Da gibt es keinen Zweifel, der Touchscreen ist in einer Vielzahl von Konsumer-, Industrie und Automotiveapplikationen das Eingabemedium der Zukunft. Die Touchscreen-Eingabe ist sehr fortgeschritten und wird durch Windows 7 einen weiteren Schub bekommen. Halbleiterfirmen bieten deshalb seit etwa vier Jahren vermehrt Controller-ICs für die Touch-Eingabe, sei es für die Abfrage von kapazitiven Tastern oder für die berührungsempfindlichen Bildschirme. Dabei beherrschen die Controller für Touchscreens weitaus komplexere Aufgaben, diese sind Gegenstand unseres Beitrags.

Touchscreen-Technologien

An Touchscreen-Technologien gibt es die resistive mit vier bis acht Drähten, des Weiteren induktive, optische, SAW, IR, Ultraschall und die weit verbreiteten kapazitiven Varianten. In Beiträgen in elektronik industrie 01/02-2010 ab S.34 und 3-2011 ab S. 36 wurden die verschiedenen Technologien ausführlich vorgestellt. Tabelle 1 vergleicht nochmals deren wesentliche Merkmale.

Multitouch-fähige Touchscreen-Controller für kapazitive Touchlösungen

Der Markt für Multitouch-fähige Controller expandiert nach Angabe von iSuppli aufgrund der steigenden globalen Nachfrage nach Smartphones und, besonders seit 2010, aufgrund des förmlich explodierenden Marktes für Tablet-PCs. Mit den zunehmenden Bildschirmdiagonalen treten aber zusätzliche Probleme auf. In dem Maße, wie die Bildschirmauflösungen und Datenraten der verwendeten Prozessoren größer werden, muss auch die Fähigkeit zur Abschirmung und Filterung von induzierter Störstrahlung der Controller steigen, eine zunehmende Herausforderung der Gerätehersteller bei der Auswahl ihrer Touchscreen-IC-Controller-Lieferanten. Wichtig ist die Immunität gegen eingestrahlte Störungen, ein Problem besonders bei großen Diagonalen und auch der Grund dafür, dass es viele Anbieter von Controllern nur für die kleineren Bildschirmdiagonalen gibt.

Über den Finger, der den Touch auslöst, kommen leider auch Störungen, die von der Umwelt aufgenommen werden. Eine unvermeidbare Störquelle ist in diesem Zusammenhang die Spannungsversorgung der Displays und der Touchscreens. Das analoge Frontend der Controller muss deshalb und zur Vermeidung von Multitouch-Gostings (Überlappung der Einzelbilder für links und rechts) ein hohes Maß an Rauschunterdrückung bieten beziehungsweise ein großes S/N-Verhältnis, wodurch in den meisten Anwendungen die Notwendigkeit für eine zusätzliche Abschirmebene auf dem Touchscreen entfällt und damit die Gesamtkosten weiter sinken. Auch in Umgebungen mit starken HF-Störungen und in Verbindung mit LCDs ist damit ein fehlerfreier Betrieb möglich. Im Folgenden stellen wir einige Touchscreen-Controller der Anbieter Atmel, Cypress, DMC/Distec, IDT/Scantec, Maxim, Microchip, Pixcir, Peratech und Texas Instruments vor.

Atmel

Bild 3: Atmel liefert mit Partnerfirmen für ITO-Folien (ITO=Indium Tin Oxide, Indiumzinnoxid) und LCDs auch komplette Lösungen.

Bild 3: Atmel liefert mit Partnerfirmen für ITO-Folien (ITO=Indium Tin Oxide, Indiumzinnoxid) und LCDs auch komplette Lösungen.Atmel

Atmel liefert seine maXTouch-Lösung für große Touchscreens bis 15 Zoll bereits in Massenstückzahlen. Der mXT1386/mXT616 Chipset ist das neueste Mitglied der maXTouch Familie und eignet sich für viele Touchanwendungen in Tablet-PCs (Bild 3), Smartbooks, mobilen Internet Devices (MIDs), Netbooks, Notebooks und auch für Industrieapplikationen. Der Atmel mXT1386/mXT616 Chipset bietet Multitouch, geringe Leistungsaufnahme, eine schnelle Reaktionszeit und ein sehr gutes S/N-Verhältnis bis 80:1, damit auch leichte Touchs erkannt werden, z. B. von Stiften (ab 2 mm), Fingernägeln oder von behandschuhten Händen.

Atmel liefert mit Partnerfirmen für ITO-Folien (ITO=Indium Tin Oxide, Indiumzinnoxid) und LCDs auch komplette Lösungen. Die maXTouch-Technologie umfasst auch Softwaretreiber für eine Reihe von Betriebssystemen einschließlich Android (die meisten Geräte mit Android verwenden Touchcontroller von Atmel), Linux, Windows und webOS. Der Atmel mXT1386 hat das „Compatible with Windows 7″-Logo für mehr als 10 Multitouches auf einem 10,1 Zoll-maXTouch-Technologie-Touchscreen-Gerät erhalten. Die neue maxTouch E-Serie umfasst vier Controller. Die auf 32-Bit-AVR basierten Versionen mXT768E, 540E und 384E für Tablets mit Diagonalen bis 12 Zoll sowie den auf 8-Bit AVR basierten 224E für kleine Displays. Die 32-Bit-Versionen bieten bis zu 786 Abtastkanäle, eine Scanrate von 150 Hz und ein SNR von 80:1.

Cypress

Die auf der Embedded World 2011 vorgestellte CY8CTMA884-True-Touch-Familie unterstützt mit 60 Abtastkanälen insgesamt 884 Knoten und übertrifft damit jede andere Single-Chip-Lösung (Bild 5).

Bild 4: Mit der mTouch Projected Capacitive Touch-Screen Sensing-Technologie ist Multitouch und Gestigerkennung mit PIC-Controllern möglich.

Bild 4: Mit der mTouch Projected Capacitive Touch-Screen Sensing-Technologie ist Multitouch und Gestigerkennung mit PIC-Controllern möglich.Bild: Microchip

Eine größere Zahl von Abtastkanälen ist entscheidend, um mehr Genauigkeit und Linearität zu erzielen, kleinere Finger zu unterstützen und mehrere nahe beieinander liegende Finger zu unterscheiden. Abgesehen davon weist die CY8CTMA884-Familie alle Vorteile auf, die die Anwender neben einer extrem hohen Störfestigkeit von True-Touch-Bausteinen erwarten. Dies sind die Unterstützung für bis zu 10 Fingerdrücke, geringe Leistungsaufnahme, Unterdrückung von Griffen und Handballen-Berührungen, hohe Genauigkeit und kurze Scanzeiten. Alle wichtigen Tablet-Betriebssysteme werden unterstützt, außerdem arbeitet man mit allen führenden Anbietern von ITO-Folien (ITO=Indium Tin Oxide, Indiumzinnoxid) zusammen.
Cypress bietet in der gesamten Industrie das umfangreichste Lösungs-Portfolio für kapazitive Touchscreens, unter anderem mit Single-Touch-, Multitouch-Gesture- und Multitouch All-Point-Lösungen. Cypress war außerdem das erste Unternehmen, das die Multitouch-All-Point-Funktionalität einführte, mit der sich 10 oder mehr Berührungen gleichzeitig verfolgen lassen und die bereits 2008 Eingang in die Massenproduktion gefunden hat.

IDT

Integrated Device Technology (Vertrieb: Scantec) kündigte im Januar 2011 das industrieweit erste Touchscreen-Controller-IC an, das für IDTs eigene kapazitive Single-Layer Multi-Touch-Technologie optimiert wurde. Diese neue Touch-Screen-Technologie revolutioniert den Markt, da sie eine echte Single-Layer-Lösung bietet, d.h. keine isolierten Kreuzungspunkte benötigt wie andere Lösungen, dabei aber über volle Multi-Touch-Eigenschaften verfügt. Damit sinken die gesamten Systemkosten, ohne Einschränkungen bei Merkmalen oder Leistungsumfang. Typische Anwendungen sind Bildschirmgrößen bis zu 5 Zoll. Die beiden ICs IDT LDS7000 und LDS7001 sind leistungsfähige Multi-Touch Full-Resolution Touch-Screen-Controller ICs mit 30 oder 35 Sensor-Kanälen (Bild 1).

Bild 1: Diese neue Touch-Screen-Technologie von IDT revolutioniert den Markt, da sie eine echte Single-Layer-Lösung bietet, somit keine isolierten Kreuzungspunkte benötigt wie andere Lösungen, dabei aber über volle Multi-Touch-Eigenschaften verfügt.

Bild 1: Diese neue Touch-Screen-Technologie von IDT revolutioniert den Markt, da sie eine echte Single-Layer-Lösung bietet, somit keine isolierten Kreuzungspunkte benötigt wie andere Lösungen, dabei aber über volle Multi-Touch-Eigenschaften verfügt.IDT/Scantec

Beide Controller arbeiten mit 8 ms Datenrate für eine schnelle Reaktion auf Berührimpulse, verbessern damit die Anwendererfahrung und ermöglichen komplexe Anwendungen, die eine schnelle Reaktion brauchen. Die proprietären Algorithmen der IDT LDS7000-Familie verhindern das Auftreten unerwünschten „Multi-Touch-Ghostings“, liefern sehr genaue X- und Y-Koordinaten auch im Dual-Touch-Mode, was eine entscheidende Anforderung für jene Entwickler ist, die mit anwendungsspezifischen, vom Host interpretierten Gesten ihre Produkte differenzieren wollen. Das analoge Frontend bietet ein hohes Maß an Rauschunterdrückung. Die beiden ICs IDT LDS7000 und LDS7001 bieten native Unterstützung für 10 Bit Auflösung (1024 x 1024) und die Möglichkeit, die Touch-Werte für die X- und Y-Achsen zu skalieren. Damit bieten sie die Flexibilität zum Einsatz für LCD- und AMOLED-Panels mit unterschiedlichen Auflösungen. Zusätzlich bieten sie als Single-Layer-Lösung verbesserte Transparenz für die Hintergrundbeleuchtung und mit ihren Low-Power-Betriebsarten längere Batteriestandzeiten in tragbaren Geräten.

Maxim

Bild 2: Die TacTouch-Produkte bieten höchste Empfindlichkeit und Störfestigkeit und sind nach Angabe von Maxim die einzigen Controller dieser Art, die es ermöglichen, Touchscreens auch mit einem Fine-Tip-Kugelschreiber oder mit behandschuhten Händen zu be

Bild 2: Die TacTouch-Produkte bieten höchste Empfindlichkeit und Störfestigkeit und sind nach Angabe von Maxim die einzigen Controller dieser Art, die es ermöglichen, Touchscreens auch mit einem Fine-Tip-Kugelschreiber oder mit behandschuhten Händen zu beIDT/Scantec

Auf dem Mobile World Congress 2011 präsentierte Maxim die ICs MAX11855 und MAX11871 (Bild 2). Dabei handelt es sich um Controller für kapazitive Touchscreens, die eine 4-Punkte- bzw. 10-Punkte-Erkennung ermöglichen und deren Empfindlichkeit und Störfestigkeit neue Maßstäbe setzen. Die TacTouch-Familie an Controllern für kapazitive Touchscreens zeichnet sich durch die gute Analog- und Mixed-Signal-Leistung aus und deckt unterschiedliche Preis-/Leistungsanforderungen von OEMs ab. Die neuesten TacTouch-Produkte bieten höchste Empfindlichkeit und Störfestigkeit und sind nach Angabe der Firma die einzigen Controller dieser Art, die es ermöglichen, Touchscreens auch mit einem Fine-Tip-Kugelschreiber oder mit behandschuhten Händen zu bedienen, auch lange Fingernägel sind kein Problem mehr.

MAX11871 ist ein Gegenkapazität-Touch-Screen-Controller, der bis zu 10 Fingerberührungen gleichzeitig erkennen kann. Er liefert bis zu zehn X/Y-Berührungskoordinaten plus einen Druckwert (Z-Achse) pro Koordinate, die über eine I2C-Schnittstelle zu einem µC übertragen werden. Der analoge Eingangsteil bietet einen Signal/Rauschabstand (SNR) von fast 60 dB – das entspricht einem Verhältnis von 1000:1 zwischen „berührt“ und „nicht berührt“. Dieser Wert ist um eine Größenordnung (10x) höher als bei anderen Lösungen am Markt. Der große Signal/Rauschabstand ermöglicht die Erkennung sehr kleiner Kapazitätsänderungen im Femto-Farad-Bereich, beispielsweise durch eine Handbewegung in der Nähe des Bildschirms (Näherungserkennung) oder durch Berührung mit einem Fine-tip-Stift oder -Kugelschreiber oder einer behandschuhten Hand.

Durch den großen Signal/Rauschabstand kann der Berührungspunkt außerdem weiter vom Sensor entfernt sein; das ermöglicht Touchscreens mit einer dickeren und dadurch robusteren Glas- oder Kunststoffoberfläche. Der MAX11871 basiert auf einer proprietären Architektur zur Unterdrückung von Rauschen (um über 40dB) aus externen Quellen und kann so in On-cell- und In-cell-Touch-Screens der nächsten Generation verwendet werden. Es sind keinerlei externe Bauteile erforderlich. Wenn eine 4-Punkte-Erkennung ausreicht, bieten die Chips MAX11855/MAX11856 eine von „Geistereffekten“ freie 4-Finger-Multitouch-Lösung.

Microchip

Microchip kündigte im Mai 2010 die Verfügbarkeit seiner mTouch Projected Capacitive Touch-Screen Sensing-Technologie an, die auf den 8-, 16- und 32-bit PIC MCUs implementiert wurde (Bild 4).

Bild 5: CY8CTMA884-True Touch Familie unterstützt mit 60 Abtastkanälen insgesamt 884 Knoten und übertrifft damit jede andere Single-Chip-Lösung.

Bild 5: CY8CTMA884-True Touch Familie unterstützt mit 60 Abtastkanälen insgesamt 884 Knoten und übertrifft damit jede andere Single-Chip-Lösung.Bild: Cypress

Mit dieser Technologie ist Multitouch und Gestigerkennung möglich, sie wurde erstmals auf dem PIC16F707 implementiert und bietet dort zwei 16-Kanal Capacitive Sensing Modules (CSMs), die zur Erhöhung der Abtastrate parallel betrieben werden können. Die Controller arbeiten an einem weiten Versorgungsspannungsbereich von 1,8 bis 5,5 V, wobei sie in einer typischen Projected kapazitiven Sensorapplikation einen Strom von nur 1,5 mA bei 5 V benötigen.

Pixcir

Pixcir Microelectronics produziert Chips, mit denen sich auch große Touchscreens steuern lassen, wobei es gegenüber der maxTouch-Lösung von Atmel, die auch große Touchscreens ansteuern kann, keine Größenbeschränkung gibt. Den technologischen Vorsprung verdankt das chinesische Unternehmen seiner Vertretung in der Schweiz: Entwickelt werden die Chips mit Weltmarktpotenzial in Zürich. Der Tango-Chip von Pixcir ist unempfindlich gegen Einflüsse durch die Versorgungsspannung, ein Problem bei großen Diagonalen. Ist der Touchscreen schlecht geerdet, beginnt das Bild zu tanzen und eine Erkennung der Finger ist zu ungenau. Pixcir hat das Problem im Griff und kann den Tango-Controller bereits für Diagonalen bis 22 Zoll einsetzen und in einem Demonstrator dabei bis zu 16 Fingertouches erkennen. Die Firma geht zurzeit gerichtlich gegen eine taiwanesische Halbleiterfirma vor, die den Tango-Chip nachbaut.

Touchscreen-Controller für resistive Touchlösungen
DMC/Distec

Der Touchscreen Controller TSC-34/RU (inkl. EEPROM) des Herstellers DMC (Vertrieb: Distec) verbindet Touchscreens, die nach dem 4-Draht analog-resistiven Verfahren arbeiten. Über eine USB2.0- oder RS232-Schnittstelle wird die Anordnung mit einem Computer verbunden. Der TSC-34/RU wertet die vom Touchscreen als „berührt“ gemeldete Stelle aus und gibt diese als Koordinatensignal an den Computer weiter. Dieses Koordinatensignal wird dann von der Touchtreibersoftware wie das Signal einer Eingabemaus behandelt. Streift man mit dem Finger über den Touchscreen, so folgt der Mauszeiger dem Finger. Ein „Tippen“ auf den Bildschirm entspricht dem „Anklicken“ mit der linken Maustaste. Die Empfindlichkeit und andere Eigenschaften lassen sich über die Treibersoftware einstellen. Die Auflösung des TSC-34/RU beträgt 10 Bit (1024 x 1024 Punkte), er unterstützt alle üblichen 4-Draht Touchscreens.

Microchip

Neben dem PIC16F707 bietet Microchip den AR1000 Controller für die Unterstützung von universellen resistiven 4-, 5- und 8-Draht-Touchlösungen, sie haben SPI-, I2C- und UART-Schnittstellen und sind in QFN20, SOIC20 und SSOP20 erhältlich.

Texas Instruments

Der Touchpanelcontroller TSC2046 ist die neueste Version der 4-Draht-Touchscreen-Controller der Familie ADS7846. Sie unterstützt low-Voltage I/O-Schnittstellen von 1,5 V bis 5,25 V und ist 100% Pin-kompatibel mit ADS7846, was einfache Aufrüstung bestehender Applikationen ermöglicht. Der TSC2046 enthält eine zur Stromersparnis abschaltbare on-Chip-2,5-V-Referenz, die auch für externe Eingänge verwendet werden kann, für das Batteriemonitoring und für Temperaturmessungen. Die interne Referenz arbeitet bis 2,7 V Versorgungsspannung, kann aber Batteriespannungen von 0 V bis 6 V überwachen. Der Leistungsverbrauch des Controllers beträgt nur < 0,75 mW typisch bei 2,7 V.

Touchscreens mit taktiler Rückmeldung

Die zu Maxims TacTouch-Familie von Haptik- und Touch-Screen-Controllern gehörenden ICs MAX11871 und MAX11855/MAX11856 können direkt mit den kürzlich vorgestellten Haptik-Controllern/Treibern MAX11835/ MAX11836 für Piezo-Aktoren und elektro-aktive Polymere kommunizieren. Im Vergleich zu herkömmlichen Niederspannungsmotoren bieten diese Hochspannungsaktoren ein überlegenes taktiles Feedback, sie geben dem Benutzer das Gefühl, auf dem Touch-Screen eine Taste zu drücken. Der aus zwei ICs bestehende Touch-Screen/Haptik-Controller-Chipsatz bietet alles, was für Touch-Anwendungen mit taktilem Feedback benötigt wird, einschließlich Unterstützung für bereichs- und druckabhängiges Feedback. Die beiden Bausteine, die Touchscreens um ein besonderes Merkmal ergänzen, sind bereits in Stückzahlen lieferbar.

„See through QTC Clear“ will Touchscreens revolutionieren

Peratech hat eine „see through version“ seines Quantum Tunnelling Composite (QTC) Materials, genannt QTC Clear, entwickelt. Mit dem Kraft detektierenden Material können völlig neue Arten von Touchscreens aufgebaut werden, die resistive Touchscreens ersetzen oder kapazitive verbessern – bis hin zur 3D-Eingabe. Bei Verwendung von QTC Clear werden die Nachteile der resistiven und kapazitiven Technologien überwunden.
Es kann in jeder Größe hergestellt werden, ist hochempfindlich mit bester Genauigkeit und bietet die schon genannte 3D-Erkennung. Resistive Touchscreenhersteller können mit QTC Clear ihre Produkte unter Verwendung der bestehende Fertigungslinie upgraden. Kapazitive Touchscreenhersteller können zusätzliche Merkmale anbringen wie die Touchaktivierung der kapazitiven Matrix, 3D-Menüs, variable Leitungsbreiten und mehr intuitive Spielinteraktionen. Dabei ist der zusätzliche Elektronikaufwand sehr gering.
Das QTC Clear Material ist nur 6 bis 8 Micron dick und transparent wie bestehende Touchscreen-Technologien. Es ist zwischen zwei Lagen von ITO (Indium Tin Oxide) eingebettet, welche sich wiederum zwischen zwei stabilen Lagen befinden, typischerweise zwischen Glas. Das Material ist so empfindlich, dass es Verformungen von einigen Micron detektiert. Bei QTC fließt, wenn keine Kraft einwirkt, kein Strom im Gegensatz zu den kapazitiven Lösungen, bei denen immer Strom fließt, was zu EMV-Problemen führen kann.