電阻式觸控螢幕是一種感測器，它將矩形區域中觸摸點(X,Y)的物理位置轉換為代表X坐標和Y坐標的電壓。很多LCD模組都採用了電阻式觸控螢幕，這種螢幕可以用四線、五線、七線或八線來產生螢幕偏置電壓，同時讀回觸摸點的電壓。
基本介紹
- 中文名：電阻式觸控螢幕
- 外文名：Resistive touch screen
- 簡稱：電阻屏
- 元件歸屬：感測器
簡介,觸控螢幕技術,電阻式觸控螢幕,工作原理,基本原理,電路實現,元件分類,四線觸控螢幕,五線觸控螢幕,七線觸控螢幕,八線觸控螢幕,SAR結構與原理,接觸檢測,優缺點,優點,缺點,電阻式多點觸控螢幕現狀研究,
簡介
觸控螢幕技術
觸控螢幕在結構上由一個感應式液晶顯示裝置組成，這個感應顯示器可以接收觸控頭或者其他觸控動作的信號。當這個感應顯示器收到了觸控信號，整個觸控裝置會按照事先編寫的程式執行不同的指令，實現用戶的觸控意圖。這種技術替代了傳統的機械式按鈕裝置，加上液晶顯示器的畫面，可以得到十分生動形象的畫面和操作享受，受到了越來越多人的歡迎。
觸控螢幕技術最早出現在一些工業和商業設備中，例如POS終端機、電梯按鈕等。觸控螢幕技術在很大程度上方便了人機互動，觸控螢幕本身又很堅固耐用,這些特點都讓觸控螢幕技術有了很大的套用和發展。利用觸控螢幕技術，用戶只要用手指點擊相應的觸控圖案，就可以解決過去繁雜的操作問題，極大的方便了用戶。由於近些年i Phone手機的推出，更是刺激了觸控螢幕相關產業的發展，觸控螢幕技術也由此被套用到不同的產品中。隨著移動網際網路、雲計算等技術的快速發展，人們對觸控螢幕技術的需求和要求也日益提高，相信觸控螢幕技術將會越來越多的出現在不同的電子產品中。除此之外，觸控螢幕在汽車電子領域和零售業也有很大的發展空間，具相關權威調查，到2012年，用於汽車電子和零售業的觸控螢幕市場將會達到20億美元，占觸控螢幕產業總體市場的20%。同時在PC行業，由於微軟作業系統的不斷發展，觸控螢幕技術也將占據著十分重要的角色，再加上醫療領域、公共設施領域等方面，觸控螢幕控制技術將會得到進一步的普及，有著極好的市場前景。
中國的觸控螢幕消費市場有著極大潛力，尤其在數碼電子產品市場中，然而在觸控螢幕產業中，中國的觸控螢幕產業主要集中在產業鏈的中下游，目前遼寧瀋陽的瀋北新區也建立了手機製造中心，吸引了包括晨訊科技等手機觸控螢幕生產廠家。一方面體現了手機觸控螢幕這一強大的市場，另一方面又反映了我國觸控螢幕產業的技術含量偏低，多以加工代工為主。然而在觸控螢幕產業鏈中，觸控螢幕驅動晶片是核心，決定著觸控螢幕產品的優劣，全球各大晶片設計公司也都在致力研發高精度、低功耗的觸控螢幕驅動晶片。
電阻式觸控螢幕
電阻式觸控螢幕是一種感測器，基本上是薄膜加上玻璃的結構，薄膜和玻璃相鄰的一面上均塗有ITO（納米銦錫金屬氧化物）塗層，ITO具有很好的導電性和透明性。當觸摸操作時，薄膜下層的ITO會接觸到玻璃上層的ITO，經由感應器傳出相應的電信號，經過轉換電路送到處理器，通過運算轉化為螢幕上的X、Y值，而完成點選的動作，並呈現在螢幕上。
工作原理
基本原理
電阻觸控螢幕的工作原理主要是通過壓力感應原理來實現對螢幕內容的操作和控制的，這種觸控螢幕屏體部分是一塊與顯示器表面非常配合的多層複合薄膜，其中第一層為玻璃或有機玻璃底層，第二層為隔層，第三層為多元樹脂表層，表面還塗有一層透明的導電層，上面再蓋有一層外表面經硬化處理、光滑防刮的塑膠層。在多元脂表層表面的傳導層及玻璃層感應器是被許多微小的隔層所分隔電流通過表層，輕觸表層壓下時，接觸到底層，控制器同時從四個角讀出相稱的電流及計算手指位置的距離。這種觸控螢幕利用兩層高透明的導電層組成觸控螢幕，兩層之間距離僅為2.5微米。當手指觸控螢幕幕時，平常相互絕緣的兩層導電層就在觸摸點位置有了一個接觸，因其中一面導電層接通Y軸方向的5V均勻電壓場，使得偵測層的電壓由零變為非零，控制器偵測到這個接通後，進行A/D轉換，並將得到的電壓值與5V相比，即可得觸摸點的Y軸坐標，同理得出X軸的坐標，這就是所有電阻技術觸控螢幕共同的最基本原理。
電阻式觸控螢幕
電阻式觸控螢幕電路實現
觸控螢幕包含上下疊合的兩個透明層，四線和八線觸控螢幕由兩層具有相同表面電阻的透明阻性材料組成，五線和七線觸控螢幕由一個阻性層和一個導電層組成，通常還要用一種彈性材料來將兩層隔開。當觸控螢幕表面受到的壓力（如通過筆尖或手指進行按壓）足夠大時，頂層與底層之間會產生接觸。所有的電阻式觸控螢幕都採用分壓器原理來產生代表X坐標和Y坐標的電壓。如圖3，分壓器是通過將兩個電阻進行串聯來實現的。上面的電阻（R1）連線正參考電壓（VREF），下面的電阻（R2）接地。兩個電阻連線點處的電壓測量值與下面那個電阻的阻值成正比。
為了在電阻式觸控螢幕上的特定方向測量一個坐標，需要對一個阻性層進行偏置：將它的一邊接VREF，另一邊接地。同時，將未偏置的那一層連線到一個ADC的高阻抗輸入端。當觸控螢幕上的壓力足夠大，使兩層之間發生接觸時，電阻性表面被分隔為兩個電阻。它們的阻值與觸摸點到偏置邊緣的距離成正比。觸摸點與接地邊之間的電阻相當於分壓器中下面的那個電阻。因此，在未偏置層上測得的電壓與觸摸點到接地邊之間的距離成正比。
電阻式觸控螢幕內部渡塗的透明ITO導電薄膜有工藝要求。塗層不可太厚，否則不但會降低透光率，還會形成內反射層，降低清晰度；塗層也不可太薄，否則容易斷裂。在使用過程中，由於觸控螢幕的工作準確性需要依靠電阻網路的精密性來實現，如果某處電阻網路出現了故障將會使此處觸控螢幕觸摸失靈：觸控螢幕表面經常被觸摸，表層薄薄的一層透明ITO導電薄膜會出現細小裂紋，也會導致觸摸失靈；透明ITO導電薄膜的外層採用的是塑膠材料，沒有保護層，所以安全性較差。但是，從結構上看，電阻式觸控螢幕是一個相對封閉的系統，因此相比於其他觸控螢幕，不受外界污染物的影響，比如灰塵、水汽、油潰等，而且適合配帶手套或是不能用手直接觸摸的場合，因此能夠在惡劣環境下正常工作，適合於航空機載顯示系統。
元件分類
四線觸控螢幕
四線觸控螢幕包含兩個阻性層。其中一層在螢幕的左右邊緣各有一條垂直匯流排，另一層在螢幕的底部和頂部各有一條水平匯流排，見圖1。為了在X軸方向進行測量，將左側匯流排偏置為0V，右側匯流排偏置為VREF。將頂部或底部匯流排連線到ADC，當頂層和底層相接觸時即可作一次測量。
圖1 分壓器通過兩個電阻進行串聯實現
圖1 分壓器通過兩個電阻進行串聯實現為了在Y軸方向進行測量，將頂部匯流排偏置為VREF，底部匯流排偏置為0V。將ADC輸入端接左側匯流排或右側匯流排，當頂層與底層相接觸時即可對電壓進行測量。圖2顯示了四線觸控螢幕在兩層相接觸時的簡化模型。對於四線觸控螢幕，最理想的連線方法是將偏置為VREF的匯流排接ADC的正參考輸入端，並將設定為0V的匯流排接ADC的負參考輸入端。
圖2 四線觸控螢幕的兩個阻性層
圖2 四線觸控螢幕的兩個阻性層五線觸控螢幕
五線觸控螢幕使用了一個阻性層和一個導電層。導電層有一個觸點，通常在其一側的邊緣。阻性層的四個角上各有一個觸點。為了在X軸方向進行測量，將左上角和左下角偏置到VREF，右上角和右下角接地。由於左、右角為同一電壓，其效果與連線左右側的匯流排差不多，類似於四線觸控螢幕中採用的方法。為了沿Y軸方向進行測量，將左上角和右上角偏置為VREF，左下角和右下角偏置為0V。由於上、下角分別為同一電壓，其效果與連線頂部和底部邊緣的匯流排大致相同，類似於在四線觸控螢幕中採用的方法。這種測量算法的優點在於它使左上角和右下角的電壓保持不變；但如果採用柵格坐標，X軸和Y軸需要反向。對於五線觸控螢幕，最佳的連線方法是將左上角（偏置為VREF）接ADC的正參考輸入端，將左下角（偏置為0V）接ADC的負參考輸入端。
七線觸控螢幕
七線觸控螢幕的實現方法除了在左上角和右下角各增加一根線之外，與五線觸控螢幕相同。執行螢幕測量時，將左上角的一根線連到VREF，另一根線接SAR ADC的正參考端。同時，右下角的一根線接0V，另一根線連線SAR ADC的負參考端。導電層仍用來測量分壓器的電壓。
八線觸控螢幕
除了在每條匯流排上各增加一根線之外，八線觸控螢幕的實現方法與四線觸控螢幕相同。對於VREF匯流排，將一根線用來連線VREF，另一根線作為SAR ADC的數模轉換器的正參考輸入。對於0V匯流排，將一根線用來連線0V，另一根線作為SAR ADC的數模轉換器的負參考輸入。未偏置層上的四根線中，任何一根都可用來測量分壓器的電壓。
SAR結構與原理
SAR的實現方法很多，但它的基本結構很簡單，參見圖3。該結構將模擬輸入電壓（VIN）保存在一個跟蹤/保持器中，N位暫存器被設定為中間值（即100...0，其中最高位被設定為1），以執行二進制查找算法。因此，數模轉換器（DAC）的輸出（VDAC）為VREF的二分之一，這裡VREF為ADC的參考電壓。之後，再執行一個比較操作，以決定ⅥN小於還是大於VDAC：
圖3 SAR的基本結構
圖3 SAR的基本結構1. 如果VIN小於VDAC，比較器輸出邏輯低，N位暫存器的最高位清0。
2. 如果VIN大於VDAC，比較器輸出邏輯高（或1），N位暫存器的最高位保持為1。
其後，SAR的控制邏輯移動到下一位，將該位強制置為高，再執行下一次比較。SAR控制邏輯將重複上述順序操作，直到最後一位。當轉換完成時，暫存器中就得到了一個N位數據字。
圖4顯示了一個4位轉換過程的例子，圖中Y軸和粗線表示DAC的輸出電壓。在該例中：
1. 第一次比較中，顯示VIN小於VDAC，因此位[3]被置0。隨後DAC被設定為0b0100並執行第二次比較。
圖4 4位轉換過程
圖4 4位轉換過程2. 在第二次比較中，顯示VIN大於VDAC，因此位[2]保持為1。隨後，DAC被設定為0b0110並執行第三次比較。
3. 在第三次比較中，位[1]被置0。DAC隨後被設定為0b0101，並執行最後一次比較。
4. 在最後一次比較中，由VIN大於VDAC，位[0]保持為1。
接觸檢測
所有的觸控螢幕都能檢測到是否有觸摸發生，其方法是用一個弱上拉電阻將其中一層上拉，而用一個強下拉電阻來將另一層下拉。如果上拉層的測量電壓大於某個邏輯閾值，就表明沒有觸摸，反之則有觸摸。這種方法存在的問題在於觸控螢幕是一個巨大的電容器，此外還可能需要增加觸控螢幕引線的電容，以便濾除LCD引入的噪聲。弱上拉電阻與大電容器相連會使上升時間變長，可能導致檢測到虛假的觸摸。
圖5RTOUCH
圖5RTOUCH四線和八線觸控螢幕可以測量出接觸電阻，即圖5中的RTOUCH。RTOUCH與觸摸壓力近似成正比。要測量觸摸壓力，需要知道觸控螢幕中一層或兩層的電阻。圖6中的公式給出了計算方法。需要注意的是，如果Z1的測量值接近或等於0（在測量過程中當觸摸點靠近接地的X匯流排時），計算將出現一些問題，通過採用弱上拉方法可以有效改善這個問題。
圖6 觸控螢幕電阻的計算方式
圖6 觸控螢幕電阻的計算方式優缺點
優點
電阻式觸控螢幕的優點可歸類為：
1.電阻式觸控屏的精確度高，可到像素點的級別，適用的最大解析度可達4096x4096。
2. 螢幕不受灰塵、水汽和油污的影響，可以在較低或較高溫度的環境下使用。
3. 電阻式觸控屏使用的是壓力感應，可以用任何物體來觸摸，即便是帶著手套也可以操作，並可以用來進行手寫識別。
4. 電阻式觸控屏由於成熟的技術和較低的門檻，成本較為廉價。
缺點
電阻式觸控螢幕的缺點可歸類為：
1. 電阻式觸控屏能夠設計成多點觸控，但當兩點同時受壓時，螢幕的壓力變得不平衡，導致觸控出現誤差，因而多點觸控的實現程度較難。
2. 電阻式觸控屏較易因為劃傷等導致螢幕觸控部分受損。
電阻式多點觸控螢幕現狀研究
當今觸控螢幕的種類很多,其中不具有多點觸摸功能的觸控螢幕有電阻式,表面擾度波、表面聲波、表面電容、聲脈衝識別、應力測量觸控螢幕可以實現多點觸摸功能的有紅外矩陣、圖像LCO矩陣、紅外波導矩陣、感應電容矩陣觸控螢幕。現在隨著iphone感應電容觸控螢幕的實用化,感應電容觸控螢幕的成本也開始逐步下降。而套用最廣泛的是電阻式觸控螢幕,研究也是最廣泛的。
多點觸摸就是允許多手指之間任意地選擇和操作,這樣可以極大地豐富操作類型,而且多點操作通常可以實現智慧型的手勢識別,提供更人性化的用戶界面,現在的多點式觸控螢幕已經在技術上取得了突破,但是這些技術的套用領域都有比較大的局限性,另一個重要的原因是相應的多點觸摸的功能沒有相應的定義,智慧型手勢識別雖然從技術上能實現,但是在套用上出現套用規範的限制問題,比如,有五個點的觸摸,這些位置的組合到底意味著什麼呢？這個沒有相應的標準和規範,這樣造成了技術的泛濫,在實際的使用中沒有地方顯示出這種多點觸摸的優越性,目前定義最為明確的就是一點的定義和兩點的定義,這也符合實際的套用習慣,一些即使用上了多點觸摸功能的觸控螢幕,還是做著單點或者兩點的觸控螢幕的操作,所以這些產品利用的這些技術不得不說有些浪費。由此可見技術的套用還要依賴於需求和具體的套用,也要符合大家的套用實際。
基於以上的原因,不能實現多點觸摸的觸控螢幕在市場中占有率是最大的,只要是滿足了單點和兩點的觸摸功能也就符合了需求,這是市場給研究者最大的信息。而電阻式觸控螢幕正是市場中使用最為廣泛的一種,這個領域的研究也是最多的,但是他們的研究也給後人造成很大局限性,結論是,它不能實現多點的觸摸功能,合理的設計和技術的進步可以讓這個目標實現。電阻式觸控螢幕中研究最多的典型是四線式電阻式觸控螢幕,現在這個領域技術已經成熟,這個領域的研究已經轉向了電阻式觸控螢幕的核心器件的研究,市場上的成熟的套用器件是ADS7843,這是典型的為四線電阻式觸控螢幕開發的晶片,得到了廣泛的利用。
ADS7843是專為四線電阻式觸控螢幕設計的專用接口晶片,它可以方便地與單片機接口,對轉換信號進行處理和計算。它是一個具有可程式的8位或12位解析度的逐次逼近型A/D轉換器,如果將轉A/D換器配置為讀絕對電壓(單端模式)方式,那么驅動電壓的下降將導致轉換輸入數據的錯誤。而如果配置為差分模式,則可以避免上述錯誤。當觸控螢幕被按下時,有兩種情況可影響接觸點的電壓一種是當觸摸到顯示屏時,會導致觸控螢幕外層振動另一種是觸控螢幕頂層和低層之間的寄生電容引起的電流振盪以及在ADS7843輸入引腳上引起的電壓振盪。這兩種情況都可導致觸控螢幕上的電壓發生振盪以及增加DC值穩定的時間。使用第二種方式的另一個優點是功耗低,採用十字交叉法，得到結果,然後轉換坐標。
