【導讀】與鍵盤和鼠標相比，人們越來越傾向于使用觸摸屏作為人機界面 (HMI)，對消費者、企業和工業系統進行編程、配置和控制。觸摸屏更直觀、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。
與鍵盤和鼠標相比，人們越來越傾向于使用觸摸屏作為人機界面 (HMI)，對消費者、企業和工業系統進行編程、配置和控制。觸摸屏更直觀、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，這意味著它們必須堅固耐用，既可以裸指操作，也可以戴著手套操作，同時還要經濟高效。電阻式觸摸屏可以滿足這些要求，但設計人員需要能夠利用現成即用的解決方案快速進入市場，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和五線電阻式觸摸屏接口之間的區別。
本文簡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，說明了如何使用這些產品進行設計。
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，可讓用戶通過觸摸特定區域與所顯示的符號進行交互。觸摸屏可以檢測手指或手寫筆觸點的精確位置。然后，應用軟件會根據該位置確定屏幕上應進一步執行的操作。
由于電阻式觸摸屏價格低廉、堅固耐用，可以裸指、戴著手套或用手寫筆進行操作，因此適用于各類消費者、零售、企業、工業和醫療應用。該技術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。
非導電隔離點將塑料薄膜與玻璃或丙烯酸基板隔開。當用手指或手寫筆以一到兩牛頓 (N) 的力度按壓塑料薄膜時，薄膜便會接觸基板，從而有效地閉合局部受壓區域的開關。帶有四線或五線連接器的控制器板可以確定閉合開關的位置，軟件也會做出相應的反應（圖 1）。
圖 1：電阻式觸摸屏通過觸摸操作使兩個導電表面相接觸進行工作。（圖片來源：NKK Switches）
電阻式觸摸屏被廣泛用于要求成本低、堅固耐用、可戴著手套或使用非導電手寫筆操作的應用。此類產品通常能夠經受數百萬甚至數千萬次的觸摸操作，而不會出現故障。此外，電阻式觸摸屏還可制造為具有防水和防化學品飛濺功能的產品。
四線與五線觸摸屏配置的區別
四線觸摸屏在底板和頂板上各裝有兩個電極。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 2：四線電阻式觸摸屏在底板和頂板上各裝有兩個邊緣電極。這兩對電極相互垂直，從而確定觸點的 XY 位置。（圖片來源：NKK Switches）
在手指觸點處，底層可有效地將頂層分為兩個串聯電阻。而頂層同樣也在觸點處對底層進行分壓。通過適當的偏置，每塊板都能起到分壓器的作用，其中輸出電壓即代表觸點坐標。
在五線系統中，頂板有四個邊緣電極，作為電壓感應節點。底板的四個角形成電極，在 X 和 Y 方向上產生電壓梯度。使用不同的偏置配置獲得 X 和 Y 方向的測量值（圖 3）。
圖 3：五線電阻式觸摸屏在底板上使用四個角落電極，以在 X 和 Y 方向上產生電壓梯度，并在頂板上使用兩對邊緣電極來感應電壓。（圖片來源：NKK Switches）
在五線結構中，只有底板是活動的。這意味著即使頂板損壞，觸摸屏仍能正常工作。相反，四線觸摸屏的兩塊板都是活動的；頂板損壞會導致觸摸屏失靈。五線觸摸屏往往更耐用，但代價是其設計更為復雜，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）不等的各種屏幕尺寸，有四線和五線兩種配置，觸摸激活力度為 1.4 N（表 1）。這兩個版本都有一個連接到控制器板的柔性電路尾端。
表 1：通過對四線和五線電阻式觸摸屏進行比較，可以看出五線電阻式觸摸屏的使用壽命更長（以點擊次數為單位）。（圖片來源：NKK Switches）
FTAS00-5.7AS-4A 是一款 5.7 英寸四線型電阻式觸摸屏，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 萬次書寫或 100 萬次點擊。
FTAS00-10.4A-5 是一款 10.4 英寸五線型電阻式觸摸屏，在 5.5 VDC 下電流為 1 mA，XY 電阻值為 20 Ω 至 80 Ω，線性度為 2%，絕緣阻抗為 10 MΩ。預期使用壽命為 5 萬次書寫或 1,000 萬次點擊。
無論是四線還是五線觸摸屏產品，NKK 均提供帶有 RS232C 或 USB 接口的控制器。控制器板隨附與 Windows 7、8 和 10 兼容的設備驅動程序軟件。FTCS04C 和 FTCU04B 分別是用于 NKK 四線觸摸屏的 RS232C 和 USB 接口控制器板，而 FTCS05B 和 FTCU05B 則是用于五線觸摸屏的同類產品。
電阻式觸摸屏入門
四線與五線觸摸屏的設計過程類似。RS232C 和 USB 四線控制器板的核心是 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，控制器 IC 會利用 ADC 檢測到的模擬電壓值確定坐標，并通過 RS232C 或 USB 接口將坐標轉發到主機（圖 4）。
圖 4：FTCSU548 控制器 IC (IC1) 安裝在 FTCU04B（四線 USB）控制器板上。CN1（左）是觸摸屏四線柔性電路尾端的連接器。（圖片來源：NKK Switches）
觸摸屏的四線柔性電路尾端通過 CN1 與控制器板連接。控制器板通過 CN4 與主機 PC 連接。CN4 USB 接口同時為控制器板供電。主機會運行設備驅動程序和觸摸屏應用軟件（圖 5）。
圖 5：典型的四線 USB 控制器板和主機 PC 配置。（圖片來源：NKK Switches）
設計建議
電阻式觸摸屏在安裝時需要校準。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”才能進行校準。然后，PC 會在觸摸屏上顯示一個參考點 (P1)，操作人員用手寫筆按壓該點，ADC 電壓信息就會通過控制器板發送到 PC。隨后在觸摸屏另一處的第二個點 (P2) 重復這一過程。P1 和 P2 的物理坐標以 8 字節數字的形式發送到 PC。接下來，再將觸摸屏設置為“校準數據模式”，應用軟件會使用兩個已知點的電壓和坐標讀數，加上內置的“0,0”參考點，對校準數據模式區域內的所有其他坐標插值（圖 6）。
圖 6：由于電阻會隨著觸摸屏的老化而發生變化，因此需要在初始配置時進行校準，并在之后定期校準。（圖片來源：NKK Switches）
屏幕的電阻會隨著器件的老化而發生變化，因此在整個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”。為了防止抖動，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。
設計人員還必須注意不要在軟件中指示用戶同時點擊兩個觸摸屏區域。該技術無法分辨兩個獨立的觸點，會默認為兩點之間的中點。最后，當使用手寫筆在屏幕上畫線時，屏幕中將兩層隔開的隔離點上方會出現斷點。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、可裸手或戴著手套或者使用非導電手寫筆操作的應用中作為 HMI。為了簡化實施過程，NKK 的商用解決方案涵蓋了觸摸屏覆蓋層、帶有專用控制器 IC 的控制器板，以及設備驅動程序軟件。
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