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Il Touch Screen

Touch Screen

Funzionamento Touch Screen

La tecnologia "touch screen" e' molto utilizzata in PDA, smart phone, PMP, ATM, punti di acceso di informazione e molti altri dispositivi in ambiente industriale, medico e commerciale. Effettivamente "touch screen" non e' una tecnologia nuova poiché e' stata inventata da Dr. Samuel C. Hurst nel 1971. Pero' diventa più interessante dopo il lancio dei popolari iPhone e iPod touch. Con nuovi brevetti registrati per la tecnologia "touch screen", Apple introduce una nuova ondata in questo segmento e più società sono coinvolte in questa rivoluzione migliorando UI , ICS, moduli d'assemblaggio e componenti software touch screen.

Touch Screen convenzionali

La realizzazione di uno schermo tattile include: tecnologie resistivi, capacitivi, infrarossi, onda acustica superficiale, immagini ottiche, impulso acustico ed altre tecnologie ancora emergenti. Di solito, il kit e' fatto da un modulo touch e un controllore che misura gli eventi touch in frequenza, tensione o corrente, li codifica e trasmette ai drivers che giranno nell'"host controller". I criteri di selezione sono:

  1. - Trasmissione della luce
  2. - Tempo di risposta
  3. - Accuratezza del tocco
  4. - Requisiti del ambiente
  5. - Lifecycle
  6. - Robustezza
  7. - Risoluzione
  8. - Input Mode (dita nude o guantate, stilo, penna)
  9. - Dimensione del display (schermo piccolo, medio o grande)
  10. - Multi-touch

TouchFLo
Attualmente la maggior parte dei dispositivi portatili utilizzano touch screen resistivi, perché questa tecnologia e' un buon compromesso tra basso costo e la prestazione richiesta. Sono sopportati sia il funzionamento con stilo che con dito. Col il touch screen resistivo, la maggior parte delle innovazioni tecniche avvengono nella GUI (Graphic User Interface) dell' host. Per esempio, HTC S1 ha rilasciato una nuova UI chiamata touchFLO. Questa nuova tecnologia funziona in modo efficiente con schermo a tocco singolo. Per esempio, il movimento del dito in senso orario e antiorario su una specifica area farà zoom in/out di questa foto o pagina web. A volte e' più comodo perché l'utente ha bisogno solo di una mano per tenerlo ed il pollice della stessa mano per operare. L'iPhone richiede entrambi le mani per operare in movimento. Si, anche se l'utente può utilizzare due dita di una mano per operare ma dovrebbe utilizzare l'altra mano per tenerlo, a meno che il dispositivo possa essere installato da qualche parte. Inoltre HTC S1 supporta la scrittura e la tastiera virtuale, mentre iPhone utilizza solo la tastiera virtuale. Scrivendo con caratteri europei sulla tastiera virtuale può sembrare una buona idea, ma non anche per le lingue asiatiche. Alcune organizzazioni di ricerca hanno inventato anche un altro sistema UI con un solo touch screen. Per esempio, scrivendo una "h" (significa "home"), il computer mostrera' l'indice dell'intero sistema. Questo metodo e' utilizzato nella piattaforma Automotive PC (VIA x86 design), ed e' molto efficace ed attraente. Il conducente può scrivere sullo schermo mentre guida senza dover guardare e toccare pulsanti. Quindi questa UI ha migliorato la sicurezza sulla strada.

Mi ricordo ancora il cambio di B/W LCD nei telefonini. Il display LCD a colori è più costoso e spreca molta corrente e gli ingeneri stano discutendo sull'idea se va bene o no utilizzarlo nei telefonini. Le vendite dei telefonini con LCD B/W sono in caduta, ora oltre il 90% dei telefoni cellulari sono dotati di display LCD a colori, in formato più grande e doppio display LCD (touch screen cellulari). Questa storia ci dice che la progettazione dell'elettronica di consumo e' pilotata dal mercato, non dalla tecnologia. In conclusione, anche se lo schermo single-touch e' capace di ogni operazione con qualche vantaggio, il multi-touch screen e' una delle principale tendenze dei nuovi dispositivi touch-screen, perché i consumatori lo amano. Vediamo le risorse.


iPod touch
Se qualcuno cerca di “clonare” il progetto di Apple, sara' deluso. Il multi-touch e' un progetto di sistema, non solo un piccolo miglioramento allo schermo tattile stesso. Il progetto di Apple non può essere copiato ed e' protetto da più di 200 brevetti. Alla CeBit 2008, la Mezu stava per lanciare il suo Mini-One, ma proprio all'esposizione ha dovuto fermarsi perché c'era un problema di violazione di un'MP3. Mini-One non sopporta il multi-touch. Sono stato sorpreso perché Apple non ha detto niente del design di Mini-One anche se sembrano gemelli. (Guardate la foto) Ironicamente la Meizu ha rilasciato un brevetto di progettazione in Cina. Un progetto clonato chiede di non essere clonato di nuovo ?.Spero davvero per loro di poter utilizzare le loro risorse su altri progetti giusti.

 

Touch Screen Multitouch

Il capacitivo ed il resistivo tradizionali possono supportare solo una zona calda "touch", cioè tracciare un tocco alla volta. Se due dita toccano il touch screen o il touch pad, il risultato che torna all'host è la posizione del ultimo tocco o un punto di mezzo tra le dita. Per configurare più zone calde, il progettista deve aggiornare tutte e tre parti del sotto-sistema del touch screen. Ciò significa che l'innovazione dovrebbe avvenire sui moduli input del pannello, "panel controller" (ASIC o MCU) ed i drivers del dispositivo host ovviamente l'applicazione in esecuzione sull'host dovrebbe sostenere multi-touch. La capacità del controllore del touch screen limita il numero dei tocchi individuabili (non sono sicuro del supporto software applicativo). Il software applicativo dovrebbe tracciare gli eventi multi touch da soli in alcune operazioni, ad esempio, più oggetti devono essere monitorati individualmente in un gioco con più utilizzatori. E poi, se il tocco-multiplo può essere tradotto nel commando "high-level zoom", o commando "rotate", il software regolare dovrebbe gia' essere in grado di supportare operazioni multi-touch. In questo caso, il driver del dispositivo dovrebbe supportare eventi multi-touch e tradurli in comandi "high-level". Spetta al progettista progettare tutto lo stak del software.

IBM e Logitech hanno già rilasciato alcuni brevetti per la tecnologia multi-touch. L'iPhone è il primo prodotto di consumo che utilizza multi-touch. Finora Apple ha archiviato due brevetti per multi-touch, uno è "self-capacitance" ed altro è "mutual capacitance". Queste tecnologie sono conosciute come "projection capacitive". Il multi-touch è stato già utilizzato in: iPhone, iPod, Mac Book Air. L'implementazione è descritta su alcuni siti di ricerca di brevetti. (vedi il riferimento). Più concorrenti come LG, Samsung e Microsoft stanno rilasciando nuovi modelli e nuovi sistemi di funzionamento touch screen con moduli e driver touch screen migliorati. Anche MTK, molto conosciuto come fornitore di telefonini OEM, sta migliorando il loro progetto del touch screen e tenta di copiare il funzionamento del iPhone. Oltre la proiezione "capacitive touch", ci sono anche l'attuazione resistiva e di superficie per multi-touch.

Input Modules

iphonePer permettere alle persone di operare con più dita, l'iPhone utilizza un nuovo approccio della tecnologia esistente. Esso comprende uno strato di materiale capacitivo, come molti altri touch screen. Tuttavia, i condensatori dell'iPhone sono disposti secondo un sistema di coordinate. Il sistema di coordinate non richiede alta precisione, perché è basato sul funzionamento del dito. Ma non ho idea della sua precisione. Il sistema di circuiti può percepire cambiamenti in ogni punto della griglia. In altre parole, ogni punto della griglia genera il suo segnale quando è toccato e trasmette il segnale al processore del iPhone. Questo consente di stabilire la posizione ed il movimento sul materiale capacitivo. Esso non funzionerà se si utilizza stilo o guanti non-conduttivi.

Nella capacitanza reciproca, il sistema di circuiti capacitivo richiede due strati distinti di materiale. Uno strato ospita le linee di pilotaggio, l'altro le linee di ingresso, che rilevano la corrente ai nodi. La “self capacitance” utilizza uno strato di singoli elettrodi collegati con il circuito di rilevazione Entrambe le configurazioni inviano "touch data" come impulsi elettrici. Dopotutto, la proiezione capacitiva del touch screen della Apple funziona come una grande griglia di tastiere. Ogni tasto è guidato da impulsi di righe e colonne e codificato con la sua posizione e indirizzo. Questo metodo e difficolta' di programmazione sono molto comuni nei microcontrollori. Il miglioramento è costituito dai materiali, i tasti sono quasi trasparenti (Apple li chiama elettrodi trasparenti) e su una unica pellicola (forse pellicola ITO o vetro ITO) può essere prodotto dai processi avanzati. iPhone è abbastanza resistente e anti-graffio perché la superficie potrebbe essere in vetro. Secondo Unwired View, iPhone utilizza anche il meccanismo "force-sensing" per evitare il tocco accidentale.

 

In effetti iPhone funziona solo con dual-touch; potrebbe supportare più tocchi solo se Apple migliorasse la capacità del software del controllore, del driver e dell'applicazione.


Per la sua naturale somiglianza ai driver dell'LCD, alcuni fabbricanti di pannelli LCD integrano queste caratteristiche nei moduli LCD. Nel 2007, AUO ha lanciato moduli LCD " in-cell multi-touch " (480*272). Sempre più LCD con lo schermo single-/multi-touch saranno disponibili. Penso che l'approccio dell'AUO possa essere molto competitivo a causa del costo della lista parti (Bill Of Materials) e della prestazione. Né lo schermo multi-touch dell'AUO in-cell né dell'Apple hanno un'LCD di dimensioni grandi perché la capacita' è molto sensibile al rumore EMC, mentre l'LCD HDTV di grande dimensione è esso stesso grande generatore di rumore!

Controllori

Poiche' il touch screen capacitivo è molto sensibile all'ambiente, anche con un migliore modulo di ingresso, il multi-touch richiede un miglioramento sul controllore per poter funzionare correttamente. Forse questo è un altro motivo per cui Apple mantiene segreto il metodo su iPhone / iPod?

Secondo il sito howtostuffs.com, il processore ed il software dell'iPhone sono la parte essenziale per interpretare correttamente l'input dal touch-screen. L'iPhone ha molti processori: da Infineon (GSM processor), Samsung ARM11 come processore applicativo, e un controller screen dedicato (BCM5974) dalla Broadcom. Non riesco a trovare tutte le informazioni sul sito Broadcom, penso si tratta di un chip proprietario per Apple e ho controllato gli altri prodotti e credo che questo chip sia un DAC usato come "touch screen digitizer". Se è così, allora DAC viene utilizzato per campionare la griglia invece di “commutarla”. Questo significa anche che ARM11 agisce come "trattamento segnali" per multi-touch. Il processore utilizza il software per interpretare i dati puri (non processati) come comandi e gesti.

  1. I segnali passano dal touch screen al processore come impulsi elettrici.
  2. Il processore utilizza il software per analizzare data e determinare le caratteristiche di ogni tocco. Questo include la dimensione, la forma e la posizione della zona interessata sullo schermo. Se è necessario, il processore organizza i tocchi con caratteristiche simili in gruppi. Se si muove il dito, il processore calcola la differenza tra il punto di partenza ed il punto finale del tocco.
  3. Il processore utilizza il suo software di interpretare i gesti per determinare che movimento è stato fatto. Esso combina il tuo movimento fisico con l'informazione sull'applicazione che si stava utilizzando e che cosa faceva l'applicazione quando tu hai toccato lo schermo.
  4. Il processore trasmette le informazioni al programma in uso. E, se necessario, invia anche comandi allo schermo dell'iPhone ed altro hardware. Se i dati non processati non corrispondono a nessun gesto e comando applicabili, l'iPhone ignora il tocco come se fosse uno estraneo.


L'implementazione del controllore include: ASIC e MCU based, dove ASIC è ad un costo basso per la produzione di massa, mentre MCU ha il vantaggio di un progetto personalizzato ma il prezzo è più alto. I seguenti fornitori forniscono soluzioni touch per i mercati e alcuni di loro hanno già sostenuto multi-touch. Molti venditori stanno sviluppando parti nuove per assistenza. I venditori citati hanno i loro brevetti sulla tecnologia touch.

Synaptics è uno dei sviluppatori importanti di soluzioni "custom-designed user interface" per mobile computing, dispositivi per comunicazione e di intrattenimento. Synaptics si concentra sulle soluzioni touch pad e offre ASIC con I2C/SMBuss.

Taiwan ELAN Microelectronics Company (EMC) ha un brevetto con marchio dalla eFinger e sostiene che esso è competitivo con l'applicazione touch screen, ma richiede la registrazione e ha una causa aperta con Synaptics.

Cypress offre CapSense in molte applicazioni. Per esempio, V3/V8 dalla Motorola, i telefonini LG. CapSense è basato sul PSoc con embedded RISC M8 microcontroller ed è molto facile da utilizzare. La nuova soluzione del touch screen CapSense basata su PSoC offre anche la possibilità di implementare funzioni supplementari al di là di touch screen. Gli stessi dispositivi possono implementare contemporaneamente pulsanti capacitivi e cursori, sostituendo i loro omologi meccanici, cosi come sensori di prossimita'. Gli ingegneri possono trarre vantaggio della disposizione del signale misto del PSoC per implementare delle funzioni al di là di CapSense. Tali funzioni comprendono: pilotare i LED, controlo backlight, motor control, power management, I/O expansion, accelerometri e sensori di luce ambientale. Queste funzioni, in relazione con la comunicazione flessibile, consentono l'integrazione del sistema senza precedenti.La soluzione di Cypress è disponibile utilizzando le tecnologie di proiezione della capacita' programmata e la capacita' di superficie.

Leadis crea soluzioni touch convincenti foccalizate sulla strategia della innovazione e integrazione. Le soluzioni della Leadis sarrano lanciate nel primo semestre del 2008.

ATLab è una società coreana, collabora con ST per offrire " touch screen touch IC" per la tecnologia capacitiva.

Quantum Research Group offre QProx(TM) touch control e sensori IC. Come la Cypress, le sue soluzioni offrono piu' caratteristiche per QSlide e QWheel. Atmel ha già comprato Quantum.

Grazie ad Apple, sempre più partecipanti tentano di gareggiare in questo mercato.

Altri Fornitori


St ha due linee per i touch pad, una accreditata da Quantum (basata sui MCU) e l'altra accreditata da ATLab (basata su ASIC). TI cerca di promuovere il suo MSP430. NXP ha il suo chip per PDA con touch screen DAC all'interno. Altri fornitori, come Microchip o Maxim hanno linee di prodotti simili.

Driver and Application Software

Apple ha registrato un brevetto complementare chiamato "multi-finger gesture" (gesto multi-dita) per la presentazione del movimento del dito. Ma quella parte richiede piu' conoscenza del software del sistema o NYU. Se sei interessato visita siti professionali di MIT o NYU.

Nuovo sviluppo per UI alternativa

Microsoft sta sviluppando "surface computer" che permette di monitorare fino a 52 tocchi.

Anche touch screen è in aumento. Ci sono sensori foto in pixel, polimeri d'onda, luce distribuita, "strain gauge, dual-force touch, laser-point activated touch e 3D touch".

Questioni di brevetti

La maggior parte dei brevetti multi-touch sono tenuti in 3M, Nitto Denko, Oike-Kogyo, Dupont, Apple, IBM per materiali e pannelli, ma più industrie taiwanese o coreane stanno cercando di registrare i loro brevetti sui touch pannels. Siamo sicuri che nostri prodotti non violano questi brevetti. E' difficile per i produttori di telefoni cellulari che stanno cercando di clonare il progetto Apple sui loro prodotti.

Touch Screen Reference Sites

 

 

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