电阻式触摸屏（一种传感器）-趣爱秀

元件简介

触摸屏技术

触摸屏在结构上由一个感应式液晶显示装置组成，这个感应显示器可以接收触控头或者其他触控动作的信号。当这个感应显示器收到了触控信号，整个触控装置会按照事先编写的程序执行不同的指令，实现用户的触控意图。这种技术替代了传统的机械式按钮装置，加上液晶显示器的画面，可以得到十分生动形象的画面和操作享受，受到了越来越多人的欢迎。

触摸屏技术最早出现在一些工业和商业设备中，例如POS终端机、电梯按钮等。触摸屏技术在很大程度上方便了人机交互，触摸屏本身又很坚固耐用,这些特点都让触摸屏技术有了很大的应用和发展。利用触摸屏技术，用户只要用手指点击相应的触控图案，就可以解决过去繁杂的操作问题，极大的方便了用户。由于近些年iPhone手机的推出，更是刺激了触摸屏相关产业的发展，触摸屏技术也由此被应用到不同的产品中。随着移动互联网、云计算等技术的快速发展，人们对触摸屏技术的需求和要求也日益提高，相信触摸屏技术将会越来越多的出现在不同的电子产品中。除此之外，触摸屏在汽车电子领域和零售业也有很大的发展空间，具相关权威调查，到2012年，用于汽车电子和零售业的触摸屏市场将会达到20亿美元，占触摸屏产业总体市场的20%。同时在PC行业，由于微软操作系统的不断发展，触摸屏技术也将占据着十分重要的角色，再加上医疗领域、公共设施领域等方面，触摸屏控制技术将会得到进一步的普及，有着极好的市场前景。

中国的触摸屏消费市场有着极大潜力，尤其在数码电子产品市场中，然而在触摸屏产业中，中国的触摸屏产业主要集中在产业链的中下游，目前辽宁沈阳的沈北新区也建立了手机制造中心，吸引了包括晨讯科技等手机触摸屏生产厂家。一方面体现了手机触摸屏这一强大的市场，另一方面又反映了我国触摸屏产业的技术含量偏低，多以加工代工为主。然而在触摸屏产业链中，触摸屏驱动芯片是核心，决定着触摸屏产品的优劣，全球各大芯片设计公司也都在致力研发高精度、低功耗的触摸屏驱动芯片。

电阻式触摸屏

电阻式触摸屏是一种传感器，基本上是薄膜加上玻璃的结构，薄膜和玻璃相邻的一面上均涂有ITO（纳米铟锡金属氧化物）涂层，ITO具有很好的导电性和透明性。当触摸操作时，薄膜下层的ITO会接触到玻璃上层的ITO，经由感应器传出相应的电信号，经过转换电路送到处理器，通过运算转化为屏幕上的X、Y值，而完成点选的动作，并呈现在屏幕上。

工作原理

基本原理

当手指或其他物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时,所触摸的位置(以坐标形式)通过触摸屏控制器检测,并由接口电路传送到CPU进行运算处理,从而确定输入的信息。其屏体部分是-块与显示器表面相匹配的多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层,表面涂有一层透明的导电层,上面再盖有一层外表面经过硬化处理、光滑防刮的塑料层,它的内表面也涂有一层透明的导电层，在二层导电层之间有许多细小的透明隔离点将它们隔开绝缘。电阻式触摸屏根据引出线数的多少,可以分为四线、五线、六线等多线电阻触摸屏。其在强化玻璃表面分别涂上的两层OTI透明氧化金属导电层，最外面的一层0TI涂层作为导电体，第二层OTI则经过精密的网络附上横竖(X.Y )两个方向的+5V至0V的直流电平。当触摸屏幕时，平常相互绝缘的二层导电层就在触摸点位置有了一个接触，因其中一面导电层接通Y轴方向的+5V至0V的直流电平,使得捕获层的电压引起变化，这种变化状态被控制器检测到后,进行A/D转换,并将得到的电压值与5V相比即可得到触摸点的Y轴坐标信号值,同理得出X轴坐标信号值。CPU根据相关软件进行处理,就能确定所触摸的位置。触摸屏是一种比较精密的设备,其缺点在于复合薄膜的外层是采用塑胶材料,有一定的使用寿命,加上又可以用任何物体予以触摸,以及面向大众开放使用的特点,如果不做好维护，很容易损坏导致报废。n

电路实现

触摸屏包含上下叠合的两个透明层，四线和八线触摸屏由两层具有相同表面电阻的透明阻性材料组成，五线和七线触摸屏由一个阻性层和一个导电层组成，通常还要用一种弹性材料来将两层隔开。当触摸屏表面受到的压力（如通过笔尖或手指进行按压）足够大时，顶层与底层之间会产生接触。所有的电阻式触摸屏都采用分压器原理来产生代表X坐标和Y坐标的电压。分压器是通过将两个电阻进行串联来实现的。上面的电阻（R1）连接正参考电压（VREF），下面的电阻（R2）接地。两个电阻连接点处的电压测量值与下面那个电阻的阻值成正比。

为了在电阻式触摸屏上的特定方向测量一个坐标，需要对一个阻性层进行偏置：将它的一边接VREF，另一边接地。同时，将未偏置的那一层连接到一个ADC的高阻抗输入端。当触摸屏上的压力足够大，使两层之间发生接触时，电阻性表面被分隔为两个电阻。它们的阻值与触摸点到偏置边缘的距离成正比。触摸点与接地边之间的电阻相当于分压器中下面的那个电阻。因此，在未偏置层上测得的电压与触摸点到接地边之间的距离成正比。

电阻式触摸屏内部渡涂的透明ITO导电薄膜有工艺要求。涂层不可太厚，否则不但会降低透光率，还会形成内反射层，降低清晰度；涂层也不可太薄，否则容易断裂。在使用过程中，由于触摸屏的工作准确性需要依靠电阻网络的精密性来实现，如果某处电阻网络出现了故障将会使此处触摸屏触摸失灵：触摸屏表面经常被触摸，表层薄薄的一层透明ITO导电薄膜会出现细小裂纹，也会导致触摸失灵；透明ITO导电薄膜的外层采用的是塑胶材料，没有保护层，所以安全性较差。但是，从结构上看，电阻式触摸屏是一个相对封闭的系统，因此相比于其他触摸屏，不受外界污染物的影响，比如灰尘、水汽、油溃等，而且适合配带手套或是不能用手直接触摸的场合，因此能够在恶劣环境下正常工作，适合于航空机载显示系统。

元件分类

四线触摸屏

四线触摸屏包含两个阻性层。其中一层在屏幕的左右边缘各有一条垂直总线，另一层在屏幕的底部和顶部各有一条水平总线，为了在X轴方向进行测量，将左侧总线偏置为0V，右侧总线偏置为VREF。将顶部或底部总线连接到ADC，当顶层和底层相接触时即可作一次测量。

为了在Y轴方向进行测量，将顶部总线偏置为VREF，底部总线偏置为0V。将ADC输入端接左侧总线或右侧总线，当顶层与底层相接触时即可对电压进行测量。图2显示了四线触摸屏在两层相接触时的简化模型。对于四线触摸屏，最理想的连接方法是将偏置为VREF的总线接ADC的正参考输入端，并将设置为0V的总线接ADC的负参考输入端。

五线触摸屏

五线触摸屏使用了一个阻性层和一个导电层。导电层有一个触点，通常在其一侧的边缘。阻性层的四个角上各有一个触点。为了在X轴方向进行测量，将左上角和左下角偏置到VREF，右上角和右下角接地。由于左、右角为同一电压，其效果与连接左右侧的总线差不多，类似于四线触摸屏中采用的方法。为了沿Y轴方向进行测量，将左上角和右上角偏置为VREF，左下角和右下角偏置为0V。由于上、下角分别为同一电压，其效果与连接顶部和底部边缘的总线大致相同，类似于在四线触摸屏中采用的方法。这种测量算法的优点在于它使左上角和右下角的电压保持不变；但如果采用栅格坐标，X轴和Y轴需要反向。对于五线触摸屏，最佳的连接方法是将左上角（偏置为VREF）接ADC的正参考输入端，将左下角（偏置为0V）接ADC的负参考输入端。

七线触摸屏

七线触摸屏的实现方法除了在左上角和右下角各增加一根线之外，与五线触摸屏相同。执行屏幕测量时，将左上角的一根线连到VREF，另一根线接SAR ADC的正参考端。同时，右下角的一根线接0V，另一根线连接SAR ADC的负参考端。导电层仍用来测量分压器的电压。

八线触摸屏

除了在每条总线上各增加一根线之外，八线触摸屏的实现方法与四线触摸屏相同。对于VREF总线，将一根线用来连接VREF，另一根线作为SAR ADC的数模转换器的正参考输入。对于0V总线，将一根线用来连接0V，另一根线作为SAR ADC的数模转换器的负参考输入。未偏置层上的四根线中，任何一根都可用来测量分压器的电压。

SAR结构

SAR的实现方法很多，但它的基本结构很简单，参见图3。该结构将模拟输入电压（VIN）保存在一个跟踪/保持器中，N位寄存器被设置为中间值（即100...0，其中最高位被设置为1），以执行二进制查找算法。因此，数模转换器（DAC）的输出（VDAC）为VREF的二分之一，这里VREF为ADC的参考电压。之后，再执行一个比较操作，以决定ⅥN小于还是大于VDAC：

1.如果VIN小于VDAC，比较器输出逻辑低，N位寄存器的最高位清0。

2.如果VIN大于VDAC，比较器输出逻辑高（或1），N位寄存器的最高位保持为1。

其后，SAR的控制逻辑移动到下一位，将该位强制置为高，再执行下一次比较。SAR控制逻辑将重复上述顺序操作，直到最后一位。当转换完成时，寄存器中就得到了一个N位数据字。

显示了一个4位转换过程的例子，图中Y轴和粗线表示DAC的输出电压。在该例中：

1.第一次比较中，显示VIN小于VDAC，因此位[3]被置0。随后DAC被设置为0b0100并执行第二次比较。

2.在第二次比较中，显示VIN大于VDAC，因此位[2]保持为1。随后，DAC被设置为0b0110并执行第三次比较。

3.在第三次比较中，位[1]被置0。DAC随后被设置为0b0101，并执行最后一次比较。

4.在最后一次比较中，由VIN大于VDAC，位[0]保持为1。[9-10]

接触检验

所有的触摸屏都能检测到是否有触摸发生，其方法是用一个弱上拉电阻将其中一层上拉，而用一个强下拉电阻来将另一层下拉。如果上拉层的测量电压大于某个逻辑阈值，就表明没有触摸，反之则有触摸。这种方法存在的问题在于触摸屏是一个巨大的电容器，此外还可能需要增加触摸屏引线的电容，以便滤除LCD引入的噪声。弱上拉电阻与大电容器相连会使上升时间变长，可能导致检测到虚假的触摸。

四线和八线触摸屏可以测量出接触电阻，即图5中的RTOUCH。RTOUCH与触摸压力近似成正比。要测量触摸压力，需要知道触摸屏中一层或两层的电阻。图6中的公式给出了计算方法。需要注意的是，如果Z1的测量值接近或等于0（在测量过程中当触摸点靠近接地的X总线时），计算将出现一些问题，通过采用弱上拉方法可以有效改善这个问题。

优缺点

优点

电阻式触摸屏的优点是它的屏和控制系统都比较便宜，反应灵敏度很好，而且不管是四线电阻触摸屏还是五线电阻触摸屏，它们都是一种对外界完全隔离的工作环境，不怕灰尘和水汽，能适应各种恶劣的环境。它可以用任何物体来触摸，稳定性能较好。缺点是电阻触摸屏的外层薄膜容易被划伤导致触摸屏不可用，多层结构会导致很大的光损失，对于手持设备通常需要加大背光源来弥补透光性不好的问题，但这样也会增加电池的消耗。

电阻式触摸屏的优点可归类为：

1.电阻式触控屏的精确度高，可到像素点的级别，适用的最大分辨率可达4096x4096。

2.屏幕不受灰尘、水汽和油污的影响，可以在较低或较高温度的环境下使用。

3.电阻式触控屏使用的是压力感应，可以用任何物体来触摸，即便是带着手套也可以操作，并可以用来进行手写识别。

4.电阻式触控屏由于成熟的技术和较低的门槛，成本较为廉价。

缺点

缺点是电阻触摸屏的外层薄膜容易被划伤导致触摸屏不可用，多层结构会导致很大的光损失，对于手持设备通常需要加大背光源来弥补透光性不好的问题，但这样也会增加电池的消耗。

电阻式触摸屏的缺点可归类为：

1.电阻式触控屏能够设计成多点触控，但当两点同时受压时，屏幕的压力变得不平衡，导致触控出现误差，因而多点触控的实现程度较难。

2.电阻式触控屏较易因为划伤等导致屏幕触控部分受损。

现状研究

当今触摸屏的种类很多,其中不具有多点触摸功能的触摸屏有电阻式,表面扰度波、表面声波、表面电容、声脉冲识别、应力测量触摸屏可以实现多点触摸功能的有红外矩阵、图像LCO矩阵、红外波导矩阵、感应电容矩阵触摸屏。现在随着iphone感应电容触摸屏的实用化,感应电容触摸屏的成本也开始逐步下降。而应用最广泛的是电阻式触摸屏,研究也是最广泛的。

多点触摸就是允许多手指之间任意地选择和操作,这样可以极大地丰富操作类型,而且多点操作通常可以实现智能的手势识别,提供更人性化的用户界面,现在的多点式触摸屏已经在技术上取得了突破,但是这些技术的应用领域都有比较大的局限性,另一个重要的原因是相应的多点触摸的功能没有相应的定义,智能手势识别虽然从技术上能实现,但是在应用上出现应用规范的限制问题,比如,有五个点的触摸,这些位置的组合到底意味着什么。这个没有相应的标准和规范,这样造成了技术的泛滥,在实际的使用中没有地方显示出这种多点触摸的优越性,目前定义最为明确的就是一点的定义和两点的定义,这也符合实际的应用习惯,一些即使用上了多点触摸功能的触摸屏,还是做着单点或者两点的触摸屏的操作,所以这些产品利用的这些技术不得不说有些浪费。由此可见技术的应用还要依赖于需求和具体的应用,也要符合大家的应用实际。

基于以上的原因,不能实现多点触摸的触摸屏在市场中占有率是最大的,只要是满足了单点和两点的触摸功能也就符合了需求,这是市场给研究者最大的信息。而电阻式触摸屏正是市场中使用最为广泛的一种,这个领域的研究也是最多的,但是他们的研究也给后人造成很大局限性,结论是,它不能实现多点的触摸功能,合理的设计和技术的进步可以让这个目标实现。电阻式触摸屏中研究最多的典型是四线式电阻式触摸屏,现在这个领域技术已经成熟,这个领域的研究已经转向了电阻式触摸屏的核心器件的研究,市场上的成熟的应用器件是ADS7843,这是典型的为四线电阻式触摸屏开发的芯片,得到了广泛的利用。

ADS7843是专为四线电阻式触摸屏设计的专用接口芯片,它可以方便地与单片机接口,对转换信号进行处理和计算。它是一个具有可编程的8位或12位分辨率的逐次逼近型A/D转换器,如果将转A/D换器配置为读绝对电压(单端模式)方式,那么驱动电压的下降将导致转换输入数据的错误。而如果配置为差分模式,则可以避免上述错误。当触摸屏被按下时,有两种情况可影响接触点的电压一种是当触摸到显示屏时,会导致触摸屏外层振动另一种是触摸屏顶层和低层之间的寄生电容引起的电流振荡以及在ADS7843输入引脚上引起的电压振荡。这两种情况都可导致触摸屏上的电压发生振荡以及增加DC值稳定的时间。使用第二种方式的另一个优点是功耗低,采用十字交叉法，得到结果,然后转换坐标。