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液晶触摸屏的原理及使用中应注意的问题研究

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  摘   要:目前,触摸屏总类分为电阻式触摸屏、电容式触摸屏、红外式触摸屏和声波式触摸屏等。文章简单介绍了各触控屏的原理、技术特点,分析得出混合式触控和触觉技术将是今后触摸屏发展的方向。
  关键词:触摸屏;原理技术;发展趋势
  说到触摸屏大家已不再陌生,实际上我们几乎每天都在使用,它具有长久耐用、易于人机交互、反应速度快等优点。看图点屏直截了当,方便了人们对各种电子设备的操作,其应用范围相当广范,大到军事领域、工业生产和办公、多媒体教学,小到点歌点菜、电子游戏等都可运用,如银行、电力电信部门的缴费查询等。本文简单介绍触摸屏的基本原理和使用中的一些问题。
  1    触摸屏的基本原理
  长期以来,人们对所使用设备的输入和操控都是用按键来操作,它是一种机械式的面板界面,繁琐、不直观,长时间使用会接触不良、不灵敏。自从有了液晶显示器产品后,点触液晶屏上的菜单、图标,都通过表面透明导电或感应的介质,传给控制器检测出触摸信号,从而把图标位置转换成精确坐标,让主板电路识别,并执行此动作,让多媒体设备的画面和影音效果得以更良好的延伸,更为先进快捷。
  2    触摸屏的基本特性要求
  2.1  透明度
  透明度对视觉效果至关重要。它至少包括4个特性,分别是透明度、色彩失真度、反光性和清晰度。如果只是昏暗、模糊的画面,其他都无从谈起。透明度在屏的要求上只是个泛泛的概念,还能再进行细分,比如反光程度,包括镜面反光程度和衍射反光程度。红外和声波触摸屏只在液晶屏上加了一层玻璃,透明性较佳。一般能满足上述4个要求和特性基本就足够了。
  2.2  坐标系统
  触摸屏需要点触稳定无误,点到哪里所反映出的坐标定位要绝对准确,这样接收和检测到的位置信号才可靠,不能出现所谓的假点,或称之为“鬼点”。即点触外层屏的某一点,触点对应的应是里层液晶屏上所需要的图标,如果反映出的点却偏离在图标的旁边,两点就会不重合,并产生漂移。在各类屏中,电容和红外屏由于结构和构造上的原因,在工作中有时会出现触摸点的漂移,不过可以通过校正软件来重新校正定位,也能在长时间连续工作状态下保证定位的准确性。
  2.3  检测和定位
  每一种触摸屏都自带有一套传感控制器、转换器、微处理芯片等元器件组成的电路,来实现触摸屏的检测和定位,它们的硬、软件相对来说更加完备,能够在反应速度、稳定性以及使用寿命上达到一定的可靠性的要求[1]。
  3    触摸屏主要类型
  触摸屏的分类主要是根据屏的使用介质的不同大致来划分的,主流上大概分为4类,分别是电阻屏、电容屏、红外对管屏以及声表面式触摸屏。这几种屏的使用特性,适用场合都各有不同,要想知道它们都具备怎样的优缺点,那就要了解和掌握各类屏的基本工作原理和技术特点。下面就对这几种屏的特点和使用状况来作简单的概述。
  3.1  电阻型触摸屏
  电阻屏最外层一般使用的是软屏,通过按压使内触点上下相连。内层装有物理材料氧化金属,即N型氧化物半导体—氧化铟锡(Indium Tin Oxides,ITO),也叫氧化铟,透光率为80%,上下各一层,中间隔开。ITO是电阻触摸屏及电容触摸屏都用到的主要材料,它们的工作面就是ITO涂层,用指尖或任何物体按压外层,使表面膜内凹变形,让内两层ITO相碰导电从而定位到按压点的坐标来实现操控。根据屏的引出线数,又分有4线、5线及多线,门槛低,成本相对价廉,优点是不受灰尘、温度、湿度的影响。缺点也很明显,外层屏膜很容易刮花,不能使用尖锐的物体点触屏面。一般是不能多点触控,即只能支持单点,若同时按压两个或两个以上的触点,是不能被识别和找到精确坐标的。在电阻屏上要将一幅图片放大,就只能多次点击“+”,使图片逐步进阶式放大,这就是电阻屏的基本技术原理。
  3.2  电容型触摸屏
  电容式触摸屏的应用目前相对广泛,主要是用在大家每天使用的手机和工作的平板电脑上,表面层一般是硬屏。它最初的设想和原理实际是利用了电容的特性。我们都知道电容的结构是在两块靠的很近、中间又绝缘的导电板施加直流电压,正负电荷就相互吸引,导电板上就会储存电量,理论上是没有电流通过的,但在充放电的过程中,电路线上是有瞬间的方向相反的电流的,等到导电板上的电位和电源相等时,电流就得以停止。如果把交流电与电容相连,就会反复地进行充放电的过程,也就会有持续的充放电电流,可以理解为电容是可以通过交流电的。电工经常使用的试电笔正是运用的这个原理,人即使站在木椅上,用试电笔触碰火线,笔依然会持续点亮,因为人和大地是导体,220 V的交流电经过试电笔、人、木椅,最终到达大地,只不过电流经过笔中很大电阻后,变得很小,人体没感觉到罢了。那电容屏就不难理解了,当用手指轻触屏最外有机玻璃薄层时,不需要按压,就会与内层的导电的ITO氧化铟层形成耦合电容,产生电流,屏幕4个角引线上的电流会流向触点,通过控制器计算出4边到触点的距离,就能定位触点的坐标,这是表面电容式触摸屏,不支持多点触控。而制作精细的投射电容屏是可以实现多点触控是,把ITO层蚀刻成水平和垂直的多个电极阵列,当触碰屏上的某个位置时,仅只与阵列上一点形成电容耦合,与其他碰触点互不影响,实现多点工作,应用更加广泛,如网页操作、图片缩放、滚动等。缺点是需要手指或带有导电的笔才能操控,戴着手套是不能操作电容屏的,如有其他外电场影响,会让触点产生漂移。
  3.3  红外触摸屏
  红外线是一种肉眼看不见的光线,在日常生活中也经常可以用到利用红外线的设备,如电视遥控器、用于夜晚的红外报警监控探头等。在触摸屏的外框上嵌入红外对管,发送和接收在屏表面形成的网状红外线,有任何物体在屏的表面停留,就会阻断连续扫描的横竖红外矩阵,就可以通过控制器计算出阻挡的位置,即坐标点。因此,它的特点是可以使用任何物体,如绝缘笔、手指,只要靠近屏到外框内,不需要去碰触屏幕,就能正常工作。缺点是当受到环境中的红外干扰,如阳光、白炽燈、带高温的物体、遥控器等的影响,点会产生漂移。笔者在实际工作中使用了一台广州产的70寸希沃牌红外交互智能平板设备,在多媒体教室连续开机使用,由于受到各种灯光光线的影响,偶尔会出现指向点和液晶屏上反映点的位置不重合,这就需要通过安装在平板设备上的软件来进行校正。   3.4  表面声波触摸屏
  声波触摸屏和红外屏的工作原理相似。声波是通过物体的振动在空气或其他介质中进行传播,本质是一种有一定振幅周期的机械波、振动波推动空气形成的压力波,通过人耳神经端梢的接收,就能听到物体所发出的声音。要让电子设备接收到振动就需要声电转换,典型的设备就是扬声器或是耳机。当然,声波触摸屏利用电声换能器发出的声波是人耳听不到的声波范围,是一种高頻声波,在屏的表面形成声波矩阵,当用物体或手指放在屏外层玻璃基板上时,就阻断了声波的发送和接收,控制器对衰减的声波信号进行检测并计算,就能确定所指向的坐标。声表面触摸屏也同样不受温度、湿度的影响,在各类触摸屏中使用寿命最长,可达到5 000万次无出错故障,也不会有任何的漂移,最适合在公共场所中使用。
  4    触摸屏使用中的常见问题
  触摸屏大多放置于公共场所中使用,由于环境、人为操作等原因,在使用过程中往往会出现一些问题,具体如下。
  4.1  使用一段时间后触摸无反应
  (1)电容屏设备在长期使用过程中,屏上及内部控制电路由于静电的积累,整台设备布满了静电,如果接地性欠佳,会影响到屏的正常工作,导致触摸屏有严重的偏差甚至失效。此时,关闭设备的电源,用导线将屏的内、外部接地放电,消除大量的静电,再打开设备电源重新启动即可。
  (2)声波触摸屏在工作中,由于表面灰尘积累过多,如果不经常擦拭,就会或多或少地阻挡一些声波的接收和反射,也会造成屏的灵敏度下降,导致使用不正常。关机后,可以用干净的纸巾或名片轻轻地将屏表面和四周的灰尘掸去,再重新启动机器,一般便可正常工作。
  4.2  与硬件相关的问题
  触摸屏一般用串口进行信号的传输,从P S2/端口取工作信号,如果指示灯不亮,说明没有取到信号或控制盒上的P S2/线可能坏了。如果串口损坏或被禁用,将导致驱动程序无法安装,可更换接口或引线。如果屏幕被挤压有轻微变形,是因为触摸区域被显示器外壳或机柜外壳压住了,会导致无法定位,触摸屏光标一直在显示器4边的某一点上,可以请专业人员教正显示器外壳边框或将机柜和显示器屏幕之间的距离调大一点来处理。
  4.3  其他相关的问题
  触摸屏光标只在一小区域内移动或触摸屏点不准,要运行触摸屏校准程序,在改变显示器分辨率后, 也要运行触摸屏校准程序。如果触摸屏在使用了较长一段时间如几年后,发现触摸屏有些区域根本不能点触,则可能是触摸屏坏了,请更换触摸屏。
  5    触摸屏产品发展与展望
  触摸屏虽然类型很多,但每种触屏都各有利弊,没有一种技术是完美无缺的。近年来,研发界加大了对混合式触摸屏的研制开发,即在一块触控面上采用两种或者两种以上的触控识别,达到多种触控技术之间实现优劣互补。目前,已经研发出基于电容式和电阻式的混合式触摸屏,该触摸屏可以通过手写笔和手指操作、支持多点触控等,显著提高触摸屏的识别效率,所以混合式触控技术会成为未来触控技术的发展方向之一[2]。
  人们享受触控显示技术带来的便捷操作,但却忽略了触摸操作时带来的一个特别触觉反馈。因为有操作人群需求的广泛性,所以应用在一些特定场合下,像在银行系统的应用上需要有更多的语音提示,当前和下一步的操作不能仅有单一的图标,这样会给老人的操作带来很大的方便。如庞大的餐饮业中,在点餐屏上出现所需菜品的三维立体画面,甚至带有菜的香味,那将会是愉悦之极。对于视障和残疾人士使用电子多媒体产品,笔者觉得更应加大研发,虽然有一些手机也具有他们使用的简单功能,但还远远不够完善,在语音输入和盲触的软硬件上都应该有关注和投入,给他们的生活带来更大便捷。目前触觉反馈技术研究不多,怎样实现更细致的屏幕物件操控和更具自由度的方向,才是真正应有的发展趋势。作者简介:谢浩(1971— ),男,江苏扬州人,技师,学士;研究方向:电子电工。
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