Die Verbesserung der Berührungserkennung, die sich durch einen Touchscreen-Controller mit hohem Störabstand erreichen lässt, wurde vor kurzem von Touchnetix (eigene Schreibweise: TouchNetix) mit einem Demonstrator basierend auf dem selbst entwickelten Controller für industrielle und Automotive-Anwendungen gezeigt.

Kapazitive Touchscreens arbeiten mit einem rechtwinkligen Gitter aus Sender- und Empfänger-Elektroden (oder Treiber- und Sensor-Elektroden), die sich normalerweise auf den beiden Seiten eines transparenten Substrats und hinter einer transparenten Oberfläche, zum Beispiel aus Glas, befinden. Im Ruhezustand ist die Kapazitätsverteilung zwischen Sender und Empfänger auf der gesamten Oberfläche mehr oder weniger gleichmäßig. Wenn sich ein Finger (oder ein anderer leitender Gegenstand) der Oberfläche nähert, tritt an diesem Punkt eine leichte Änderung der Kapazität ein. Über die Messung der sich dadurch ergebenden Änderung an den betroffenen Kreuzungspunkten kann die Position des Fingers bestimmt werden.

Bild 1: Wie Gleichtaktstörungen in das Sensorelement eines Touchscreens eingekoppelt werden.

Bild 1: Wie Gleichtaktstörungen in das Sensorelement eines Touchscreens eingekoppelt werden. Touchnetix

Die Größe der Änderung wird als das Touch-Delta bezeichnet. In einem idealen System wird der Schwellwert, an dem das System eine Berührung zuverlässig erkennt, so niedrig wie möglich über dem Hintergrundpegel angesetzt. Mit anderen Worten sollte selbst ein geringes Touch-Delta ausreichen, um vom System als gültige Berührung interpretiert zu werden. Die Gründe dafür werden weiter unten erklärt.

In realen Anwendungen der kapazitiven Berührungserkennung können zwei konkurrierende Faktoren die Wahl einer möglichst niedrigen Erkennungsschwelle beeinträchtigen:

  • die Größe des Signals, das der Finger des Benutzers oder ein anderes Eingabegerät, zum Beispiel ein leitender Stift, erzeugt
  • elektrische Störspannungen im System, die sich dem Signal überlagern

Eckdaten

Die Fähigkeiten des Axiom-Touchscreen-Controllers mit hohem Störabstand eröffnen neue Möglichkeiten bei der Gestaltung der Display-UI. Durch konturierte Overlays sowie Hover- und Zoom-Funktionen wird der Touchscreen sehr viel benutzerfreundlicher. Der AX310 bietet außerdem die Fähigkeit zur Druckerkennung und eine Steuerung für haptisches Feedback. All dies bei geringen Emissionen und minimalen Verschleißraten.

Das Problem bei der Entwicklung von Touchscreens liegt darin, dass der Benutzer durch das Berühren der Oberfläche des Bildschirms Störspannungen in die Elektroden einkoppelt (Bild 1). Zu den Quellen von Umgebungsstörungen gehören elektromagnetische Emissionen von Geräten wie Funkgeräten und Beleuchtungskörpern. Auch das Display selbst kann erhebliche Störspannungen erzeugen, die in die Sensorelektroden eingekoppelt werden können.

Im Touchscreen eines Consumer-Geräts, beispielsweise eines Mobiltelefons, ist eine ausreichende Systemleistung dadurch gewährleistet, dass das Signal unter normalen Betriebsbedingungen nur selten gestört wird: die Benutzer achten darauf, dass ihre Finger und die Bildschirmoberfläche trocken sind, sie benutzen den Touchscreen nicht mit Handschuhen, und das Glas der Abdeckung des Sensorelements ist dünn.

Bei Touchscreens im Auto und in industriellen Anwendungen können die Betriebsbedingungen sehr viel schwieriger sein. Hier wird ein System zur Berührungserkennung verlangt, das sehr viel besser dazu fähig ist, zwischen Signal und Störspannung zu unterscheiden, wie in diesem Artikel erklärt wird.

Ein sehr geringes Touch-Delta erkennen

Die Fähigkeit, ein sehr kleines Touch-Delta zuverlässig zu erkennen, ist in industriellen und Automotive-Anwendungen sehr viel wichtiger als bei Consumer-Geräten. Das liegt daran, wie Touchscreens bei industriellen und Automotive-Anwendungen benutzt werden und in welchen Betriebsumgebungen sie eingesetzt werden. Beide Faktoren neigen dazu, das vom Finger des Benutzers erzeugte Signal und damit auch das Touch-Delta zu verringern.

Zu diesen Faktoren gehören:

  • Die Bedienung des Touchscreens mit Handschuhen – eine wichtige Fähigkeit, wenn potenziell gefährliche Industrieanlagen in gefährlichen Umgebungen bedient werden.
  • Dicke Schutzabdeckungen – Touchscreens von Geldautomaten haben zum Beispiel mehrere Lagen aus Glas und transparentem Kunststoff, um sie vor Beschädigungen durch Vandalismus oder Diebstahl zu schützen.
  • Um die Benutzererfahrung zu verbessern, setzen die Entwickler von Display-Bedienerschnittstellen (UI) gestaltete und konturierte Oberflächen ein. Ränder, Erhebungen und Vertiefungen in der berührungsempfindlichen Oberfläche führen den Finger des Benutzers zu häufig genutzten Punkten der Oberfläche. Beispiele hierfür sind virtuelle Tasten für die Funktionen „Home“ und „Zurück“. Das ist vor allem bei Touchscreens in Automotive-Anwendungen ein sehr praktisches Feature, denn es hilft dem Fahrer, den Finger in der UI des Displays genauer zu positionieren, ohne den Blick von der Straße zu nehmen.
  • Eine weitere Verbesserung bei der UI des Displays ist die Hover- oder Näherungsfunktion: die Erkennung, dass sich ein Finger nähert, bevor er die Oberfläche des Bildschirms berührt. So kann beim Touchscreen eines Fahrzeugs das Icon der Taste, der sich der Finger nähert, hervorgehoben oder herangezoomt werden, um dem Finger auf der Bildschirmoberfläche einen größeren Zielbereich zu geben.

Diese Features haben sich bisher nur schwierig implementieren lassen, da sie die Erkennung eines sehr viel kleineren Touch-Deltas als beim Touchscreen eines Mobiltelefons voraussetzen. Dicke Schutzgläser und Handschuhe verringern die Kapazitätsänderung durch einen Finger, der die Oberfläche des Bildschirms berührt, ganz erheblich. Eine ähnliche Herausforderung stellt die Näherungserkennung dar. Ein Finger, der einige Millimeter über der Bildschirmoberfläche schwebt, erzeugt eine rund tausend mal geringere Kapazitätsänderung als bei der direkten Berührung des Bildschirms.

In vielen dieser industriellen und Automotive-Anwendungsfällen ist die Größe des Touch-Signals daher sehr viel geringer. Gleichzeitig ist die Amplitude der Störspannung häufig größer als in Consumer-Anwendungen und sie kann einen größeren Frequenzbereich abdecken. Industrielle Touchscreens werden häufig in der Nähe von Motoren und anderen Hochspannungsausrüstungen eingesetzt, die enorme Mengen an EMI erzeugen. Der Innenraum eines Fahrzeugs ist durch den Betrieb von Funkeinrichtungen, Motoren, Beleuchtung, Spannungsversorgungen und drahtlose Kommunikation ebenfalls voller elektrischer Störsignale.

Wenn das Touch-Delta-Signal kleiner und der Störanteil höher ist, besteht die Gefahr, dass die hohen Zuverlässigkeitsanforderungen der OEM für den Bereich Industrie und Automotive nicht erfüllt werden. Das muss unter allen Umständen verhindert werden, sodass Berührungen immer erkannt und durch Störsignale verursachte falsche Erkennungen ausgeschlossen werden.

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