Gestione di un Touch Screen

Interattività è oggi la chiave del successo per ogni applicazione. Una degli esempi più interessanti è la tecnologia dei touch screen che da alcuni anni sta invadendo il mondo dell’elettronica consumer. In questo articolo vedremo come funziona un touch screen e alcuni semplici esempi per gestirlo.

La tecnologia dei touch screen non è affatto recente; nata nella seconda metà degli anni ’60 negli ambienti di ricerca, fu utilizzata per la prima volta nel 1972 nell’ambito di un progetto per la realizzazione di terminali di apprendimento assistito al computer. La grande diffusione si è avuta tuttavia soltanto con la crescente popolarità di smart phones, PDA e console di gioco portatili che ha caratterizzato l’ultimo decennio. Diverse sono oggi le tecnologie nelle quali un touch screen può essere realizzato. Un touch screen di tipo resistivo, ad esempio, consiste tipicamente di una membrana flessibile fatta di un film sottile in PET rivestito da uno strato conduttivo (figura 1).

Figura 1: touch screen di tipo resistivo.

Figura 1: touch screen di tipo resistivo.

Il film è depositato su un substrato anch’esso rivestito di materiale conduttivo e separato da questo mediante spacer. Esercitando una pressione sulla membrana si portano in contatto i due strati di conduttore; il pannello  si comporta allora come il parallelo  di due partitori di tensione in contatto. Applicando delle tensioni di polarizzazione ai due piani conduttivi, come specificato in seguito, è possibile misurare  i valori delle resistenze dei partitori, che sono evidentemente legati alle coordinate della posizione in cui si è esercitata  pressione.  I touch screen resistivi sono tipicamente  i dispositivi più economici ma sono anche piuttosto fragili (possono facilmente essere danneggiati da oggetti appuntiti) sebbene resistenti ad elementi come acqua e polvere.  I touch screen di tipo capacitivo consistono, invece, di una sottile lastra di vetro rivestita di uno strato di metallo connesso a degli elettrodi ad ogni lato dello schermo. In condizioni normali la lastra viene caricata. Esercitando pressione in un punto con un oggetto conduttivo (anche le dita della mano, purché non si indossi un guanto) parte della carica viene rimossa; si modifica, ovvero, la capacità dell’intera struttura. La quantità di carica rimossa dipende dal punto di contatto, che può così essere rilevato. I vantaggi  principali della tecnologia capacitiva sono la buona risoluzione nella misura della posizione, la risposta piuttosto veloce e la capacità di funzionare anche in presenza di agenti contaminanti; tuttavia richiede che la pressione sia esercitata mediante un elemento conduttivo in grado di creare una connessione verso massa dello schermo e soffre inoltre di problemi di drift che impongono una periodica calibrazione dello strumento. Migliori prestazioni si ottengono con la tecnologia a capacità proiettata (Projected Capacitive Technology) che impiega delle microconnessioni all’interno di un laminato composito a base di vetro. I touch screen PCT sono costruiti assemblando una matrice di tali connessioni in un substrato di poliuretano racchiuso tra due piani in fibra di vetro per uno spessore totale di 7 mm. Il controller  dello schermo definisce una specifica frequenza di oscillazione per ognuna delle linee. Applicando pressione con un mezzo conduttivo, si crea localmente una variazione della capacità che a sua volta modifica la frequenza di oscillazione nelle linee contigue al punto di contatto. Misurando tali variazioni può essere ricostruita la posizione. Poiché il campo elettrico generato dalle microfibre conduttive non varia in funzione del tempo e della temperatura,  i touch screen PCT non sono soggetti ad errori della misura dovuti a drift dei parametri e quindi non richiedono una costante ricalibrazione. Consentono di raggiungere risoluzioni nella misura della posizione fino all’1% e sono caratterizzati da un trasparenza alla luce fino dell’88%. Diversa è, invece, la struttura dei touch screen in tecnologia SAW (Surface Acoustic Wave) il cui principio di funzionamento si basa sulla propagazione di un’onda acustica in regime ultrasonico in un materiale elastico; come noto l’ampiezza dell’onda decresce esponenzialmente in funzione delle profondità del mezzo. L’onda può essere generata mediante semplici dispositivi piezoelettrici come quarzi. Lo schermo dispone sui due lati di sensori; applicando una pressione in un punto del pannello si produce un assorbimento dell’onda. Misurando la variazione dell’energia acustica ai bordi è possibile pertanto determinare il punto di contatto. Caratteristiche principali dei touch screen SAW sono l’elevata risoluzione e la quasi assenza di drift nella misura della posizione; inoltre rispondono al contatto con qualunque tipo di oggetto. Tuttavia risultano in genere piuttosto delicati e poco resistenti all’attacco di agenti esterni. Simile è il principio di funzionamento dei touch screen in tecnologia IR (Infra-Red) che utilizzano una matrice di diodi LED e fototransistor ai due lati opposti dello schermo. I LED sono attivati sequenzialmente scandendo in maniera matriciale lo schermo con un fascio di luce infrarosso. In corrispondenza del punto di contatto, il cammino ottico viene ostruito rendendo così possibile determinarne la posizione. I  touch screen ad infrarosso hanno eccellente chiarezza; possono essere utilizzati con una penna o indossando un guanto. Tuttavia sono piuttosto costosi e soffrono di problemi di accuratezza legati a fenomeni di parallasse.

Interfacciare un touch  screen  resistivo

Interfacciare un touch screen in tecnologia resistiva non è poi così complicato. La seguente figura 2 chiarisce meglio il principio di funzionamento che abbiamo descritto in precedenza. Come detto, applicando una pressione si stabilisce un contatto elettrico tra le due superficie metalliche che costituiscono il  touch screen; si determina quindi uno schema di resistenze del tipo mostrato in figura 2.

Figura 2: come funziona un touch screen resistivo (da [1]).

Figura 2: come funziona un touch screen resistivo (da [1]).

Considerando  il materiale omogeneo, il valore delle resistenze Rx+, Rx-, Ry+ ed R y- sarà proporzionale alle coordinate del punto di contatto. Per eseguire la misura della coordinata X sarà sufficiente allora applicare ai capi dello strato X una tensione di polarizzazione nota. Lasciando non connesso l’elettrodo Y- e misurando invece la tensione all’elettrodo Y+ a circuito aperto è possibile determinare il rapporto delle resistenze Rx che rappresentano  il partitore di tensione sul piano X. Allo stesso modo, applicando tensione agli elettrodi del piano Y e misurando la tensione a circuito aperto su X+, è possibile misurare il rapporto delle resistenze, e quindi la posizione, sul piano Y. Oltre alla posizione, è possibile misurare anche il valore della resistenza di contatto che si stabilisce tra i due piani a seguito della pressione; tale misura è importante in tutte quelle applicazioni nelle quali si sia interessati a conoscere non solo la posizione ma anche il  valore proprio della pressione esercitata. In base a quanto esposto, per interfacciare un touch screen in tecnologia resistiva occorrono sostanzialmente un convertitore analogico digitale (con una risoluzione di almeno 10 bit per avere buona precisione nella misura della posizione) e stadi di driving in tensione con una capacità di corrente fino a 25 mA in grado di polarizzazione opportunamente gli elettrodi dei piani di lettura. Queste risorse sono disponibili in molti dei microcontrollori oggi in commercio tra cui, ad esempio, l’ATMega88, un dispositivo di Atmel con architettura AVR caratterizzato da bassa dissipazione di potenza ed elevate prestazioni. Due pin della porta A del micro possono infatti essere utilizzati come ingressi analogici mentre altre due linee servono ad alimentare  i piani di acquisizione dello schermo. Per semplicità, la tensione analogica può essere derivata da quella digitale mediante un semplice filtro LC per ridurre il rumore; la stessa tensione può essere utilizzata come riferimento del convertitore analogicodigitale interno ma conviene sia disaccoppiata mediante un condensatore connesso al pin AREF.  Il circuito descritto è piuttosto semplice, facile da realizzare ed economico; soffre tuttavia di alcuni problemi. Il primo, comune alla maggior parte dei touch screen in tecnologia resistiva, riguarda la suscettibilità del contatto ai rimbalzi che possono determinare glitch falsando la misura.  Il problema può essere risolto con appositi filtri analogici (più complicati e costosi in termini anche di complessità del circuito elettrico) o digitali (ad esempio filtri mediani); ulteriori azioni correttive possono includere il calcolo della resistenza di contatto come anticipato in precedenza, l’accettazione della misura solo se all’interno di un intervallo di rumore predefinito, etc etc. Misure accurate richiedono in genere un numero maggiore di acquisizioni ed elaborazioni e quindi inevitabilmente riducono la prontezza del controller dello schermo; tipicamente stime accurate delle coordinate possono essere generate con un circuito del tipo descritto con tempi di risposta dell’ordine di 50-100 ms. Il secondo problema riguarda invece la presenza di capacità parassite all’interno dello schermo e tra i due piani di misura che finiscono per determinare una costante di tempo non nulla per le tensioni di polarizzazione e i segnali  da misurare. Un esempio piuttosto completo di interfaccia verso un touch screen in tecnologia resistiva mediante microcontrollore che tiene conto delle osservazioni sopra esposte è descritto in [1].

Interfacciare un touch screen capacitivo

Più complessa è invece l’interfaccia verso un touch screen in tecnologia capacitiva. Sono oggi disponibili per questo integrati custom (ad esempio da parte di Atmel o Cypress) con architetture e soluzioni diverse, in alcuni casi anche proprietarie. I dispositivi  QTouch  di Atmel (figura 3), ad esempio, utilizzano la tecnologia capacitiva superficiale.

Figura 3: i dispositivi QTouch di Atmel per touch screen capacitivi.

Figura 3: i dispositivi QTouch di Atmel per touch screen capacitivi.

Un elettrodo, tipicamente realizzato mediante un’area di rame sul circuito stampato ed a contatto diretto con il touch screen, viene caricato ad una tensione nota e quindi viene misurata la variazione di carica (ovvero di capacità dell’intero sistema) dovuta al contatto di un puntatore sullo schermo. Da questa viene quindi ricavata la posizione del punto di contatto. Funzionalità di signal processing rendono la misura affidabile e robusta consentendo di rigettare spike legati a contatti accidentali.  I dispositivi  sono disponibili in due diverse versioni che consentono di rilevare esclusivamente il contatto o anche l’avvicinamento del puntatore; possono gestire uno o più tasti. Nel caso di tasti multipli la tecnologia proprietaria AKS – Adjacent Key Suppression – impiega una tecnica iterativa per misurare ripetutamente la variazione di capacità su ogni tasto così da determinare quello che sia effettivamente stato premuto. Per migliorare gli aspetti di immunità elettromagnetica, i dispositivi QTouch utilizzano modulazione spreadspectrum generando serie di impulsi sparsi e casuali con ritardi piuttosto lunghi tra burst successivi. Caratteristiche simili presentano  i dispositivi QMatrix, che si basano però su una matrice di elettrodi (driver e receiver accoppiati mediante il dielettrico  che costituisce  il pannello dello schermo); sono ideali per sostituire switch meccanici in tutte le applicazioni che prevedano un pannello di controllo, dai sistemi di building automation ai telefoni cellulari. Completano la serie i dispositivi  QField e QTwo caratterizzati da modulazione spread spectrum, filtraggio del rumore, autocalibrazione e compensazione del drift per offrire prontezza ed accuratezza della misura. I dispositivi Single-Touch, Multi-Touch Gestures e Multi-touch All Point della serie TrueTouch di Cypress (vedi [3]), invece, sono tra i primi ad utilizzare la tecnologia PCT descritta in precedenza. Supportano rispettivamente contatto singolo, doppio o multiplo (fino a 10 contemporaneamente) con fino a 44 tasti e display da 8,3 pollici. Sono ideali per applicazioni quali tastiere, video giochi portatili, pannelli di controllo per dispositivi multimediali.

Tabella 1: confronto tra le tecnologie per la realizzazione di touch screen.

Tabella 1: confronto tra le tecnologie per la realizzazione di touch screen.

Conclusioni

La nascita di nuove applicazioni in ambito consumer ha determinato la diffusione dei touch screen in molti ambiti. Nel tempo si sono sviluppate diverse tecnologie piuttosto complesse come quella PCT che risultano precise ed affidabili; sono disponibili in questo caso integrati che realizzano le principali funzionalità facilitando la gestione degli schermi. Nelle applicazioni più semplici, però, come abbiamo visto, ancora una volta può bastare anche un semplice microcontrollore.

 

 

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