rapidamente touchscreen affidabili

Il touchscreen è sempre più amato rispetto alla tastiera e al mouse come interfaccia uomo-macchina (HMI) per la programmazione, la configurazione e il controllo di sistemi consumer, aziendali e industriali. I touchscreen sono intuitivi, veloci e offrono un'unica interfaccia integrata che sostituisce vari dispositivi di input diversi. Inoltre assicurano maggiore comodità alle persone con difficoltà fisiche e possono essere molto compatti.

L'ampia varietà di applicazioni dei touchscreen richiede che siano robusti, economici e utilizzabili con un dito nudo o guantato. I touchscreen resistivi soddisfano questi requisiti, ma i progettisti devono poterli introdurre sul mercato rapidamente con soluzioni già pronte in cui il touchscreen è abbinato a un controller appropriato. Devono inoltre conoscere le differenze tra le interfacce touchscreen resistive a 4 e 5 fili.

Questo articolo descrive brevemente i touchscreen resistivi. Presenta quindi esempi di touchscreen e controller di NKK Switches e mostra come usarli nella progettazione.

Funzionamento dei touchscreen resistivi

I touchscreen resistivi sono componenti indipendenti che si sovrappongono a un display a schermo piatto. Insieme a un controller, un touchscreen consente agli utenti di interagire con i simboli visualizzati toccando aree specifiche. Un touchscreen è in grado di rilevare la posizione precisa del tocco di un dito o di uno stilo. Il software applicativo determina quindi le ulteriori azioni da eseguire sullo schermo in base a tale posizione.

I touchscreen resistivi sono adatti a diverse applicazioni consumer, retail, enterprise, industriali e medicali, perché sono economici, robusti e possono essere utilizzati con un dito nudo, una mano guantata o uno stilo. La tecnologia utilizza un film plastico deformabile rivestito sul lato posteriore da uno strato conduttivo come l'ossido di indio-stagno (ITO). Il retro del touchscreen è formato da un pannello di vetro o acrilico, con uno strato ITO sulla faccia anteriore.

I punti distanziatori non conduttivi separano il film plastico dal pannello di supporto in vetro o acrilico. Quando si preme sul film plastico con un dito o uno stilo con una forza di uno o due newton (N), la pellicola entra in contatto con il pannello di supporto, chiudendo di fatto un interruttore nell'area di pressione locale. La scheda di controllo, con un connettore a quattro o cinque fili collegato, può determinare la posizione dell'interruttore chiuso e il software risponde di conseguenza (Figura 1).

Figura 1: I touchscreen resistivi funzionano utilizzando il tocco per premere insieme due superfici conduttive. (Immagine per gentile concessione di NKK Switches)

I touchscreen resistivi sono molto apprezzati quando criteri di costo, robustezza e funzionamento con una mano guantata o uno stilo non conduttivo sono importanti. In genere sono in grado di eseguire milioni o addirittura decine di milioni di operazioni senza guastarsi. I touchscreen resistivi possono essere prodotti anche con protezione contro gli spruzzi di acqua e di sostanze chimiche.

La differenza tra le configurazioni touchscreen a 4 e 5 fili

Un touchscreen a 4 fili impiega due elettrodi sulla piastra inferiore e due su quella superiore. Sulla piastra inferiore, gli elettrodi corrono lungo l'asse Y, consentendo di misurare la resistenza lungo l'asse X. Analogamente, la piastra superiore presenta elettrodi ai bordi che corrono lungo l'asse X, consentendo di misurare la resistenza lungo l'asse Y (Figura 2).

Figura 2: I touchscreen resistivi a 4 fili utilizzano due elettrodi ai bordi sulla piastra inferiore e due sulla piastra superiore. Le coppie sono perpendicolari tra loro e consentono di determinare la posizione XY del tocco. (Immagine per gentile concessione di NKK Switches)

Nel punto di contatto con il dito, lo strato inferiore divide efficacemente lo strato superiore in due resistori in serie. Lo strato inferiore è diviso in modo analogo nel punto di contatto con lo strato superiore. Con un'adeguata polarizzazione, ciascuna piastra può funzionare come un divisore in cui la tensione di uscita rappresenta le coordinate del punto di contatto.

In un sistema a 5 fili, la piastra superiore ha quattro elettrodi ai bordi e funge da nodo di rilevamento della tensione. I quattro angoli della piastra inferiore formano degli elettrodi che producono gradienti di tensione nelle direzioni X e Y. Per ottenere le misurazioni in direzione X e Y si utilizzano diverse configurazioni di polarizzazione (Figura 3).

Figura 3: I touchscreen resistivi a 5 fili utilizzano quattro elettrodi agli angoli sulla piastra inferiore per produrre gradienti di tensione nelle direzioni X e Y e due coppie di elettrodi ai bordi sulla piastra superiore per rilevare la tensione. (Immagine per gentile concessione di NKK Switches)

Nella struttura a 5 fili è attiva solo la piastra inferiore. Ciò significa che la piastra superiore può subire danni, ma il touchscreen continuerà a funzionare. Al contrario, entrambe le piastre del touchscreen a 4 fili sono attive; un danno alla piastra superiore può causare il malfunzionamento del touchscreen. Il touchscreen a 5 fili è tendenzialmente più resistente, ma il compromesso è una maggiore complessità di progettazione e un costo superiore.

Soluzioni touchscreen resistive commerciali

Per ridurre al minimo la complessità e accelerare il time-to-market, NKK offre soluzioni commerciali comprovate sia per il touchscreen che per il controller abbinato. Il progettista ha ancora la possibilità di acquistare un touchscreen da NKK e di abbinarlo a un controller di un altro fornitore o a uno proprio.

La serie FT di NKK è un ottimo esempio di touchscreen resistivo. Disponibile in varie dimensioni dello schermo da 5,7 a 15,6 pollici (diagonale), la serie è offerta in configurazioni a 4 e 5 fili con una forza di attivazione al tocco di 1,4 N (Tabella 1). Entrambe le versioni sono dotate di una coda di circuito flessibile che si collega a una scheda controller.

Tabella 1: Il confronto tra touchscreen resistivi a 4 e 5 fili mostra che la versione a 5 fili offre una maggiore durata operativa, misurata in numero di tocchi. (Immagine per gentile concessione di NKK Switches)

FTAS00-5.7AS-4A è un modello a 4 fili da 5,7 pollici che assorbe 1 mA a 5 V c.c., ha un valore resistivo XY da 250 a 850 Ω, una linearità dell'1,5% e un'impedenza di isolamento di 10 MΩ. La durata operativa prevista del touchscreen è di 50.000 operazioni di scrittura o di un milione di operazioni di tocco.

FTAS00-10.4A-5 è un modello a 5 fili da 10,4 pollici che assorbe 1 mA a 5,5 V c.c., ha un valore resistivo XY compreso tra 20 e 80 Ω, una linearità del 2% e un'impedenza di isolamento minima di 10 MΩ. La durata operativa è di 50.000 operazioni di scrittura o 10 milioni di operazioni di tocco.

Per i prodotti touchscreen a 4 e 5 fili, NKK offre un controller con interfaccia RS232C o USB. Le schede controller sono fornite con software per driver di periferica compatibile con Windows 7, 8 e 10. Le schede FTCS04C e FTCU04B sono rispettivamente le schede di controllo dell'interfaccia RS232C e USB per i touchscreen a 4 fili di NKK, mentre le schede FTCS05B e FTCU05B sono quelle equivalenti per i touchscreen a 5 fili.

Primi passi con un touchscreen resistivo

La progettazione è simile per i touchscreen a 4 e 5 fili. Il cuore della scheda di controllo RS232C e USB a 4 fili è il chip di controllo FTCSU548. Questo CI LFQFP a 48 pin offre un'interfaccia seriale asincrona e un'interfaccia USB 2.0 Full Speed. È alimentato a 3,3 a 5 V per il funzionamento RS232C o a 5 V per USB, con una corrente di uscita nominale di 170 mA, una frequenza operativa di 16 MHz e una risoluzione del convertitore analogico/digitale (ADC) di 10 bit. Il chip integra una funzione di calibrazione.

Quando il touchscreen viene premuto, il CI di controllo determina le coordinate utilizzando il valore della tensione analogica rilevata dall'ADC e le trasmette al computer host tramite l'interfaccia RS232C o USB (Figura 4).

Figura 4: Il controller in CI FTCSU548 (IC1) è montato sulla scheda controller FTCU04B (USB a 4 fili). CN1 (a sinistra) è il connettore per la coda di circuito flessibile a 4 fili del touchscreen. (Immagine per gentile concessione di NKK Switches)

La coda del circuito flessibile a 4 fili del touchscreen è collegata alla scheda controller tramite CN1. La scheda controller si collega al PC host tramite CN4. L'interfaccia USB CN4 fornisce anche l'alimentazione alla scheda. L'host esegue il driver di periferica e il software applicativo del touchscreen (Figura 5).

Figura 5: La figura mostra una tipica configurazione della scheda controller USB a 4 fili e del PC host. (Immagine per gentile concessione di NKK Switches)

Suggerimenti di progettazione

Un touchscreen resistivo richiede la calibrazione al momento dell'installazione. Il controller in CI FTCSU548 prevede una funzione di calibrazione integrata. Per la calibrazione, il controller in CI deve prima essere impostato sulla "modalità dati sorgente". Il PC indica quindi un punto di riferimento (P1) sul touchscreen che l'operatore preme con uno stilo; le informazioni sulla tensione ADC vengono inviate al PC tramite la scheda controller. Il processo viene ripetuto con un secondo punto (P2) in un'area distante del touchscreen. Le coordinate fisiche di P1 e P2 vengono inviate al PC come numero a otto byte. Il touchscreen viene quindi impostato in "modalità dati di calibrazione" e il software applicativo utilizza la tensione e le coordinate lette per i due punti noti, oltre a un riferimento "0,0" incorporato, per interpolare tutte le altre coordinate nell'area della modalità dati di calibrazione (Figura 6).

Figura 6: La calibrazione è necessaria durante la configurazione iniziale e in seguito periodicamente, perché la resistenza cambia con l'invecchiamento del touchscreen. (Immagine per gentile concessione di NKK Switches)

La resistenza dello schermo cambia con l'invecchiamento, quindi è necessario ricalibrarlo per tutta la sua vita operativa.

È essenziale includere la messa a terra della cornice del dispositivo di visualizzazione per evitare interferenze elettromagnetiche (EMI). È anche possibile che la resistenza iniziale del contatto con un dito possa causare "vibrazioni". Per evitarle, è possibile incorporare un ritardo per consentire alla tensione di stabilizzarsi prima che il sistema calcoli le coordinate.

I progettisti devono anche fare attenzione a non includere software che indichino agli utenti di toccare due aree del touchscreen contemporaneamente. La tecnologia non è in grado di risolvere due tocchi distinti e sceglierebbe un punto centrale tra di essi. Infine, quando si traccia una linea sullo schermo con lo stilo, appariranno spazi vuoti intermittenti sopra il distanziatore dello schermo, che separano i due strati. I progettisti devono assicurarsi che il software applicativo colmi queste lacune.

Conclusione

I touchscreen resistivi sono adatti ad applicazioni in cui sono importanti criteri come costo, robustezza e funzionamento con una mano nuda o guantata o con uno stilo non conduttivo. Per semplificare l'implementazione, le soluzioni commerciali di NKK includono l'overlay del touchscreen, schede controller con un controller in CI dedicato e il software per il driver di periferica.