触摸屏的主要类型

　　按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，我们把触摸屏分为四种，它们分别为电阻式、电容感应式、红外线式以及表面声波式。每一类触摸屏都有其各自的优缺点，要了解那种触摸屏适用于那种场合，关键就在于要懂得每一类触摸屏技术的工作原理和特点。下面对上述的各种类型的触摸屏进行简要介绍一下：

　　1、 电阻式触摸屏

　　这种触摸屏利用压力感应进行控制。电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜，它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属(透明的导电电阻)导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防擦的塑料层、它的内表面也涂有一层涂层、在他们之间有许多细小的(小于1/1000英寸)的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。 当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化，在X和Y两个方向上产生信号，然后送触摸屏控制器。控制器侦测到这一接触并计算出(X，Y)的位置，再根据模拟鼠标的方式运作。这就是电阻技术触摸屏的最基本的原理。 电阻类触摸屏的关键在于材料科技，常用的透明导电涂层材料有：

　　A、ITO，氧化铟，弱导电体，特性是当厚度降到1800个埃(埃=10-10米)以下时会突然变得透明，透光率为80%，再薄下去透光率反而下降，到300埃厚度时又上升到80%。ITO是所有电阻技术触摸屏及电容技术触摸屏都用到的主要材料，实际上电阻和电容技术触摸屏的工作面就是ITO涂层。

　　B、镍金涂层，五线电阻触摸屏的外层导电层使用的是延展性好的镍金涂层材料，外导电层由于频繁触摸，使用延展性好的镍金材料目的是为了延长使用寿命，但是工艺成本较为高昂。镍金导电层虽然延展性好，但是只能作透明导体，不适合作为电阻触摸屏的工作面，因为它导电率高，而且金属不易做到厚度非常均匀，不宜作电压分布层，只能作为探层。

　　1.1四线电阻屏

　　四线电阻模拟量技术的两层透明金属层工作时每层均增加5V恒定电压：一个竖直方向，一个水平方向。总共需四根电缆。 特点：高解析度，高速传输反应。 表面硬度处理，减少擦伤、刮伤及防化学处理。 具有光面及雾面处理。 一次校正，稳定性高，永不漂移。

　　1.2五线电阻屏

　　五线电阻技术触摸屏的基层把两个方向的电压场通过精密电阻网络都加在玻璃的导电工作面上，我们可以简单的理解为两个方向的电压场分时工作加在同一工作面上，而外层镍金导电层只仅仅用来当作纯导体，有触摸后分时检测内层ITO接触点X轴和Y轴电压值的方法测得触摸点的位置。五线电阻触摸屏内层ITO需四条引线，外层只作导体仅仅一条，触摸屏得引出线共有5条。 特点：解析度高，高速传输反应。 表面硬度高，减少擦伤、刮伤及防化学处理。 同点接触3000万次尚可使用。 导电玻璃为基材的介质。 一次校正，稳定性高，永不漂移。 五线电阻触摸屏有高价位和对环境要求高的缺点

　　1. 3电阻屏的局限

　　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，它可以用任何物体来触摸,可以用来写字画画，比较适合工业控制领域及办公室内有限人的使用。电阻触摸屏共同的缺点是因为复合薄膜的外层采用塑胶材料,不知道的人太用力或使用锐器触摸可能划伤整个触摸屏而导致报废。不过,在限度之内，划伤只会伤及外导电层，外导电层的划伤对于五线电阻触摸屏来说没有关系,而对四线电阻触摸屏来说是致命的。

　　2、 电容式触摸屏

　　2.1电容技术触摸屏

　　是利用人体的电流感应进行工作的。电容式触摸屏是是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层ITO，最外层是一薄层矽土玻璃保护层,夹层ITO涂层作为工作面,四个角上引出四个电极，内层ITO为屏蔽层以保证良好的工作环境。 当手指触摸在金属层上时，由于人体电场，用户和触摸屏表面形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分从触摸屏的四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置。

　　2.2电容触摸屏的缺陷

　　电容触摸屏的透光率和清晰度优于四线电阻屏，当然还不能和表面声波屏和五线电阻屏相比。电容屏反光严重，而且，电容技术的四层复合触摸屏对各波长光的透光率不均匀，存在色彩失真的问题，由于光线在各层间的反射，还造成图像字符的模糊。 电容屏在原理上把人体当作一个电容器元件的一个电极使用，当有导体靠近与夹层ITO工作面之间耦合出足够量容值的电容时，流走的电流就足够引起电容屏的误动作。我们知道，电容值虽然与极间距离成反比，却与相对面积成正比，并且还与介质的的绝缘系数有关。因此，当较大面积的手掌或手持的导体物靠近电容屏而不是触摸时就能引起电容屏的误动作，在潮湿的天气，这种情况尤为严重，手扶住显示器、手掌靠近显示器7厘米以内或身体靠近显示器15厘米以内就能引起电容屏的误动作。 电容屏的另一个缺点用戴手套的手或手持不导电的物体触摸时没有反应，这是因为增加了更为绝缘的介质。 电容屏更主要的缺点是漂移：当环境温度、湿度改变时，环境电场发生改变时，都会引起电容屏的漂移，造成不准确。例如：开机后显示器温度上升会造成漂移：用户触摸屏幕的同时另一只手或身体一侧靠近显示器会漂移;电容触摸屏附近较大的物体搬移后回漂移，你触摸时如果有人围过来观看也会引起漂移;电容屏的漂移原因属于技术上的先天不足，环境电势面(包括用户的身体)虽然与电容触摸屏离得较远，却比手指头面积大的多，他们直接影响了触摸位置的测定。此外，理论上许多应该线性的关系实际上却是非线性，如：体重不同或者手指湿润程度不同的人吸走的总电流量是不同的，而总电流量的变化和四个分电流量的变化是非线性的关系，电容触摸屏采用的这种四个角的自定义极坐标系还没有坐标上的原点，漂移后控制器不能察觉和恢复，而且，4个A/D完成后，由四个分流量的值到触摸点在直角坐标系上的X、Y坐标值的计算过程复杂。由于没有原点，电容屏的漂移是累积的，在工作现场也经常需要校准。 电容触摸屏最外面的矽土保护玻璃防刮擦性很好，但是怕指甲或硬物的敲击，敲出一个小洞就会伤及夹层ITO，不管是伤及夹层ITO还是安装运输过程中伤及内表面ITO层，电容屏就不能正常工作了。

　　3、红外线式触摸屏

　　红外触摸屏是利用X、Y方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸。红外触摸屏在显示器的前面安装一个电路板外框，电路板在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管，一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵。用户在触摸屏幕时，手指就会挡住经过该位置的横竖两条红外线，因而可以判断出触摸点在屏幕的位置。任何触摸物体都可改变触点上的红外线而实现触摸屏操作。 早期观念上，红外触摸屏存在分辨率低、触摸方式受限制和易受环境干扰而误动作等技术上的局限，因而一度淡出过市场。此后第二代红外屏部分解决了抗光干扰的问题，第三代和第四代在提升分辨率和稳定性能上亦有所改进，但都没有在关键指标或综合性能上有质的飞跃。但是，了解触摸屏技术的人都知道，红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适宜恶劣的环境条件，红外线技术是触摸屏产品最终的发展趋势。采用声学和其它材料学技术的触屏都有其难以逾越的屏障，如单一传感器的受损、老化，触摸界面怕受污染、破坏性使用，维护繁杂等等问题。红外线触摸屏只要真正实现了高稳定性能和高分辨率，必将替代其它技术产品而成为触摸屏市场主流。 过去的红外触摸屏的分辨率由框架中的红外对管数目决定，因此分辨率较低，市场上主要国内产品为32x32、40X32，另外还有说红外屏对光照环境因素比较敏感，在光照变化较大时会误判甚至死机。这些正是国外非红外触摸屏的国内代理商销售宣传的红外屏的弱点。而最新的技术第五代红外屏的分辨率取决于红外对管数目、扫描频率以及差值算法，分辨率已经达到了1000X720，至于说红外屏在光照条件下不稳定，从第二代红外触摸屏开始，就已经较好的克服了抗光干扰这个弱点。 第五代红外线触摸屏是全新一代的智能技术产品，它实现了1000*720高分辨率、多层次自调节和自恢复的硬件适应能力和高度智能化的判别识别，可长时间在各种恶劣环境下任意使用。并且可针对用户定制扩充功能，如网络控制、声感应、人体接近感应、用户软件加密保护、红外数据传输等。 原来媒体宣传的红外触摸屏另外一个主要缺点是抗暴性差，其实红外屏完全可以选用任何客户认为满意的防暴玻璃而不会增加太多的成本和影响使用性能，这是其他的触摸屏所无法效仿的。

　　4、表面声波触摸屏

　　4.1 表面声波

　　表面声波，超声波的一种，在介质(例如玻璃或金属等刚性材料)表面浅层传播的机械能量波。通过楔形三角基座(根据表面波的波长严格设计)，可以做到定向、小角度的表面声波能量发射。表面声波性能稳定、易于分析，并且在横波传递过程中具有非常尖锐的频率特性，近年来在无损探伤、造影和退波器方向上应用发展很快，表面声波相关的理论研究、半导体材料、声导材料、检测技术等技术都已经相当成熟。 表面声波触摸屏的触摸屏部分可以是一块平面、球面或是柱面的玻璃平板，安装在CRT、LED、LCD或是等离子显示器屏幕的前面。玻璃屏的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器，右上角则固定了两个相应的超声波接收换能器。玻璃屏的四个周边则刻有45°角由疏到密间隔非常精密的反射条纹。

　　4.2 表面声波触摸屏工作原理

　　以右下角的X-轴发射换能器为例： 发射换能器把控制器通过触摸屏电缆送来的电信号转化为声波能量向左方表面传递，然后由玻璃板下边的一组精密反射条纹把声波能量反射成向上的均匀面传递，声波能量经过屏体表面，再由上边的反射条纹聚成向右的线传播给X-轴的接收换能器，接收换能器将返回的表面声波能量变为电信号。 当发射换能器发射一个窄脉冲后，声波能量历经不同途径到达接收换能器，走最右边的最早到达，走最左边的最晚到达，早到达的和晚到达的这些声波能量叠加成一个较宽的波形信号，不难看出，接收信号集合了所有在X轴方向历经长短不同路径回归的声波能量，它们在Y轴走过的路程是相同的，但在X轴上，最远的比最近的多走了两倍X轴最大距离。因此这个波形信号的时间轴反映各原始波形叠加前的位置，也就是X轴坐标。 发射信号与接收信号波形 在没有触摸的时候，接收信号的波形与参照波形完全一样。当手指或其它能够吸收或阻挡声波能量的物体触摸屏幕时，X轴途经手指部位向上走的声波能量被部分吸收，反应在接收波形上即某一时刻位置上波形有一个衰减缺口。 接收波形对应手指挡住部位信号衰减了一个缺口，计算缺口位置即得触摸坐标 控制器分析到接收信号的衰减并由缺口的位置判定X坐标。之后Y轴同样的过程判定出触摸点的Y坐标。除了一般触摸屏都能响应的X、Y坐标外，表面声波触摸屏还响应第三轴Z轴坐标，也就是能感知用户触摸压力大小值。其原理是由接收信号衰减处的衰减量计算得到。三轴一旦确定，控制器就把它们传给主机。

　　4.3表面声波触摸屏特点

　　清晰度较高，透光率好。高度耐久，抗刮伤性良好(相对于电阻、电容等有表面度膜)。反应灵敏。不受温度、湿度等环境因素影响，分辨率高，寿命长(维护良好情况下5000万次);透光率高(92%)，能保持清晰透亮的图像质量;没有漂移，只需安装时一次校正;有第三轴(即压力轴)响应，目前在公共场所使用较多。 表面声波屏需要经常维护，因为灰尘，油污甚至饮料的液体沾污在屏的表面，都会阻塞触摸屏表面的导波槽，使波不能正常发射，或使波形改变而控制器无法正常识别，从而影响触摸屏的正常使用，用户需严格注意环境卫生。必须经常擦抹屏的表面以保持屏面的光洁，并定期作一次全面彻底擦除。

　　表面声波屏

　　声波屏的三个角分别粘贴着X，Y方向的发射和接收声波的换能器(换能器：由特殊陶瓷材料制成的，分为发射换能器和接收换能器。是把控制器通过触摸屏电缆送来的电信号转化为声波能和由反射条纹汇聚成的表面声波能变为电信号。)，四个边刻着反射表面超声波的反射条纹。当手指或软性物体触摸屏幕，部分声波能量被吸收，于是改变了接收信号，经过控制器的处理得到触摸的X，Y坐标。

　　四线电阻屏

　　四线电阻屏在表面保护涂层和基层之间覆着两层透明电导层ITO(ITO：氧化铟，弱导电体，特性是当厚度降到1800个埃(埃=10-10米)以下时会突然变得透明，再薄下去透光率反而下降，到300埃厚度时透光率又上升。是所有电阻屏及电容屏的主要材料。)，两层分别对应X，Y轴，它门之间用细微透明绝缘颗粒绝缘，当触摸时产生的压力使两导电层接通，由于电阻值的变化而得到触摸的X，Y坐标。

　　五线电阻屏

　　五线电阻屏的基层之上覆有把X，Y两方向的电压场加在同一层的透明电导层ITO，最外层镍金导电层(镍金导电层：五线电阻触摸屏的外层导电层使用的是延展性好的镍金涂层材料，外导电层由于频繁触摸，使用延展性好的镍金材料目的是为了延长使用寿命。)只用来作纯导体，当触摸时，用分时检测接触点X轴和Y轴电压值的方法测得触摸点的位置。内层ITO需四条引线，外层一条，共5根引线。

　　电容屏

　　电容屏表面涂有透明电导层ITO，电压连接到四角，微小直流电散部在屏表面，形成均匀之电场，用手触屏时，人体作为耦合电容一极，电流从屏四角汇集形成耦合电容另一极，通过控制器计算电流传到碰触位置的相对距离得到触摸的坐标 。

　　红外屏

　　红外触摸屏是利用X、Y方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸。红外触摸屏在显示器的前面安装一个电路板外框，电路板在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管，一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵。用户在触摸屏幕时，手指就会挡住经过该位置的横竖两条红外线，因而可以判断出触摸点在屏幕的位置。任何触摸物体都可改变触点上的红外线而实现触摸屏操作。

　　典型触摸屏的工作部分一般由三部分组成，如图1所示：两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极。阻性导体层选用阻性材料，如铟锡氧化物(ITO)涂在衬底上构成，上层衬底用塑料，下层衬底用玻璃。隔离层为粘性绝缘液体材料，如聚脂薄膜。电极选用导电性能极好的材料(如银粉墨)构成，其导电性能大约为ITO的1000倍。

　　触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络，如图2所示。当某一层电极加上电压时，会在该网络上形成电压梯度。如有外力使得上下两层在某一点接触，则在电极未加电压的另一层可以测得接触点处的电压，从而知道接触点处的坐标。比如，在顶层的电极(X+,X-)上加上电压，则在顶层导体层上形成电压梯度，当有外力使得上下两层在某一点接触，在底层就可以测得接触点处的电压，再根据该电压与电极(X+)之间的距离关系，知道该处的X坐标。然后，将电压切换到底层电极(Y+,Y-)上，并在顶层测量接触点处的电压，从而知道Y坐标。

　　2 触摸屏的控制实现

　　现在很多PDA应用中，将触摸屏作为一个输入设备，对触摸屏的控制也有专门的芯片。很显然，触摸屏的控制芯片要完成两件事情：其一，是完成电极电压的切换;其二，是采集接触点处的电压值(即A/D)。本文以BB (Burr-Brown)公司生产的芯片ADS7843为例，介绍触摸屏控制的实现。

　　2.1 ADS7843的基本特性与典型应用

　　ADS7843是一个内置12位模数转换、低导通电阻模拟开关的串行接口芯片。供电电压2.7~5 V，参考电压VREF为1 V~+VCC，转换电压的输入范围为0~ VREF，最高转换速率为125 kHz。ADS7843的引脚配置如图3所示。表1为引脚功能说明，图4为典型应用。

　　2.2 ADS7843的内部结构及参考电压模式选择

　　ADS7843之所以能实现对触摸屏的控制，是因为其内部结构很容易实现电极电压的切换，并能进行快速A/D转换。图5所示为其内部结构，A2~A0和SER/为控制寄存器中的控制位，用来进行开关切换和参考电压的选择。

　　ADS7843支持两种参考电压输入模式：一种是参考电压固定为VREF，另一种采取差动模式，参考电压来自驱动电极。这两种模式分别如图6(a)、(b)所示。采用图6(b)的差动模式可以消除开关导通压降带来的影响。表2和表3为两种参考电压输入模式所对应的内部开关状况。

　　2.3 ADS7843的控制字及数据传输格式

　　ADS7843的控制字如表4所列，其中S为数据传输起始标志位，该位必为1。A2~A0进行通道选择(见表2和3)。

　　MODE用来选择A/D转换的精度，1选择8位，0选择12位。

　　SER/选择参考电压的输入模式(见表2和3)。PD1、PD0选择省电模式：

　　00省电模式允许，在两次A/D转换之间掉电，且中断允许;

　　01同00，只是不允许中断;

　　10保留;

　　11禁止省电模式。

　　为了完成一次电极电压切换和A/D转换，需要先通过串口往ADS7843发送控制字，转换完成后再通过串口读出电压转换值。标准的一次转换需要24个时钟周期，如图7所示。由于串口支持双向同时进行传送，并且在一次读数与下一次发控制字之间可以重叠，所以转换速率可以提高到每次16个时钟周期，如图8所示。如果条件允许，CPU可以产生15个CLK的话(比如FPGAs和ASICs),转换速率还可以提高到每次15个时钟周期，如图9所示。

　　2.4 A/D转换时序的程序设计

　　ADS7843的典型应用如图4所示。假设μP接口与51单片机的P1.3~P1.7相连，现以一次转换需24个时钟周期为例，介绍A/D转换时序的程序设计。

　　; A/D 接口控制线

　　DCLK BIT P1.3

　　CS BIT P1.4

　　DIN BIT P1.5

　　BUSY BIT P1.6

　　DOUT BIT P1.7

　　; A/D 通道选择命令字和工作寄存器

　　CHX EQU 094H ;通道X+的选择控制字

　　CHY EQU 0D4H;通道Y+的选择控制字

　　CH3 EQU 0A4H

　　CH4 EQU 0E4H

　　AD_CH EQU 35H ;通道选择寄存器

　　AD_RESULTH EQU 36H ;存放12 bit A/D值

　　AD_RESULTL EQU 37H

　　; 存放通道CHX+的A/D值

　　CHXAdResultH EQU 38H

　　CHXAdResultL EQU 39H

　　; 存放通道CHY+的A/D值

　　CHYAdResultH EQU 3AH

　　CHYAdResultL EQU 3BH

　　; 采集通道CHX+的程序段(CHXAD)

　　CHXAD: MOV AD_CH,#CHX

　　LCALL AD_RUN

　　MOV CHXAdResultH,AD_RESULTH

　　MOV CHXAdResultL,AD_RESULTL

　　RET

　　; 采集通道CHY+的程序段(CHYAD)

　　CHYAD: MOV AD_CH,#CHY

　　LCALL AD_RUN

　　MOV CHYAdResultH,AD_RESULTH

　　MOV CHYAdResultL,AD_RESULTL

　　RET

　　; A/D转换子程序(AD_RUN)

　　; 输入: AD_CH-模式和通道选择命令字

　　; 输出: AD_RESULTH,L ;12 bit的A/D转换值

　　; 使用: R2 ;辅助工作寄存器

　　AD_RUN:

　　CLR CS ; 芯片允许

　　CLR DCLK

　　MOV R2,#8 ;先写8 bit命令字

　　MOV A,AD_CH

　　AD_LOOP:

　　MOV C, ACC.7

　　MOV DIN,C ;时钟上升沿锁存DIN

　　SETB DCLK ;开始发送命令字

　　CLR DCLK ;时钟脉冲，一共24个

　　RL A

　　DJNZ R2,AD_LOOP

　　NOP

　　NOP

　　NOP

　　NOP

　　ADW0: JNB BUSY,AD_WAIT ;等待转换完成

　　SJMP ADW1

　　AD_WAIT:

　　LCALL WATCHDOG

　　NOP

　　SJMP ADW0

　　CLR DIN

　　ADW1: MOV R2,#12 ;开始读取12bit结果

　　SETB DCLK

　　CLR DCLK

　　AD_READ:

　　SETB DCLK

　　CLR DCLK ;用时钟的下降沿读取

　　MOV A,AD_RESULTL

　　MOV C,DOUT

　　RLC A

　　MOV AD_RESULTL,A

　　MOV A,AD_RESULTH

　　RLC A

　　MOV AD_RESULTH,A

　　DJNZ R2,AD_READ

　　MOV R2,#4 ;最后是没用的4个时钟

　　IGNORE:

　　SETB DCLK

　　CLR DCLK

　　DJNZ R2,IGNORE

　　SETB CS ;禁止芯片

　　ANL AD_RESULTH,#0FH ;屏蔽高4 bit

　　RET

　　2.5 A/D转换结果的数据格式

　　ADS7843转换结果为二进制格式。需要说明的是，在进行公式计算时，参考电压在两种输入模式中是不一样的。而且，如果选取8位的转换精度，1LSB=VREF/256，一次转换完成时间可以提前4个时钟周期，此时串口时钟速率也可以提高一倍。

　　结束语

　　在许多嵌入式系统中，CPU提供专门的模块来支持液晶显示和触摸屏的输入，使得接口非常简单。比如，MOTOROLA的MC68VZ328(称为 Dragon Ball)就提供专门的引脚来支持8位和4位的液晶显示，对触摸屏的支持通过SPI2借助ADS7843也很容易完成。