Bild 6: Der kleinste PCAP-Controller (61 mm × 64 mm) im neuen ZXY500-Sortiment unterstützt Touch-Sensoren bis zu ca. 19 Zoll. Zytronic

(Bild: Zytronic)

Eckdaten

Eine neue Generation von Touch-Controllern wird das Design industrieller projektiv-kapazitiver (PCAP) -Touchscreens durch technische Innovationen verändern, die bessere Leistungen und Funktionalitäten bieten. Wesentlich höhere Betriebsspannungen sorgen für eine höhere Toleranz gegenüber ungünstigen Bedingungen. Dieser Artikel zeigt potenzielle Probleme bei der Entwicklung von Touch-Schnittstellen für industrielle Anwendungen auf und erläutert, wie neueste Touch-Controller und deren Funktionalitäten Ingenieuren dabei helfen können, derartige Probleme zu überwinden.

Der wichtigste Faktor in Bezug auf die Leistung von PCAP-Touchscreens ist deren Rauschunempfindlichkeit. Wenn der Touch-Controller vom Sensor ein Signal erhält, muss er zwischen echten und falschen (weil von elektromagnetischen Interferenzen, kurz EMI, erzeugten) Berührungen unterscheiden. Ein fest auf den Bildschirm gedrückter Finger sorgt für ein eindeutiges Signal. Das Signal fällt jedoch schwächer aus, wenn der Benutzer Handschuhe trägt, den Bildschirm nur leicht berührt, der Bildschirm sich hinter einem dicken Abdeckglas befindet und/oder die Oberfläche verschmutzt ist.

Bessere Sensibilität

Der Schlüssel zur Verbesserung der Sensibilität ist das vom Touch-Controller auf das Transmit (Tx)-Elektroden-Array des Sensors aufgebrachte Betriebssignal. Die Stärke dieses Signals ist ein klassischer Kompromiss. Ein Signal mit niedriger Spannung kann durch EMI aus der Umgebung übermannt werden, während eine hohe Betriebsspannung Interferenzen im Sensor selbst verursachen kann, was potenziell die Leistung mindert.

Bild 1: Der flexible PCAP-Herstellungsprozess.

Der flexible PCAP-Herstellungsprozess. Zytronic

Bild 2: Die neuen Controller ermöglichen eine erhebliche Verringerung der Umrandung der auf Berührungen reagierenden Bereiche des Bildschirms.

Die neuen Controller ermöglichen eine erhebliche Verringerung der Umrandung der auf Berührungen reagierenden Bereiche des Bildschirms. Zytronic

Bild 3: Die neuen ZXY500-Controller ermöglichen nun die Positionierung von „Soft-Keys” um den dynamischen aktiven Bereich des projiziert kapazitiven Touchscreens herum.

Die neuen ZXY500-Controller ermöglichen die Positionierung von „Soft-Keys” um den dynamischen aktiven Bereich des projektiv-kapazitiven Touchscreens herum. Zytronic

Die meisten Hersteller von PCAP-Touchscreens sind gezwungen, ein Tx-Signal mit Gleichstrom zwischen 20 bis 30 V zu verwenden. Dies ist auf Einschränkungen bei verfügbaren serienmäßig produzierten Touch-Control-Komponenten und ASICs zurückzuführen. Die neuen ZXY500-Controller von Zytronic arbeiten mit einer Tx-Betriebsspannung von bis zu 40 V, was eine vollständige Multi-Touch-Erkennung auch bei außerordentlich schwierigen industriellen Anwendungen ermöglicht.

Die höhere Antriebsspannung verringert den Einfluss von Geräuschen auf die erfassten Daten. Eine maßgebliche Geräuschquelle ist die Nähe des Displays selbst. Bei allen projektiv-kapazitiven Touchscreens ist zwischen der Vorderseite des Displays und der Rückseite des Touch-Sensors eine mit Luft oder Harz gefüllte Lücke nötig. Der ZXY500-Controller ermöglicht nun eine erhebliche Verringerung dieser Lücke, abhängig von Größe und Art des für das System gewählten Displays. Dies ermöglicht nicht nur ein schlankeres und kompakteres Design der gesamten Schnittstelle, sondern verringert auch die optische Parallaxe zwischen Display und dem überlagernden Sensor, was sowohl das Benutzererlebnis als auch die Genauigkeit der Berührung verbessert.

Leitfähige Matrix

Alle PCAP-Touchsensoren von Zytronic werden mit einer leitfähigen Matrix hergestellt, die in die Rückseitenoberfläche des Bildschirms laminiert wird. Diese Matrix besteht aus einer Reihe mikrofeiner Elektroden mit niedrigem Widerstand, die auf einem eingeschalteten Display für das menschliche Auge nahezu unsichtbar sind. Diese Elektroden sind mit dem entfernt angebrachten Touch-Controller verbunden, der eine geringe Ladung auf das Sensor-Array aufbringt. Nähert sich ein Finger, ein leitfähiger Taststift oder ein bekannter Gegenstand der vorderen Oberfläche des Sensors, wird am Kreuzungspunkt mit dem Sensor-Array eine Veränderung der auf die leitfähige Matrix aufgebrachten Ladung festgestellt. Diese induzierte Veränderung ist direkt unter den Berührungspunkten am größten. Die Algorithmen der Touch-Controller-Firmware filtern Interferenzen heraus, berechnen die angewandten Berührungspositionen und übermitteln diese Daten rasch in Form einer Kette von X-Y-Positionskoordinaten an den Hostrechner.

Zytronic hat alle drei Elemente der Touch-Lösung – Sensor, Controller und dessen eingebettete Firmware – so konzipiert, dass sie sehr gut zusammen funktionieren.

Touchscreen-Design

Zusätzlich zur unmittelbaren Leistungsverbesserung bietet die neue Generation von ZXY500-Touch-Controllern, kombiniert mit dem flexiblen PCAP-Herstellungsprozess von Zytronic (Bild 1), Systemplanern vielfältige Möglichkeiten zur Individualisierung des Erscheinungsbildes ihrer Benutzeroberfläche, unabhängig von der Herstellungsmenge.

Die neuen Controller ermöglichen eine erheblich verringerte Umrandung der auf Berührungen reagierenden Bereiche des Bildschirms (Bild 2). So kann beispielsweise ein für ein 55-Zoll-Display ausgelegter Touch-Sensor nun mit einem Rand von weniger als 10 mm konzipiert werden, was zur Verringerung des Footprints der Benutzeroberfläche beiträgt.

Verringerung des Randes

Zytronic erreichte diese Verringerung des Randes mittels firmeneigener neuer Berührungserkennungs-Algorithmen in der Firmware. Diese ermöglichen, dass die sendenden und empfangenden Elektroden in der Sensor-Umrandung wesentlich näher beieinanderliegen können, ohne dass es zu Interferenzen oder Übersprechen kommt.

Die ZXY500-Controller ermöglichen nun die Positionierung von sogenannten Soft-Keys um den dynamischen aktiven Bereich des PCAP-Touchscreens herum (Bild 3). Diese ortsfesten Berührungs-Tasten werden vom gleichen Controller gesteuert. Ihre Funktionen, zum Beispiel Tasten für das Dimmen/Erhöhen der Helligkeit oder das Erhöhen und Verringern der Lautstärke, können vom Systemplaner festgelegt werden. Dies ist für Anwendungen nützlich, bei denen die Abdichtung vor einem Wassereintritt aufgrund mechanischer Bedienelemente problematisch sein/werden könnten. Des Weiteren erlaubt es die Verwendung kleinerer, kostengünstigerer Displays, während die Berührungsinteraktivität um den Rand des Bildschirms herum auf einer einzigen, ununterbrochenen Oberfläche erhalten bleibt.

Thema der nächsten Seite: Bis zu 80 zeitgleiche Berührungen für echte Multiuser-Interaktivität

Für echte Multiuser-Interaktivität unterstützen die neuen PCAP-Controller bis zu 80 zeitgleiche Berührungen. Eine verbesserte „Palm-Rejection“ erkennt und ignoriert anormale Berührungen wie zum Beispiel einen auf dem Bildschirm abgestützten Arm. Der firmeneigene ASIC von Zytronic (Bild 4) in den ZXY500-Controllern erhöht die Geschwindigkeit der Berührungserkennung, sodass Touch-Koordinaten am Controller-Ausgang in nur 1 ms aktualisiert werden. Dadurch verringert sich, im Vergleich zu vorangegangenen Controller-Generationen, die Wartezeit nach einer Berührung um ein Drittel und verbessert das allgemeine Benutzererlebnis. Sie erkennen auch zuverlässig Berührungen durch ein mehr als 8 mm dickes Abdeckglas hindurch, sogar mit behandschuhten Händen. Selbst Regen, Salzwasser, Öl oder Eis auf der Oberfläche des Touch-Sensors machen ihnen nichts aus.

Bild 4: Der firmeneigene ASIC in den ZXY500-Controllern erhöht die Geschwindigkeit der Berührungserkennung, sodass Touch-Koordinaten in nur 1 ms am Controller-Ausgang aktualisiert werden. Zytronic

Der firmeneigene ASIC in den ZXY500-Controllern erhöht die Geschwindigkeit der Berührungserkennung, sodass Touch-Koordinaten in nur 1 ms am Controller-Ausgang aktualisiert werden. Zytronic

Taktiles Feedback

Ein häufiger Vorbehalt gegenüber allen Arten von Touchscreens ist, dass sie taktiles Feedback nicht auf die Art und Weise geben, wie mechanische Steuerungen. Dies kann ein Nachteil sein, wenn zum Beispiel ein Benutzer bei der Bildschirmbedienung gerade wegschaut, wodurch es zu unbeabsichtigten Berührungen kommen kann.

Die „Force“-Sensorikfunktion des ZXY500 nimmt sich dieses Problems an (Bild 5). Zytronics individualisierte Berührungserkennungs-Firmware reagiert auf die größere Oberfläche einer Fingerkuppe, wenn diese fest auf den Bildschirm gedrückt wird und folglich bei der Ausgabe entsprechend unterscheidet. Softwareentwickler können die gestaffelten Controller-Informationen dann dazu nutzen, verschiedene Funktionen abhängig vom aufgebrachten Druck zu aktivieren. Beispielsweise das Aussenden eines akustischen Signals, das den Nutzer auf die angewählte Option aufmerksam macht, wenn der Bildschirm leicht berührt wird, und das anschließende Bestätigen der Wahl, indem stärkerer Druck ausgeübt wird. So kann ein Instrument beispielsweise Temperatur, Druck oder Zeit angeben, während der Finger des Benutzers sich über den Bildschirm bewegt. Sobald der Finger sich über der richtigen Option befindet, wird diese durch festes Drücken ausgewählt, ohne das Risiko einer falschen Berührung.

Systemintegration und Kommunikation

Bild 5: Die individualisierte Berührungserkennungs-Firmware reagiert sowohl auf die Stärke als auch die Stelle des aufgebrachten Drucks. Zytronic

Die individualisierte Berührungserkennungs-Firmware reagiert sowohl auf die Stärke als auch die Stelle des aufgebrachten Drucks. Zytronic

Ein Schlüsselfaktor für den Erfolg des Benutzeroberflächendesigns ist, wie leicht der Controller sich in den Rest des Systems integrieren lässt. USB ist eine äußerst beliebte Schnittstelle, aber es gibt einige Anwendungen, die RS232-, I2C- oder SPI-Schnittstellen benötigen.

Auch die Größe des kleinsten PCAP-Controllers im neuen ZXY500-Sortiment wurde auf lediglich 61 × 64 mm2 erheblich verringert, um Zytronic Touch-Sensoren bis zu ~19 Zoll zu unterstützen (Bild 6). Die flexiblen Leiterplatten, die die Touch-Sensoren mit den neuen Controllern verbinden, wurden ebenfalls auf eine Länge von nur 120 mm verkürzt, was die Integration weiter vereinfacht.

Zu guter Letzt sind die neuen Controller auch HID-fähig (Human-Interface-Geräte) und können mit neueren Windows-Betriebssystemen im Plug-and-Play-Modus betrieben werden. Des Weiteren werden auch Linux- und Android-Versionen unterstützt, die für Multi-Touch-Input geeignet sind.

Fazit

Sensoren können nun zuverlässig in Industrieumgebungen eingesetzt werden, wo es bislang nicht möglich war. Selbst unter anspruchsvollen Bedingungen mit einer hohen elektromagnetischen Störbeeinflussung und Exposition gegenüber Schmutzstoffen bieten die Touchscreens eine robuste und rasch ansprechende Benutzeroberfläche. Sie sind auch geeignet für unbeaufsichtigte und/oder Anwendungen im Freien. Hier sind sie vollständig vor materiellen Schäden und Umweltfaktoren geschützt, ohne dass die Leistung beeinträchtigt wird.

Ian Crosby

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Sales and Marketing Director, Zytronic

(neu)

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