图解触摸屏工程应用技巧-人机界面选择

对工业和商业计算机应用系统来说，触摸式人机界面是一种广受欢迎的技术。触摸式人机界面技术消除了对键盘或传统鼠标的需求，而是可通过代表特定任务的图标实现简单、直接的交互。

在工业应用中，触摸式人机界面的这个特性有助于现场操作人员把精力集中在应用上，并且大多数操作者都能正确地使用触摸式人机界面，而不论操作员的计算机技能如何。触摸式人机界面成功应用的关键是选择合适的技术，并按照必需的步骤把触摸屏集成到平板显示系统中。这项工作正越来越多地由系统集成商来完成，即把触摸屏集成在标准的LCD系统中。

一个完整的集成式触摸屏系统的开发套件包括触摸屏、控制器、接口电缆和LCD，系统集成商通常可根据每个用户的要求提供具有适合功能的定制系统，这对不熟悉或缺乏触摸屏设计经验的系统设计者来说尤其有用。

1.应用定义

在定义应用时需要考虑的问题是，这个集成了触摸屏功能的平板显示系统主要应用在什么地方，是用在工业自动化系统、医疗应用系统、销售点（POS）系统或信息点（POI）系统、信息亭或自助服务亭，还是数字签名应用，是放置在室内，还是室外使用；是否用在恶劣环境中；它所要求的工作温度范围；是否将在多种不同的环境中使用。

上述因素将决定如何集成触摸屏系统功能及成本，触摸屏面板可直接粘贴在LCD的前表面或显示器的边框上，为便于在损坏时更换屏幕，也可以采用机械方式安装。直接粘贴触摸传感器，或将触摸传感器安装在边框上均要求在专门的洁净室内环境中进行，特别是直接粘贴传感器必须由受过严格培训的安装人员使用专用设备进行。采用机械方式安装的触摸传感器，是一种用来安装在显示设备外部的触摸传感器，可以通过物理设备（例如，支架或压力衬垫材料）将它们固定在显示设备外部。外部触摸屏对LCD的影响较小，并且可以在现场或维修点替换传感器时使用。在触摸屏系统集成中，触摸屏控制器的功率要求也是一个需要考虑的问题，因为许多触摸屏控制器在5V或12V直流电压下才能正常工作。

2.触摸屏选择

每一类触摸屏都有其各自的优缺点，要了解哪种触摸屏适用于哪种场合，关键就在于要掌握每一类触摸屏技术的工作原理和特点。

1）透光度。触摸屏是依附在LCD外面的，所以其透光率以及其抗眩光抗反射的特性也相对重要。电容式触摸屏面板要做到高透光及抗眩光并不容易，一般只有85％的透光率，而且抗眩光的效果也不佳。

3M公司的新一代电容式触摸屏ClearTekⅡ的透光度为91.5％，其表面经抗眩光抗反射处理。与电阻式触摸屏比起来，新一代电容式触摸屏让整个视觉亮了起来，整个视觉质感也提升不少，触摸屏的制造商也不必去改造LCD把亮度提高，降低许多成本。

2）硬度。电阻式触摸屏的表层是PET（塑胶）材质，通常硬度是3H，所谓的H硬度就是铅笔的硬度，例如像2B、HB铅笔之类，铅笔是很容易折断的，再加上塑胶老化之后会变脆，电阻式触摸屏是很容易损坏的，电阻式触摸屏如用在PDA或是其他个人使用的物品上还好，通常人们会非常爱惜自己的东西，但是假如是用在公共场合，很容易因为不爱惜使用或是不当使用遭到损坏。

3M公司的新一代电容式触摸屏面板的表层采用3M公司独家的HardCoat技术，可以让电容式触摸屏面板的表层达到玻璃的硬度，莫氏硬度的等级为1～10，最硬的等级是10，如钻石。电容式触摸屏就非常适合用在各种场合，因为7级硬度可以轻松适用于各种应用以及使用者的不当操作。

3）准确率。由于PET的物理特性，电阻式触摸屏的最好准确率只能达到98.5％（即误差值为1.5％），而电容式触摸屏则以电流驱动，准确率可达到99％（即误差值为1％）。在小尺寸应用时感觉不到0.5％的差异，但在大尺寸应用时，0.5％的差距可能是一个按钮的面积而造成误动作。

4）反应时间。假如只是单点触摸的话，反应时间或许还感觉不出来它的重要性，但如需要画线的话，例如像游戏机的使用，就非常的重要，电容式触摸屏反应快，而电阻式触摸屏反应迟钝，跟不上游戏的节奏。以3M公司的新一代电容式触摸屏ClearTekⅡ为例，只要搭配3MEXⅡ控制卡，就可达到仅3ms的触摸屏反应时间。

5）触摸屏打点寿命。通常以触摸屏打点寿命来表示触摸屏的可靠性及耐用性，电容式触摸屏的打点寿命可以说远远超过电阻式触摸屏技术，当然，如此优越的打点寿命是采用3M公司独家的HardCoat保护电容式表层。触摸屏的可靠性及耐用性越高，需要维修及保养的费用则越少。

6）工作高温。由于现在CPU速度越来越快，CPU工作温度也越来越高，再加上LCD面板发光发热，现在整个系统散热是一个越来越重要的技术问题，电容式触摸屏在高温耐受上比电阻式触摸屏高20℃，在系统设计上可以比较方便，而且还可以在一些特殊环境使用。

7）抗UV。PET是不抗UV的，因此电阻式触摸屏并不适合在户外长期使用。电容式触摸屏不怕紫外线，而且工作温度比电阻式触摸屏还高20℃，更适合在户外风吹日晒的环境。

8）启动力量。由于电阻式触摸屏必须要压下PET表层才能造成电压降，进而产生一个触摸感应，一定要施力压下去才可以启动电阻式触摸屏，有时太轻的一个触碰会无法驱动电阻式触摸屏，然而，电容式触摸屏是只要手触碰到表面，就可以形成一个触摸感应，不需要施加任何的力量，在使用者的观感上会觉得电容式触摸屏更灵敏。

一旦决定采用触摸屏界面，下一步就要确定哪种触摸屏技术最合适。影响选择触摸屏技术的各种因素很多。可以用各种方式实现触摸屏，除了成本之外，技术方面的选择取决于以下几个因素：

1）性能。性能包括诸如速度、灵敏度、精确度、分辨率、拖动、Z轴、多触摸方式、视差角度和校准的稳定性。

2）输入灵活性。输入灵活性参数影响着人机交互的方式，诸如手套、手套材料、指甲、触摸笔、手写识别和获取签名。

3）环境。环境因素为温度、湿度、耐化学性、耐划伤、防飞溅、液滴、高度、车内安装、冲击、振动、断裂性和防打破的安全性。

4）电气和力学性能。电气和力学性能需要涵盖功率、浮动接地、静电释放（ESD）、电磁干扰（EMI）、尺寸大小、曲率等。

5）光学。影响触摸屏技术选择的光学特性包括透光率、清晰度、色彩纯度和反射。

设计中除了必须知道LCD显示器和边框的全部尺寸以及LCD的类型（例如无源矩阵或有源矩阵TFTLCD）之外，还需考虑下面几个问题：

1）防眩光或防反射性能。

2）在日光下阅读所需的高亮度或高透反性能，在日光下阅读所要求的亮度通常为600cd/m²或更高，具体数值依赖于其他相关性能，例如，通常由LCD的制造商或增值集成商提供的防反射表面处理。

3）与显示器玻璃进行粘接，以防在室外公共环境遭到破坏。

4）价格、性能、质量以及能否长期供货。其他需要考虑的参数还包括外部连接方式、安装方式和工作环境参数。

在从工业领域到消费领域的各种应用中，电阻式触摸屏是最流行的触摸屏技术。这种压敏型触摸屏技术具有多种功能，也是最具有成本效益和易用性的触摸屏技术之一。通常，电阻式触摸屏的价格比较便宜，但缺点是光透射率一般不超过86％（尽管也有透射率更高的产品），而且电阻层的前表面对尖锐物和腐蚀性化学制品的抵御能力较差。电阻式触摸屏不受灰尘或水等外界污染物的影响，而且由于它们的密封度可达到NEMA4/4X标准，所以大部分的主要人机界面制造商都采用了这项技术。(www.xing528.com)

3.集成触摸屏与外挂触摸屏

外挂触摸屏和集成触摸屏如图3-4所示，目前市场上的触摸屏基本都是外挂式触摸屏，即触摸屏和LCD是分别生产的，然后组装到一起。而集成触摸屏则是在LCD生产的同时就把触摸屏功能集成进去，因此当LCD模组完成时，触摸屏也同时做好。

图3-4 外挂触摸屏和集成触摸屏

集成触摸屏相比外挂触摸屏省去了多层结构以及组装的步骤，因此，集成触摸屏相比外挂触摸屏具有更轻更薄，透光率和显示效果更好的优点。另外，如果集成触摸屏工艺发展成熟后，成本也会比外挂触摸屏更低。

集成触摸屏主要有on-cell和in-cell两种结构，如图3-5所示，只要触摸屏在LCD上玻璃基板的外面，就是on-cell结构。如果所有触摸屏都做在LCD上下玻璃基板之间（也就是液晶盒cell之内）就是in-cell结构。

in-cell结构相比on-cell结构工艺更简单（不需要在上玻璃基板两面成膜），从而更容易控制良品率和降低成本。上玻璃基板外侧没有触摸屏结构，因此可以薄化上玻璃基板（on-cell结构不可以），从而使厚度更薄。另外on-cell结构由于上玻璃基板外侧有触摸屏结构，因此如果不增加保护层，则容易损坏触摸屏，降低可靠性，而如果增加保护层，又会增加厚度，丧失集成触摸屏的优势。因此in-cell结构比on-cell结构更好。

图3-5 in-cell和on-cell结构

但in-cell结构更容易受到来自LCD噪声的干扰（因为距离LCD比on-cell结构近了很多），因此实现起来更加困难。in-cell结构难以确保成品率和显示性能，实用化未能取得进展。其原因在于，需要在TFT阵列基板上的像素内部嵌入触摸传感器功能。为此，必须使用复杂的半导体制造工艺，而降低了成品率。另外，在像素内嵌入触摸传感器，可利用于显示的面积部分便会减少，这又是导致画质劣化的主要原因。

不过，随着on-cell技术的亮相，液晶和触摸屏面板的一体化迎来了转机。由于只需在彩色滤光片基板和偏光板之间形成简单的透明电极图案，因此容易确保成品率。另外，像素内的有效显示区域的面积也不会减小，几乎不会因此发生画质劣化现象。

如果采用on-cell方式的液晶-触摸屏一体化技术得到普及，就无需再使用外置的触摸屏面板部件。制造触摸屏面板的厂商很有可能从原来的外置触摸屏面板厂商转型为液晶面板和彩色滤光片厂商。产品厂商从触摸屏面板厂商手中采购外置部件的原供应链也将完全改变。

4.选择触摸屏

（1）品质判别

电阻式触摸屏目前应用十分广泛，但使用者可能从外观无法判别触摸屏品质的好坏，在此提出一些简单的方法可以由外观上大致看出产品的品质。

1）触摸屏的贴合有水胶贴合与双面胶贴合两种，当拿到一片触摸屏时，看一下触摸屏的四周是否印有绿色的边框，如果有的话，大概可能是绝缘油墨，绝缘油墨也可能是半透明的颜色。这类电阻式触摸屏应该是水胶贴合的，绝缘油墨起到隔绝上下层线路的作用。这种做法的触摸屏不耐高温，不能适合复杂的恶劣环境（如高温高湿），抗干扰能力不强。

2）出线端的设计，一般制程会在尾线与屏连接处有一个缺口，如果厂商用的胶不是高级的材料，那尾线与触摸屏本身粘的力量不够，经温度、湿度的变化，或安装时的不注意，尾线就会造成线路断裂，此类触摸屏很容易就坏掉了，尾线若折断要修复的可能性不大。

3）将触摸屏拿在手上用60°角度看一下表面是否有牛顿环产生（一种让人看上去有点眩晕的彩虹纹），若有牛顿环产生的触摸屏，表示此工厂在生产过程中处理牛顿环问题经验不够。用手指按触摸屏感觉一下，是不是触摸屏有上下两层，或像有气泡存在似的。若感觉到，则表示此触摸屏品质不佳。

（2）适用性

任何种类的产品都是有等级之分的，触摸屏也是，它有商业规格、工业规格、车用规格、军用规格、航天规格等，设计产品时一定选择符合应用要求的触摸屏。

举例来说，触摸屏在医疗设备的应用中，用户必须戴着手套直接操作（不使用外部指点设备）触摸屏。为满足这种应用要求，设计中可以把一个4线电阻式触摸传感器集成到显示器中，该显示器应选用12.1in（对角线）、亮度为400cd/m²、带SVGA分辨率、具有高对比度且带有LVDS接口的有源矩阵LCD。

与电阻式触摸屏一样，采用表面声波式触摸屏可以用于任何类型的触摸装置（例如手指或触摸笔）。表面声波式触摸屏具有杰出的防刮伤能力、校准稳定性（无漂移）、透光性好（92％），而且几乎不存在物理磨损问题。表面声波式触摸屏技术广泛用于游戏、办公自动化和室内自助服务亭（例如ATM）等领域，表面声波式触摸屏的缺点是极易受到灰尘和其他微粒的污染。在面向公众的信息亭类应用中，还存在另外一些污染的威胁，例如，雨水、雪或者粘到触摸屏上的口香糖等将阻断触摸屏传感器前方的声波传输模式，从而降低触摸屏的操作性能。

电容式触摸屏采用带有氧化锌涂覆层（已用微小电流进行了充电）的玻璃基底，当导电性触摸笔或手指接触到屏幕表面时，它将产生电容性耦合，从触摸点处吸取电流，这样，触摸屏控制器可依此确定触摸点的X坐标和Y坐标。电容式触摸屏的玻璃基底的防刮能力很强、透光性好，用其构造的触摸屏系统可达到NEMA4/4X防护标准。但这项技术要求采用某种类型的导电性指向装置，而对戴手套的手指或非导电性装置没有反应，因此它不适合在工业应用和洁净室环境中使用。

红外式触摸屏（也称为IR触摸屏）技术利用红外发射器、接收器对管，在离屏幕表面的一小段距离上投射出一个不可见的光网格。当光束被阻断时，接收器上的信号缺失被检测出来，并转换成触摸屏的X、Y坐标。红外式触摸屏技术通常使用在信息亭、游戏、零售、卫生保健和工业人机界面（HMI）等应用中。它十分耐磨损，不受灰尘、水和其他污染物的影响（非常适用于室外的公共信息亭显示器），且没有校准漂移。不过，这种技术的应用是有限制的，它无法检测微小的指点区域，因此不适于对分辨率要求很高的、要求捕获签名的应用（如POS机）。

5.选择控制板

在选择控制板时需考虑是采用串行接口（RS-232）、USB还是PS/2，在将触摸屏控制器与计算机主板上的CPU连接时，如果触摸屏控制器和触摸屏传感器离主机有一段距离，那么这个距离将影响接口方式的选择。例如，串行接口最多可支持50ft（1ft＝0.3048m）的距离，而USB接口一般仅支持约16ft的距离。采用串行接口的触摸屏控制器必须采用外部供电方式（需要一个5V或12V的直流电源），而采用USB接口的控制器可以从主机系统的USB接口直接获取电源。

6.选择外壳

当将触摸屏面板和触摸屏控制器与LCD和相关组件封装在一起时，需要考虑的因素中最重要的是选择合适的外壳，另外，是否需要密封、是否需要达到NEMA级或IP级防护、如何处理可能的污染物（例如，化学制品或极热和极冷物质）也是需要考虑的问题。

评判一种触摸屏系统，技术原理只是其中的一部分，触摸屏要应用到各个领域，还要接受千万次的触摸，选用材料的耐用性，反应速度（使用要感觉顺畅反应时间须小于20ms），控制卡、驱动程序和校准程序，控制卡的设计水平和工艺水平，驱动程序跨操作系统平台、跨机种的通用性，计算机接口与技术趋势的紧跟程度，厂商的技术实力和服务承诺的可信任度，这些都是理性的评判一种触摸屏的重要因素。