ЧТО ТАКОЕ ПРОГРАММА ТРЕНИРОВОК?

 

 

Для передачи данных от контроллера к компьютеру используется обычно USB или последовательный (Com) интерфейс. Сенсорные экраны различных принципов действия могут работать с плоскопанельными отображающими устройствами (плазменными и жидкокристаллическими панелями), проекционными экранами (с фронтальной и обратной проекцией) и экранами на основе электронно-лучевой трубки (плоскими, цилиндрическими и сферическими). Принцип действия отображающего устройства, снабженного сенсорным экраном, в общем случае можно описать следующим образом. На экран отображающего устройства выводится некоторая графическая информация. Например, это может быть стандартный интерфейс операционной системы или графическая оболочка интеллектуального справочного киоска на вокзале. Пользователь видит изображение через плотно прилегающий прозрачный сенсорный экран и, при необходимости, касается изображения в определенных точках. Контроллер сенсорного экрана передает информацию с датчиков в компьютер, где окончательно вычисляются координаты точки прикосновения. Далее производится сопоставление координат, поступивших с контроллера, с координатами программных элементов интерфейса и определяется элемент интерфейса, который хотел указать пользователь. Таким образом, снабженный сенсорным экраном дисплей позволяет без помощи клавиатуры и мыши перемещать курсор, нажимать на кнопки, открывать папки, запускать программы, вводить текст с помощью экранной клавиатуры и рисовать. Благодаря способности не только выводить изображение, но и вводить данные, такие устройства называют интерактивными или, реже, - интеллектуальными (Smart Board). Необходимо отметить, что в нашей стране сенсорные экраны появились сравнительно недавно, а потому существует некоторая путаница в названиях устройств. Например, термином «сенсорный экран» называют совокупность сенсорных датчиков (в виде панели) и контроллера, также обозначают отображающее устройство, снабженное накладным или встроенным сенсорным экраном.

 

 

 

3. Конструкция 4-проводного

резестивного экрана

 

Первые сенсорные экраны создавались с использованием прозрачной резистивной пленки. Эта технология широко распространена и сейчас. Существуют 4, 5 и 8-проводные резистивные сенсорные экраны. Основу конструкции 4-проводного экрана составляют две прозрачные пленки из полиэстера (polyester), майлара (mylar), пластизола (plastisol, PL) или полиэтилентерефталата (polyethylene terephtalate, PET), находящиеся друг напротив друга и разделенные микроскопическими шариками-изоляторами. Внутренние, обращенные друг к другу поверхности пленок покрыты прозрачным токопроводящим (резистивным) составом на основе двуокиси индия и олова (indium tin oxide - ITO). Для определенности назовем один из резистивных слоев задним, а другой, расположенный ближе к наблюдателю. Контакт с этими слоями обеспечивается посредством двух пар металлизированных полосок-электродов. Первая пара расположена вертикально, по краям заднего слоя, а вторая пара -горизонтально, по краям переднего слоя. Все четыре электрода подключены к микроконтроллеру, который последовательно определяет координаты точки касания по горизонтали и вертикали. Работу контроллера в первом случае можно приблизительно описать следующим образом. На вертикальные электроды заднего резистивного слоя подается постоянное напряжение, например, 5 В, и от одного электрода к другому протекает некоторый ток I. При этом на каждом горизонтальном участке заднего резистивного слоя ток создает падение напряжения, пропорциональное длине участка.

 

4. Определение координат точки касания.

 

 

При касании экрана передний резистивный слой деформируется и касается заднего слоя. В этом случае передний слой выполняет роль щупа, определяющего напряжение на заднем слое в точке касания. Горизонтальные электроды переднего слоя замыкаются микроконтроллером накоротко (для уменьшения влияния сопротивления переднего резистивного слоя) и суммарный сигнал поступает через буферный каскад, (имеющий большое входное сопротивление) на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Напряжение на входе АЦП определяет положение точки касания по горизонтали. Для определения координаты по вертикали передний и задний резистивные слои «меняются местами»: на горизонтальные электроды переднего слоя микроконтроллер подает постоянное напряжение, а электроды заднего слоя замыкает, (этот слой используется как щуп). Определение координат точки касания производится микроконтроллером с высокой скоростью более ста раз в секунду. Слабым звеном 4-проводного экрана является передняя пленка из полиэстера. Многократные деформации приводят к разрушению проводящего слоя, в результате чего уменьшается точность определения координат. Производители гарантируют стабильную работу устройства при количестве нажатий в одной точке до миллиона.

 

 

 

5. 8-проводной экран.

 

8-проводные экраны отличаются от 4-проводных незначительно - для повышения точности определения координат введены дополнительные 4 проводника, которые соединены с теми же самыми двумя парами металлизированных электродов, расположенных по краям проводящих покрытий. Однако надежности экрана в целом это не увеличивает.

 

6. 5-проводной резестивный экран.

 

 

А вот 5-проводный резистивный экран обладает улучшенными характеристиками. Переднее резистивное покрытие, подвергающееся деформации при касании, заменено проводящим и используется исключительно в качестве щупа. А заднее резистивное покрытие наносится не на пленку полиэстера, а на стекло. Поэтому к названию 5-проводных экранов часто добавляют аббревиатуру FG (Film on Glass). Четыре электрода, которые создают вертикальный и горизонтальный градиент напряжений, находятся на заднем резистивном слое. Пятый электрод является выводом переднего проводящего слоя-щупа. Повреждение этого слоя при деформации практически не влияет на точность определения координат, поэтому такие экраны более надежные. Считается, что они выдерживают до 35 миллионов нажатий в одной точке. Кроме того, 5-проводные экраны, в отличие от 4 и 8-проводных, допускают установку на сферические или цилиндрические экраны отображающих устройств на основе ЭЛТ.

7. Резестивная технология.

 

 

Резистивная технология позволяет определять координаты точки касания с высокой точностью. Теоретически, применение 12-разрядных АЦП позволяет различать 4096 уровней напряжения или столько же точек по горизонтали или вертикали. На практике разрешающая способность вдвое ниже, однако этого вполне достаточно при использовании резистивного экрана, например для рисования или ведения записей в электронном блокноте. К достоинствам резистивных экранов следует отнести: возможность активации (касания) любым предметом (пальцем, банковской карточкой или тупым концом скальпеля), стойкость к пыли, влаге и загрязнению поверхности, низкую стоимость и простоту установки. Основные недостатки - низкая прозрачность (примерно 75% для 4 и 8-проводных экранов и до 85% - для 5-проводных), недостаточная механическая прочность (экран можно повредить острым предметом), плохая работа при низких температурах, (что связано с уменьшением эластичности передней деформируемой пленки). Кроме того, резистивный экран способен распознавать только одну точку касания, то есть если при вводе текста ладонь руки давит на экран, то координаты вычисляются неверно. Резистивные экраны распространены очень широко. Они применяются там, где не требуется высокое качество цветопередачи и исключена возможность актов вандализма, например, в POS (point of sail)-системах (кассовые терминалы), карманных компьютерах, GPS-навигаторах, промышленном и медицинском оборудовании, сложных измерительных приборах и других подобных устройствах.

8. Устройство ёмкостного экрана.

 

Определение координат точки касания в емкостных экранах осуществляется, в первую очередь, благодаря особенностям физического строения тела человека - способности проводить электрический ток и вытекающего отсюда наличия определенной электрической емкости. Рассмотрим устройство емкостного экрана. На прочное стекло, служащее основой конструкции, нанесен резистивный слой, соединенный с четырьмя электродами, расположенными по углам экрана.

 

Для защиты от повреждений слой покрыт снаружи тонкой пленкой специального проводящего состава. Все четыре электрода подключены к микроконтроллеру, который определяет координаты точки касания, сравнивая либо броски напряжения на четырех токовых датчиках, либо частоты четырех идентичных генераторов, в которых задающие RC-цепочки шунтированы изменяющимися емкостями электродов экрана. Рассмотрим первый случай, как наиболее простой. На все четыре электрода через прецизионные резисторы равных номиналов, служащие токовыми датчиками, микропроцессор подает некоторое напряжение, например, 5 В. В итоге все четыре электрода панели имеют одинаковый потенциал, поэтому ток не течет и не создает на токовых датчиках падения напряжения. Когда проводящего экрана касается человек, ситуация изменяется. Дело в том, что тело человека проводит ток, а потому обычно имеет потенциал земли – нулевой (сетевые и высокочастотные наводки имеют очень малую амплитуду). При касании пальцем или проводящим предметом сенсорного экрана на проводящем слое появляется точка, потенциал которой меньше, чем потенциалы четырех электродов, поэтому возникает электрический ток. Он течет от источника питания, через токовые датчики, участки резистивного покрытия и тело человека. Чем ближе точка касания к электроду, тем меньше участок резистивного покрытия и, следовательно, меньше сопротивление этого участка, а значит - больше амплитуда тока. Для преобразования тока в напряжение служат прецизионные резисторы, сигналы с которых подаются на четыре отдельных АЦП. Сравнение сигналов на выходах этих АЦП позволяет определить координаты точки касания.

Точность емкостных экранов сравнима с точностью резистивных. Меньшее количество слоев делает их более прозрачными (до 90%). Отсутствие элементов, подвергающихся деформации, увеличивает надежность - такие экраны допускают более 200 миллионов нажатий в одну точку и позволяют работать при достаточно низких температурах (до –15^° С). Однако переднее проводящее покрытие, участвующее в определении координат, боится механических повреждений, влаги (конденсата) и любых проводящих ток загрязнений экрана. Недостатками таких экранов являются: необходимость касания только проводящим предметом (пальцем или или специальной указкой -стилусом (stylus), проводящим ток), кроме того, пользователь должен иметь достаточно хороший контакт с «землей», иначе после нескольких касаний он приобретает потенциал экрана, и в работе микроконтроллера начинаются сбои. Эти экраны, так же как и резистивные, не допускают одновременного нажатия в двух точках. Сфера применения практически такая же, как и у резистивных экранов, однако наличие статического заряда и протекающего через тело человека тока ограничивает использование, например, в медицинском оборудовании. Емкостные экраны надежнее резистивных, и потому предпочтительнее при интенсивном использовании. Их применяют в справочных системах, где мала вероятность намеренного повреждения - например, в аптеках, библиотеках и театрах.

9. Устройство РСТ экранов. Изменение ёмкости электродов.

 

От большинства перечисленных выше недостатков свободен другой вид емкостных экранов, обычно называемых проекционно-емкостными или поверхностно-емкостными (фирменные названия соответственно - «projected capacitive technology», PCT и «surface capacitive»). В конструкции используется две системы из вертикальных и горизонтальных хорошо проводящих ток электродов, изолированных друг от друга слоем стекла и образующих решетку.

 

 

 

Каждый электрод, будучи проводником, имеет некоторую электрическую емкость. Можно сказать, что в данном случае мы имеем дело со своеобразным конденсатором, одной обкладкой которого является сам электрод, а другой - любой проводящий ток предмет, например, человек. Все горизонтальные электроды (и все вертикальные) имеют одинаковые размеры, форму и проводимость, поэтому, при отсутствии вблизи экрана проводящих предметов, их емкости приблизительно равны. Микроконтроллер последовательно подает на каждый из электродов импульс напряжения и измеряет амплитуду возникающего импульса тока, который заряжает «конденсатор».

. Изменение ёмкости электродов.

 

 

При поднесении к экрану проводящего предмета, например, пальца, емкость электродов меняется.

 

 

 

Чем ближе электрод находится к проводящему предмету, тем больше его емкость, потому что, как известно из физики, емкость обратно пропорциональна расстоянию между обкладками. А чем больше емкость электрода, тем больше импульс «заряжающего» тока. Микроконтроллер сравнивает эти импульсы и находит электрод, имеющий максимальную емкость - это и есть координата точки касания.

Принцип действия этой технологии можно рассмотреть с другой точки зрения. При последовательном сканировании всех электродов вблизи поверхности экрана создается электрическое поле, напряженность которого во всех точках примерно одинакова. Проводящий предмет, поднесенный к экрану, модулирует (изменяет) картину распределения напряженности поля. Микропроцессор фиксирует изменения и вычисляет координаты положения проводящего предмета. Отсюда вытекает второе название технологии - Near Field Imaging (NFI).

PCT-экраны имеют высокую прозрачность (до 90%) и способны работать в очень широком диапазоне температур (от – 40 ^° С до 60^° С). Загрязнения поверхности экрана, проводящие электрический ток, а также влажность вносят определенный вклад в изменение напряженности поля на поверхности экрана. Однако это изменение является постоянным, оно фиксируется электроникой и вычитается при анализе, то есть, другими словами, игнорируется. Высокая чувствительность позволяет использовать для защиты экрана очень толстое (до 12 мм) и очень прочное стекло. Кроме того, для активации экрана не обязателен электрический контакт, (то есть можно касаться экрана рукой в перчатке), и не накладывается особых требований к проводимости человека и пола (земли). Другой важной особенностью является возможность регистрации одновременно нескольких точек касания, причем экран способен различать, например, касание стилусом и рукой. Обычно используется проводящий ток стилус, который вдобавок соединяется с системным блоком компьютера, приобретая нулевой потенциал, что позволяет ему вызывать значительно бОльшие изменения емкости электродов, нежели пальцу руки. Одновременное использование стилуса и пальца руки позволяет более полно эмулировать работу мыши и ее клавиш. Кроме того, экран позволяет игнорировать ладонь руки, касающейся экрана при рисовании или письме.

 

10. Недостатки РСТ-устройств.

 

 

К недостаткам PCT-устройств следует отнести меньшую, чем у лучших моделей традиционных емкостных экранов, разрешающую способность, которой, тем не менее, достаточно для рисования или ввода надписей. Кроме того, при наличии очень толстого защитного стекла возрастает погрешность определения координат по краям экрана. Дело здесь в том, что пользователь касается не объекта на дисплее, а его проекции на переднюю поверхность стекла сенсорного экрана. А при большом угле наблюдения (относительно нормали к экрану) и значительной толщине стекла, эта проекция находится не строго над объектом, а смещается в сторону (параллакс). Другими словами, палец упирается в стекло не совем там, где находится желаемая точка.

 

11. Конструкция матричных сенсорных экранов.

 

 

Конструкция матричных сенсорных экранов, называемых иногда цифровыми, очень схожа с конструкцией резистивных экранов, только вместо сплошных резистивных слоев используются горизонтальные и вертикальные прозрачные проводящие полосы. При касании экрана передняя пленка деформируется и вертикальная полоса касается горизонтальной. Наличие замыкания фиксирует микропроцессор. Расположение всех электродов на плоскости известно, а потому пересечение замкнутых электродов однозначно определяет точку касания экрана.

Основной недостаток данного устройства - очень низкое разрешение, порядка 10 линий на дюйм. Поэтому такие устройства совершенно не подходят для рисования и ввода надписей. Главное достоинство - самая низкая среди всех сенсорных экранов стоимость. Надежность матричных экранов выше, чем резистивных, так как даже при нарушении проводящего слоя (изменении сопротивления) микроконтроллер определит наличие замыкания между электродами и вычислит координату точки касания точно. Матричные экраны применяются в тех случаях, когда требуется дешевый экран, а программа-приложение допускает низкую точность указания.

 

12. Устройства инфокрасного сенсорного экрана.

 

 

Для определения точки касания используются две линейки светодиодов, расположенные по вертикали и горизонтали, и две линейки фотодиодов, расположенные на противоположных сторонах экрана.

Каждому светодиоду соответствует свой фотодиод. Работает такая оптическая пара следующим образом. При подаче напряжения на светодиод он излучает невидимый для человека инфракрасный свет в пределах очень небольшого телесного угла, чтобы попасть на «свой» фотодиод «не задеть» соседние. Любое препятствие, например, касающийся экрана палец руки, частично или полностью перекрывающее световой луч, приводит к уменьшению или прекращению электрического тока через соответствующий фотодиод. Это изменение фиксируется микроконтроллером, позволяя вычислить координату касания с высокой точностью. Обычно светодиод (и, соответственно, фотодиод) в линейке имеет размеры порядка 2,5 мм, то есть на каждый квадратный сантиметр панели приходится четыре горизонтальных и четыре вертикальных сканирующих луча. Однако механизмы интерполяции, используемые микроконтроллером, позволяют вычислять положение препятствия с большей точностью. Инфракрасный сенсорный экран выполняется в виде рамки, которая не имеет никаких стекол или прозрачных пленок. Поэтому изменение яркости, контраста и цветопередачи изображения, а также появление дополнительных бликов исключены, что является несомненным достоинством экрана. Инфракрасная технология не лишена ряда недостатков. Применение в качестве отображающего устройства жидкокристаллических панелей нежелательно, так как касание их поверхности может привести к повреждению TFT-транзисторов и появлению «мертвых» точек, (которые всегда либо включены, либо выключены). Рамка сенсорного экрана зачастую не прилегает к экрану дисплея вплотную, а находится на некотором расстоянии, при этом вследствие параллакса становятся заметными ошибки определения координат по углам. Устройство имеет невысокую надежность, что связанно, во-первых, с небольшим сроком службы ИК-светодиодов, а во-вторых, с особенностями конструкции - оптопары боятся пыли, загрязнений и конденсата. Попадание прямого солнечного света вызывает сбои в работе. Кроме того, такие экраны имеют самую высокую стоимость. Применяются ИК-экраны обычно в образовательных учреждениях -в качестве интерактивных панелей большого размера, и в игровых автоматах.

 

 

Литература:

Статья опубликована в журнале " BROADCASTING Телевидение и радиовещение": 1 часть - №3(55) май 2006, с.50-52; 2 часть - №4(56) июнь-июль 2006, с.40-41; 3 часть - №7(59) ноябрь 2006, с.64-66.

 

ЧТО ТАКОЕ ПРОГРАММА ТРЕНИРОВОК?