觸摸屏的性能及應用

原理和分類(lèi)

觸摸屏系統一般包括兩個(gè)部分：觸摸檢測裝置和觸摸屏控制器。觸摸檢測裝置安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測用戶(hù)觸摸位置，接收后送觸摸屏控制器；觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點(diǎn)檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉換成觸點(diǎn)坐標，再送給CPU，它同時(shí)能接收CPU發(fā)來(lái)的命令并加以執行。

隨著(zhù)科技的進(jìn)步，觸摸屏技術(shù)也經(jīng)歷了從低檔向高檔逐步升級和發(fā)展的過(guò)程。根據其工作原理，其目前一般被分為四大類(lèi)：電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、紅外線(xiàn)式觸摸屏和表面聲波觸摸屏。

1. 電阻式觸摸屏
   
   電阻觸摸屏的屏體部分是一塊多層復合薄膜，由一層玻璃或有機玻璃作為基層，表面涂有一層透明的導電層(ITO膜)，上面再蓋有一層外表面經(jīng)過(guò)硬化處理、光滑防刮的塑料層。它的內表面也涂有一層ITO，在兩層導電層之間有許多細小(小于千分之一英寸)的透明隔離點(diǎn)把它們隔開(kāi)。當手指接觸屏幕時(shí)，兩層ITO發(fā)生接觸，電阻發(fā)生變化，控制器根據檢測到的電阻變化來(lái)計算接觸點(diǎn)的坐標，再依照這個(gè)坐標來(lái)進(jìn)行相應的操作。電阻屏根據引出線(xiàn)數多少，分為四線(xiàn)、五線(xiàn)等類(lèi)型。五線(xiàn)電阻觸摸屏的外表面是導電玻璃而不是導電涂覆層，這種導電玻璃的壽命較長(cháng)，透光率也較高。
   
   電阻式觸摸屏的ITO涂層若太薄則容易脆斷，涂層太厚又會(huì )降低透光且形成內反射降低清晰度。由于經(jīng)常被觸動(dòng)，表層ITO使用一定時(shí)間后會(huì )出現細小裂紋，甚至變型，因此其壽命并不長(cháng)久。
   
   電阻式觸摸屏價(jià)格便宜且易于生產(chǎn)，因而仍是人們較為普遍的選擇。四線(xiàn)式、五線(xiàn)式以及七線(xiàn)、八線(xiàn)式觸摸屏的出現使其性能更加可靠, 同時(shí)也改善了它的光學(xué)特性。
   
2. 電容式觸摸屏
   
   電容式觸摸屏的四邊均鍍上了狹長(cháng)的電極，其內部形成一個(gè)低電壓交流電場(chǎng)。觸摸屏上貼有一層透明的薄膜層，它是一種特殊的金屬導電物質(zhì)。當用戶(hù)觸摸電容屏時(shí)，用戶(hù)手指和工作面形成一個(gè)耦合電容，因為工作面上接有高頻信號，于是手指會(huì )吸走一個(gè)很小的電流，這個(gè)電流分別從屏的四個(gè)角上的電極中流出；且理論上流經(jīng)四個(gè)電極的電流與手指到四角的距離成比例，控制器通過(guò)對四個(gè)電流比例的精密計算，即可得出接觸點(diǎn)位置。
   
   電容觸摸屏的雙玻璃不但能保護導體及感應器，更能有效地防止外在環(huán)境因素對觸摸屏造成影響，就算屏幕沾有污穢、塵?；蛴蜐n，電容式觸摸屏依然能準確算出觸摸位置。但由于電容隨溫度、濕度或接地情況的不同而變化，其穩定性較差，往往會(huì )產(chǎn)生漂移現象。
   
   盡管不像電阻式應用那么廣, 電容式觸摸屏也是受歡迎的供選類(lèi)型。這類(lèi)設備精確、反應快，尺寸稍大時(shí)也有較高分辨率, 更耐用(抗刮擦), 因而適合用作游戲機的觸摸屏。而且，新出現的近場(chǎng)成像技術(shù)改良了電容式觸摸屏的性能, 減弱了在它和電阻式觸摸屏中可能出現的漂移現象。
   
3. 紅外線(xiàn)式觸摸屏
   
   紅外觸摸屏的四邊排布了紅外發(fā)射管和紅外接收管，它們一一對應形成橫豎交叉的紅外線(xiàn)矩陣。用戶(hù)在觸摸屏幕時(shí)，手指會(huì )擋住經(jīng)過(guò)該位置的橫豎兩條紅外線(xiàn)，控制器通過(guò)計算即可判斷出觸摸點(diǎn)的位置。
   
   紅外觸摸屏也同樣不受電流、電壓和靜電干擾，適宜于某些惡劣的環(huán)境。其主要優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉、安裝方便，可以用在各檔次的計算機上。此外，由于沒(méi)有電容充放電過(guò)程，響應速度比電容式快，但分辨率較低。
   
4. 表面聲波觸摸屏
   
   表面聲波是超聲波的一種，它是在介質(zhì)(例如玻璃或金屬等剛性材料)表面淺層傳播的機械能量波。通過(guò)楔形三角基座（根據表面波的波長(cháng)嚴格設計），可以做到定向、小角度的表面聲波能量發(fā)射。表面聲波性能穩定、易于分析，并且在橫波傳遞過(guò)程中具有非常尖銳的頻率特性，近年來(lái)在無(wú)損探傷、造影和退波器等應用中發(fā)展很快。
   
   這種觸摸屏的顯示屏四角分別設有超聲波發(fā)射換能器及接收換能器，能發(fā)出一種超聲波并覆蓋屏幕表面。當手指碰觸顯示屏時(shí)，由于吸收了部分聲波能量，使接收波形發(fā)生變化，即某一時(shí)刻波形有一個(gè)衰減缺口，控制器依據衰減的信號即可計算出觸摸點(diǎn)位置。
   
   表面聲波觸摸屏不受溫度、濕度等環(huán)境因素影響，分辨率極高，有極好的防刮性，壽命長(cháng)(5000萬(wàn)次無(wú)故障)，透光率高(92％)，能保持清晰透亮的圖像；沒(méi)有漂移，只需安裝時(shí)一次校正；有第三軸(即壓力軸)響應，最適合公共場(chǎng)所使用。
   
   表面聲波觸摸屏易受水滴、灰塵的影響，改進(jìn)的方法是加防塵條，或者增加對污物的監控，準確識別出有效的操作和污物之間的區別。另外，由于聲波屏能感受壓力，無(wú)形中增加了控制手段，對屏功能的擴展十分有利，其應用范圍因此而大大拓展。

觸摸屏的基本技術(shù)

1. 絕對坐標系統
   
   觸摸屏是一種絕對坐標系統，其特點(diǎn)就是當前定位坐標與上一次定位坐標沒(méi)有關(guān)系，每次觸摸的數據通過(guò)校準直接轉化為屏幕上的坐標。不管在什么情況下，觸摸屏這套坐標體系對同一點(diǎn)的輸出數據都是穩定的。不過(guò)，它并不能保證每一次對同一點(diǎn)觸摸的采樣都相同，即不能保證絕對坐標定位，這就是所謂的漂移問(wèn)題。
   
2. 定位
   
   各種觸摸屏都是依靠傳感器來(lái)工作的，甚至有的觸摸屏本身就是一套傳感器。它們各自的定位原理和各自所用的傳感器決定了觸摸屏的反應速度、可靠性、穩定性和壽命。各類(lèi)觸摸屏的技術(shù)特性如表1所示。

表1 各種觸摸屏基本技術(shù)對照表

觸摸屏的性能比較

電阻式觸摸屏工作在與外界完全隔離的環(huán)境中，它不怕灰塵、水氣和油污，可以用任何物體來(lái)觸摸，比較適合工業(yè)控制領(lǐng)域使用。缺點(diǎn)是由于復合薄膜的外層采用塑料，太用力或使用銳器觸摸可能劃傷觸摸屏。

電容式觸摸屏的分辨率很高，透光率也不錯，可以很好地滿(mǎn)足各方面的要求，在公共場(chǎng)所常見(jiàn)的就是這種觸摸屏。不過(guò)，電容式觸摸屏把人體當作電容器的一個(gè)電極使用，當有導體靠近并與夾層ITO工作面之間耦合出足夠大的電容時(shí)，流走的電流就會(huì )引起電容式觸摸屏的誤動(dòng)作；另外，戴著(zhù)手套或手持絕緣物體觸摸時(shí)會(huì )沒(méi)有反應，這是因為增加了絕緣的介質(zhì)。

紅外線(xiàn)觸摸屏是靠測定紅外線(xiàn)的通斷來(lái)確定觸摸位置的，與觸摸屏所選用的透明擋板的材料無(wú)關(guān)(有一些根本就沒(méi)有使用任何擋板) 。因此，選用透光性能好的擋板, 并加以抗反光處理，可以得到很好的視覺(jué)效果。但是，受到紅外線(xiàn)發(fā)射管體積的限制，不可能發(fā)射高密度的紅外線(xiàn)，所以這種觸摸屏的分辨率不高。另外，由于紅外線(xiàn)觸摸屏依靠紅外感應來(lái)工作，外界光線(xiàn)變化，如陽(yáng)光或室內燈等均會(huì )影響其準確度。

表面聲波技術(shù)非常穩定，而且表面聲波觸摸屏的控制器靠測量衰減時(shí)刻在時(shí)間軸上的位置來(lái)計算觸摸位置，所以其精度非常高。表面聲波觸摸屏還具有第三軸(z軸)，也就是壓力軸—通過(guò)計算接收信號衰減處的衰減量可得到用戶(hù)觸摸屏幕的力量大小，最多可分為2 5 6級力度。力量越大，接收信號波形上的衰減缺口也就越寬越深，在所有的觸摸屏中，只有表面聲波觸摸屏具有感知觸摸壓力的性能。

應用場(chǎng)合

根據對觸摸屏的結構、原理和性能特點(diǎn)的分析，不同觸摸屏的適用場(chǎng)合如下所示。

四線(xiàn)電阻觸摸屏：不怕灰塵、油污和光電干擾，怕劃傷是其主要缺陷。適用于有固定用戶(hù)的公共場(chǎng)所，如工業(yè)控制現場(chǎng)、辦公室、家庭等。

五線(xiàn)電阻觸摸屏：極好的靈敏度和透光度，較長(cháng)的使用壽命，不怕灰塵、油污和光電干擾，適用于各類(lèi)公共場(chǎng)所，尤其適用于要求精密的工業(yè)控制現場(chǎng)等。

電容感應觸摸屏：由于電容隨溫度、濕度或接地情況的不同而變化，故其穩定性較差，往往會(huì )產(chǎn)生漂移現象。怕電磁場(chǎng)干擾、漂移，不易在工業(yè)控制場(chǎng)所和有干擾的地方使用?？墒褂糜谝蟛惶艿墓残畔⒉樵?xún)；需要經(jīng)常校準、定位。

紅外線(xiàn)感應觸摸屏：分辨率較低，但不受電流、電壓和靜電干擾，適宜某些惡劣的環(huán)境條件；適用于無(wú)紅外線(xiàn)和強光干擾的各類(lèi)公共場(chǎng)所、辦公室以及要求不是非常精密的工業(yè)控制現場(chǎng)。

表面聲波觸摸屏：純玻璃材質(zhì)、透光性最好、使用壽命長(cháng)、抗劃傷性好，適用于未知用戶(hù)的各類(lèi)公共場(chǎng)所。但怕長(cháng)時(shí)間的灰塵積累和油污的浸染，所以使用于環(huán)境干凈的場(chǎng)所更好。否則，需要定期的清潔服務(wù)。

發(fā)展趨勢

觸摸屏技術(shù)方便了人們對計算機的操作使用，是一種極有發(fā)展前途的交互式輸入技術(shù)。世界各國對此普遍給予重視，并投入大量的人力物力進(jìn)行研發(fā)，新型觸摸屏不斷涌現。

觸摸筆：利用觸摸筆進(jìn)行操作的觸摸屏類(lèi)似白板，除顯示界面、窗口、圖標外，觸摸筆還具有簽名、標記的功能。這種觸摸筆比早期只提供選擇菜單的光筆功能大大增強。

觸摸板：觸摸板采用了壓感電容式觸摸技術(shù)，屏幕面積最大。它由三部分組成：最底層是中心傳感器，用于監視觸摸板是否被觸摸，然后對信息進(jìn)行處理，中間層提供了交互用的圖形、文字等，最外層是觸摸表層，由強度很高的塑料材料構成。當手指點(diǎn)觸外層表面時(shí)，在千分之一秒內就可以將此信息送到傳感器并進(jìn)行登錄處理。除與PC兼容，它還具有亮度高、圖像清晰、易于交互等特點(diǎn)，因而被應用于指點(diǎn)式信息查詢(xún)系統（如電子公告板），收到了非常好的效果。

總之，觸摸屏的發(fā)展呈現專(zhuān)業(yè)化、多媒體化、立體化和大屏幕化等趨勢。隨著(zhù)信息社會(huì )的發(fā)展，人們需要獲得各種各樣公共信息。以觸摸屏技術(shù)為交互窗口的公共信息傳輸系統通過(guò)采用先進(jìn)的計算機技術(shù)，運用文字、圖像、音樂(lè )、解說(shuō)、動(dòng)畫(huà)、錄像等多種形式，直觀(guān)、形象地把各種信息介紹給人們，給人們帶來(lái)極大的方便?？梢灶A見(jiàn)，隨著(zhù)觸摸屏技術(shù)的迅速發(fā)展，觸摸屏的應用領(lǐng)域會(huì )越來(lái)越廣，性能會(huì )越來(lái)越好。

參考文獻

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2. 王衛京. 認識觸摸屏. 微型計算機. 2000(12)，P88-91.