【導讀】與鍵盤(pán)和鼠標相比，人們越來(lái)越傾向于使用觸摸屏作為人機界面 (HMI)，對消費者、企業(yè)和工業(yè)系統進(jìn)行編程、配置和控制。觸摸屏更直觀(guān)、速度快，采用單一的集成接口，可取代多種輸入設備。此外，還能為殘障人士提供更大的便利，并且可制成十分小巧的尺寸。
與鍵盤(pán)和鼠標相比，人們越來(lái)越傾向于使用觸摸屏作為人機界面 (HMI)，對消費者、企業(yè)和工業(yè)系統進(jìn)行編程、配置和控制。觸摸屏更直觀(guān)、速度快，采用單一的集成接口，可取代多種輸入設備。此外，還能為殘障人士提供更大的便利，并且可制成十分小巧的尺寸。
觸摸屏的應用范圍非常廣泛，這意味著(zhù)它們必須堅固耐用，既可以裸指操作，也可以戴著(zhù)手套操作，同時(shí)還要經(jīng)濟高效。電阻式觸摸屏可以滿(mǎn)足這些要求，但設計人員需要能夠利用現成即用的解決方案快速進(jìn)入市場(chǎng)，其中就包含與適當的控制器配套使用的觸摸屏。他們還必須了解四線(xiàn)和五線(xiàn)電阻式觸摸屏接口之間的區別。
本文簡(jiǎn)要介紹了電阻式觸摸屏。隨后以 NKK Switches 的觸摸屏和控制器為例，說(shuō)明了如何使用這些產(chǎn)品進(jìn)行設計。
電阻式觸摸屏的工作原理
電阻式觸摸屏是覆蓋在平板顯示器上的獨立組件。觸摸屏與控制器結合使用，可讓用戶(hù)通過(guò)觸摸特定區域與所顯示的符號進(jìn)行交互。觸摸屏可以檢測手指或手寫(xiě)筆觸點(diǎn)的精確位置。然后，應用軟件會(huì )根據該位置確定屏幕上應進(jìn)一步執行的操作。
由于電阻式觸摸屏價(jià)格低廉、堅固耐用，可以裸指、戴著(zhù)手套或用手寫(xiě)筆進(jìn)行操作，因此適用于各類(lèi)消費者、零售、企業(yè)、工業(yè)和醫療應用。該技術(shù)采用一種可變形的塑料薄膜，薄膜背面涂有一層導電材料，例如氧化銦錫 (ITO)。觸摸屏的背面由玻璃或丙烯酸基板構成，其正面也有一層 ITO。
非導電隔離點(diǎn)將塑料薄膜與玻璃或丙烯酸基板隔開(kāi)。當用手指或手寫(xiě)筆以一到兩牛頓 (N) 的力度按壓塑料薄膜時(shí)，薄膜便會(huì )接觸基板，從而有效地閉合局部受壓區域的開(kāi)關(guān)。帶有四線(xiàn)或五線(xiàn)連接器的控制器板可以確定閉合開(kāi)關(guān)的位置，軟件也會(huì )做出相應的反應（圖 1）。
圖 1：電阻式觸摸屏通過(guò)觸摸操作使兩個(gè)導電表面相接觸進(jìn)行工作。（圖片來(lái)源：NKK Switches）
電阻式觸摸屏被廣泛用于要求成本低、堅固耐用、可戴著(zhù)手套或使用非導電手寫(xiě)筆操作的應用。此類(lèi)產(chǎn)品通常能夠經(jīng)受數百萬(wàn)甚至數千萬(wàn)次的觸摸操作，而不會(huì )出現故障。此外，電阻式觸摸屏還可制造為具有防水和防化學(xué)品飛濺功能的產(chǎn)品。
四線(xiàn)與五線(xiàn)觸摸屏配置的區別
四線(xiàn)觸摸屏在底板和頂板上各裝有兩個(gè)電極。底板上的電極沿 Y 軸延伸，使其能夠測量沿 X 軸的電阻。同樣，頂板上的邊緣電極沿 X 軸延伸，使其能夠測量沿 Y 軸的電阻（圖 2）。
圖 2：四線(xiàn)電阻式觸摸屏在底板和頂板上各裝有兩個(gè)邊緣電極。這兩對電極相互垂直，從而確定觸點(diǎn)的 XY 位置。（圖片來(lái)源：NKK Switches）
在手指觸點(diǎn)處，底層可有效地將頂層分為兩個(gè)串聯(lián)電阻。而頂層同樣也在觸點(diǎn)處對底層進(jìn)行分壓。通過(guò)適當的偏置，每塊板都能起到分壓器的作用，其中輸出電壓即代表觸點(diǎn)坐標。
在五線(xiàn)系統中，頂板有四個(gè)邊緣電極，作為電壓感應節點(diǎn)。底板的四個(gè)角形成電極，在 X 和 Y 方向上產(chǎn)生電壓梯度。使用不同的偏置配置獲得 X 和 Y 方向的測量值（圖 3）。
圖 3：五線(xiàn)電阻式觸摸屏在底板上使用四個(gè)角落電極，以在 X 和 Y 方向上產(chǎn)生電壓梯度，并在頂板上使用兩對邊緣電極來(lái)感應電壓。（圖片來(lái)源：NKK Switches）
在五線(xiàn)結構中，只有底板是活動(dòng)的。這意味著(zhù)即使頂板損壞，觸摸屏仍能正常工作。相反，四線(xiàn)觸摸屏的兩塊板都是活動(dòng)的；頂板損壞會(huì )導致觸摸屏失靈。五線(xiàn)觸摸屏往往更耐用，但代價(jià)是其設計更為復雜，成本也更高。
商用電阻式觸摸屏解決方案
為了盡可能降低復雜性并加快產(chǎn)品上市速度，NKK 為觸摸屏和配套的控制器提供了成熟的商用解決方案。設計人員仍然可以選擇從 NKK 購買(mǎi)觸摸屏，并將其與其他供應商或自有的控制器配套使用。
NKK 的 FT 系列是電阻式觸摸屏的典范。該系列提供從 5.7 英寸到 15.6 英寸（對角線(xiàn)）不等的各種屏幕尺寸，有四線(xiàn)和五線(xiàn)兩種配置，觸摸激活力度為 1.4 N（表 1）。這兩個(gè)版本都有一個(gè)連接到控制器板的柔性電路尾端。
表 1：通過(guò)對四線(xiàn)和五線(xiàn)電阻式觸摸屏進(jìn)行比較，可以看出五線(xiàn)電阻式觸摸屏的使用壽命更長(cháng)（以點(diǎn)擊次數為單位）。（圖片來(lái)源：NKK Switches）
FTAS00-5.7AS-4A 是一款 5.7 英寸四線(xiàn)型電阻式觸摸屏，在 5 VDC 下電流為 1 mA，XY 電阻值為 250 Ω 至 850 Ω，線(xiàn)性度為 1.5%，絕緣阻抗為 10 MΩ。觸摸屏的預期使用壽命為 5 萬(wàn)次書(shū)寫(xiě)或 100 萬(wàn)次點(diǎn)擊。
FTAS00-10.4A-5 是一款 10.4 英寸五線(xiàn)型電阻式觸摸屏，在 5.5 VDC 下電流為 1 mA，XY 電阻值為 20 Ω 至 80 Ω，線(xiàn)性度為 2%，絕緣阻抗為 10 MΩ。預期使用壽命為 5 萬(wàn)次書(shū)寫(xiě)或 1,000 萬(wàn)次點(diǎn)擊。
無(wú)論是四線(xiàn)還是五線(xiàn)觸摸屏產(chǎn)品，NKK 均提供帶有 RS232C 或 USB 接口的控制器?？刂破靼咫S附與 Windows 7、8 和 10 兼容的設備驅動(dòng)程序軟件。FTCS04C 和 FTCU04B 分別是用于 NKK 四線(xiàn)觸摸屏的 RS232C 和 USB 接口控制器板，而 FTCS05B 和 FTCU05B 則是用于五線(xiàn)觸摸屏的同類(lèi)產(chǎn)品。
電阻式觸摸屏入門(mén)
四線(xiàn)與五線(xiàn)觸摸屏的設計過(guò)程類(lèi)似。RS232C 和 USB 四線(xiàn)控制器板的核心是 FTCSU548 控制器芯片。這款 48 引腳 LFQFP IC 配備異步串行接口和全速 USB 2.0 接口。該器件由 3.3 V 至 5 V 電源供電（用于 RS232C），或由 5 V 電源供電（用于 USB），額定輸出電流為 170 mA，工作頻率為 16 MHz，模數轉換器 (ADC) 分辨率為 10 位。該芯片具有內置校準功能。
按壓觸摸屏時(shí)，控制器 IC 會(huì )利用 ADC 檢測到的模擬電壓值確定坐標，并通過(guò) RS232C 或 USB 接口將坐標轉發(fā)到主機（圖 4）。
圖 4：FTCSU548 控制器 IC (IC1) 安裝在 FTCU04B（四線(xiàn) USB）控制器板上。CN1（左）是觸摸屏四線(xiàn)柔性電路尾端的連接器。（圖片來(lái)源：NKK Switches）
觸摸屏的四線(xiàn)柔性電路尾端通過(guò) CN1 與控制器板連接?？刂破靼逋ㄟ^(guò) CN4 與主機 PC 連接。CN4 USB 接口同時(shí)為控制器板供電。主機會(huì )運行設備驅動(dòng)程序和觸摸屏應用軟件（圖 5）。
圖 5：典型的四線(xiàn) USB 控制器板和主機 PC 配置。（圖片來(lái)源：NKK Switches）
設計建議
電阻式觸摸屏在安裝時(shí)需要校準。FTCSU548 控制器 IC 內置有校準功能。首先，必須將控制器 IC 設置為“源數據模式”才能進(jìn)行校準。然后，PC 會(huì )在觸摸屏上顯示一個(gè)參考點(diǎn) (P1)，操作人員用手寫(xiě)筆按壓該點(diǎn)，ADC 電壓信息就會(huì )通過(guò)控制器板發(fā)送到 PC。隨后在觸摸屏另一處的第二個(gè)點(diǎn) (P2) 重復這一過(guò)程。P1 和 P2 的物理坐標以 8 字節數字的形式發(fā)送到 PC。接下來(lái)，再將觸摸屏設置為“校準數據模式”，應用軟件會(huì )使用兩個(gè)已知點(diǎn)的電壓和坐標讀數，加上內置的“0,0”參考點(diǎn)，對校準數據模式區域內的所有其他坐標插值（圖 6）。
圖 6：由于電阻會(huì )隨著(zhù)觸摸屏的老化而發(fā)生變化，因此需要在初始配置時(shí)進(jìn)行校準，并在之后定期校準。（圖片來(lái)源：NKK Switches）
屏幕的電阻會(huì )隨著(zhù)器件的老化而發(fā)生變化，因此在整個(gè)使用壽命內需要反復校準。
最重要的是，必須將顯示器件框架接地以防止電磁干擾 (EMI)。此外，手指的初始接觸電阻也可能導致“抖動(dòng)”。為了防止抖動(dòng)，可使用內置延遲功能，讓電壓在系統計算坐標之前穩定下來(lái)。
設計人員還必須注意不要在軟件中指示用戶(hù)同時(shí)點(diǎn)擊兩個(gè)觸摸屏區域。該技術(shù)無(wú)法分辨兩個(gè)獨立的觸點(diǎn)，會(huì )默認為兩點(diǎn)之間的中點(diǎn)。最后，當使用手寫(xiě)筆在屏幕上畫(huà)線(xiàn)時(shí)，屏幕中將兩層隔開(kāi)的隔離點(diǎn)上方會(huì )出現斷點(diǎn)。設計人員應確保應用軟件能填補這些缺陷。
總結
電阻式觸摸屏適用于在要求成本低、堅固耐用、可裸手或戴著(zhù)手套或者使用非導電手寫(xiě)筆操作的應用中作為 HMI。為了簡(jiǎn)化實(shí)施過(guò)程，NKK 的商用解決方案涵蓋了觸摸屏覆蓋層、帶有專(zhuān)用控制器 IC 的控制器板，以及設備驅動(dòng)程序軟件。
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