วิธีปรับใช้งานหน้าจอสัมผัสที่เชื่อถือได้อย่างรวดเร็ว

หน้าจอสัมผัสเป็นสิ่งที่เป็นที่ต้องการมากขึ้นเรื่อยๆ แทนที่แป้นพิมพ์และเมาส์ในฐานะอินเทอร์เฟซระหว่างมนุษย์กับเครื่อง (HMI) สำหรับการเขียนโปรแกรม กำหนดค่า และควบคุมระบบระดับการใช้งานทั่วไป องค์กร และอุตสาหกรรม เนื่องจากหน้าจอสัมผัสใช้งานง่าย รวดเร็ว และมีอินเทอร์เฟซเดียวที่เข้ามาแทนที่อุปกรณ์อินพุตหลายชุด นอกจากนี้ยังมอบความสะดวกสบายให้กับผู้ที่มีปัญหาทางร่างกาย อีกทั้งยังมีขนาดที่ค่อนข้างเล็กอีกด้วย

การใช้งานหน้าจอสัมผัสที่หลากหลายหมายความว่าหน้าจอเหล่านั้นต้องมีความทนทาน ใช้งานได้โดยใช้นิ้วเปล่าหรือสวมถุงมือ และมีความคุ้มค่า หน้าจอสัมผัสแบบ Resistive ตอบสนองความต้องการเหล่านี้ แต่นักออกแบบจะต้องสามารถนำผลิตภัณฑ์ออกสู่ตลาดได้อย่างรวดเร็วด้วยโซลูชันที่มีจำหน่ายทั่วไปซึ่งประกอบด้วยหน้าจอสัมผัสที่จับคู่กับคอนโทรลเลอร์ที่เหมาะสม นอกจากนั้นพวกเขายังต้องเข้าใจความแตกต่างระหว่างอินเทอร์เฟซหน้าจอสัมผัสแบบ Resistive แบบ 4 และ 5 สาย

บทความนี้จะอธิบายโดยย่อเกี่ยวกับหน้าจอสัมผัสแบบ Resistive จากนั้นจะแนะนำตัวอย่างหน้าจอสัมผัสและตัวควบคุมจาก NKK Switches รวมถึงแสดงให้เห็นถึงวิธีการออกแบบ

หน้าจอสัมผัสแบบ Resistive ทำงานอย่างไร

หน้าจอสัมผัสแบบ Resistive เป็นส่วนประกอบแบบสแตนด์อโลนที่ซ้อนทับจอแบน เมื่อใช้ร่วมกับคอนโทรลเลอร์ หน้าจอสัมผัสจะช่วยให้ผู้ใช้โต้ตอบกับสัญลักษณ์ที่แสดงโดยการสัมผัสพื้นที่เฉพาะ ซึ่งหน้าจอสัมผัสสามารถตรวจจับตำแหน่งที่แม่นยำของนิ้วหรือปากกาสไตลัสได้ จากนั้นแอปพลิเคชั่นซอฟต์แวร์จะกำหนดว่าควรดำเนินการใดบนหน้าจอเพิ่มเติมตามตำแหน่งนั้น

หน้าจอสัมผัสแบบ Resistive เหมาะกับการใช้งานโดยทั่วไป ในร้านการค้าปลีก องค์กร อุตสาหกรรม และการแพทย์ เนื่องจากมีราคาไม่แพง ทนทาน และสามารถสั่งงานได้ด้วยนิ้วเปล่า มือที่สวมถุงมือ หรือปากกาสไตลัส เทคโนโลยีนี้ใช้ฟิล์มพลาสติกที่เปลี่ยนรูปได้ซึ่งเคลือบด้านหลังด้วยชั้นนำไฟฟ้า เช่น อินเดียมทินออกไซด์ (ITO) ด้านหลังของหน้าจอสัมผัสประกอบขึ้นจากแผงกระจกหรืออะคริลิก ซึ่งมีชั้น ITO ที่ด้านหน้า

จุดเว้นระยะที่ไม่นำไฟฟ้าจะแยกฟิล์มพลาสติกออกจากกระจกหรือแผงรองอะคริลิก เมื่อกดฟิล์มพลาสติกด้วยนิ้วหรือสไตลัสด้วยแรงหนึ่งหรือสองนิวตัน (N) ฟิล์มจะสัมผัสกับแผงด้านหลัง และปิดสวิตช์ในบริเวณแรงดันเฉพาะนั้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ บอร์ดควบคุมที่มีขั้วต่อสี่หรือห้าสายเชื่อมต่ออยู่ สามารถระบุตำแหน่งของสวิตช์ที่ปิดได้ และซอฟต์แวร์จะตอบสนองตามนั้น (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: หน้าจอสัมผัสแบบ Resistive ทำงานโดยใช้การสัมผัสเพื่อกดพื้นผิวที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าทั้งสองเข้าด้วยกัน (แหล่งที่มาภาพ: NKK Switches)

หน้าจอสัมผัสแบบ Resistive เป็นที่นิยมเมื่อต้องคำนึงถึงต้นทุน ความทนทาน และการใช้งานด้วยมือที่สวมถุงมือหรือปากกาสไตลัสที่ไม่นำไฟฟ้า โดยทั่วไปแล้วจะมีความสามารถในการดำเนินการนับล้านหรือหลายสิบล้านรายการโดยไม่เกิดความล้มเหลว หน้าจอสัมผัสแบบ Resistive สามารถผลิตพร้อมการป้องกันน้ำและการกระเด็นของสารเคมี

ความแตกต่างระหว่างหน้าจอสัมผัสแบบ 4 และ 5 สาย

หน้าจอสัมผัสแบบ 4 สายใช้อิเล็กโทรดสองตัวที่แผ่นด้านล่างและอีกสองอันที่แผ่นด้านบน ที่แผ่นด้านล่าง อิเล็กโทรดจะวิ่งไปตามแกน Y ทำให้สามารถวัดความต้านทานตามแกน X ได้ ในทำนองเดียวกัน แผ่นด้านบนมีอิเล็กโทรดขอบที่วิ่งไปตามแกน X ทำให้สามารถวัดความต้านทานตามแกน Y ได้ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: หน้าจอสัมผัสแบบต้านทานแบบ 4 สายใช้เอดจ์อิเล็กโทรดสองตัวที่แผ่นด้านล่างและอีกสองอันบนแผ่นด้านบน ทั้งคู่วิ่งตั้งฉากกันและอนุญาตให้กำหนดตำแหน่ง XY ของการสัมผัสได้ (แหล่งที่มาภาพ: NKK Switches)

ณ จุดที่นิ้วสัมผัสกัน ชั้นล่างสุดจะแบ่งชั้นบนสุดออกเป็นตัวต้านทานสองตัวอนุกรมกันอย่างมีประสิทธิภาพ ชั้นล่างจะถูกแบ่งในทำนองเดียวกัน ณ จุดที่สัมผัสกับชั้นบนสุด ด้วยการให้น้ำหนักที่เหมาะสม แต่ละเพลตสามารถทำหน้าที่เป็นตัวแบ่ง โดยที่แรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตแสดงถึงจุดของพิกัดสัมผัส

ในระบบ 5 สาย แผ่นด้านบนมีอิเล็กโทรดขอบสี่อันและทำหน้าที่เป็นโหนดตรวจจับแรงดันไฟฟ้า มุมทั้งสี่ของแผ่นด้านล่างจะสร้างอิเล็กโทรดที่ทำให้เกิดการไล่ระดับแรงดันไฟฟ้าในทิศทาง X และ Y การกำหนดค่าไบแอสที่แตกต่างกันจะใช้เพื่อให้ได้การวัดทิศทาง X และ Y (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: หน้าจอสัมผัสแบบต้านทานแบบ 5 สายใช้ตอนเนอร์อิเล็กโทรดสี่ตัวบนแผ่นด้านล่างเพื่อสร้างการไล่ระดับแรงดันไฟฟ้าในทิศทาง X และ Y และเอดจ์อิเล็กโทรดสองคู่บนแผ่นด้านบนเพื่อตรวจจับแรงดันไฟฟ้า (แหล่งที่มาภาพ: NKK Switches)

ในรูปแบบ 5 สาย มีเพียงแผ่นด้านล่างเท่านั้นที่ทำงานอยู่ นั่นหมายความว่าแผ่นด้านบนสามารถป้องกันความเสียหายได้ แต่หน้าจอสัมผัสยังคงสามารถทำงานได้ ในทางตรงกันข้าม เพลตทั้งสองของหน้าจอสัมผัสแบบ 4 สายนั้นทำงานอยู่ ความเสียหายต่อแผ่นด้านบนอาจทำให้หน้าจอสัมผัสล้มเหลว หน้าจอสัมผัสแบบ 5 สายมีแนวโน้มที่จะทนทานมากกว่า แต่ข้อเสียคือเพิ่มความซับซ้อนและค่าใช้จ่ายในการออกแบบ

โซลูชันหน้าจอสัมผัสแบบต้านทานเชิงพาณิชย์

เพื่อลดความซับซ้อนและเร่งเวลาออกสู่ตลาด NKK ได้พิสูจน์โซลูชันเชิงพาณิชย์สำหรับทั้งหน้าจอสัมผัสและตัวควบคุมที่ตรงกัน โดยนักออกแบบยังคงมีทางเลือกในการใช้หน้าจอสัมผัสจาก NKK และจับคู่กับคอนโทรลเลอร์จากซัพพลายเออร์รายอื่นหรือซัพพลายเออร์รายใดรายหนึ่งของพวกเขาเอง

FT series จาก NKK เป็นตัวอย่างที่ยอดเยี่ยมของหน้าจอสัมผัสแบบต้านทาน มีจำหน่ายในขนาดหน้าจอที่หลากหลายตั้งแต่ 5.7 ถึง 15.6 นิ้ว (นิ้ว) (แนวทแยง) ซีรีส์นี้มีให้เลือกทั้งแบบ 4 และ 5 สาย โดยมีแรงกระตุ้นการทำงานแบบสัมผัส 1.4 N (ตารางที่ 1) ทั้งสองเวอร์ชันมีส่วนท้ายของวงจรที่ยืดหยุ่นซึ่งเชื่อมต่อกับบอร์ดควบคุม

ตารางที่ 1: การเปรียบเทียบหน้าจอสัมผัสแบบต้านทานแบบ 4 และ 5 สาย แสดงให้เห็นว่ารุ่น 5 สายมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น โดยวัดจากการแท็บปิ้ง (แหล่งรูปภาพ: สวิตช์ NKK)

FTAS00-5.7AS-4A เป็นรุ่น 4 สาย ขนาด 5.7 นิ้ว ที่ดึง 1 มิลลิแอมแปร์ (mA) ที่ 5 โวลต์ DC (VDC) มีค่าความต้านทาน XY 250 ถึง 850 โอห์ม (Ω) ความเป็นเส้นตรง 1.5% และความต้านทานฉนวนของ 10 เมกะโอห์ม (MΩ) อายุการใช้งานที่คาดหวังของหน้าจอสัมผัสคือการเขียน 50,000 ครั้งหรือการแตะหนึ่งล้านครั้ง

FTAS00-10.4A-5 เป็นรุ่น 5 สาย ขนาด 10.4 นิ้ว ที่จ่ายกระแสไฟ 1 mA ที่ 5.5 VDC มีค่าความต้านทาน XY 20 ถึง 80 Ω ค่าความเป็นเส้นตรง 2% และความต้านทานฉนวนขั้นต่ำ 10 MΩ อายุการใช้งานการเขียน 50,000 ครั้งหรือการแตะ 10 ล้านครั้ง

สำหรับผลิตภัณฑ์หน้าจอสัมผัสทั้ง 4 และ 5 สาย NKK มีคอนโทรลเลอร์ที่มีอินเทอร์เฟซ RS232C หรือ USB บอร์ดควบคุมจะมาพร้อมกับซอฟต์แวร์ไดรเวอร์อุปกรณ์ที่เข้ากันได้กับ Windows 7, 8 และ 10 FTCS04C และ FTCU04B คือบอร์ดควบคุมอินเทอร์เฟซ RS232C และ USB สำหรับหน้าจอสัมผัส NKK 4 สาย ตามลำดับ ในขณะที่ FTCS05B และ FTCU05B เทียบเท่ากับหน้าจอสัมผัสแบบ 5 สาย

เริ่มต้นใช้งานหน้าจอสัมผัสแบบ Resistive

กระบวนการออกแบบจะคล้ายกันกับหน้าจอสัมผัสแบบ 4 และ 5 สาย หัวใจสำคัญของ RS232C และบอร์ดคอนโทรลเลอร์ USB 4 สายคือ FTCSU548 ชิปควบคุม LFQFP IC 48 พินนี้มีอินเทอร์เฟซแบบอนุกรมแบบอะซิงโครนัสและอินเทอร์เฟซ USB 2.0 ความเร็วสูงสุด ซึ่งใช้พลังงานจากแหล่งจ่ายไฟ 3.3 ถึง 5 โวลต์สำหรับการทำงาน RS232C หรือแหล่งจ่ายไฟ 5 โวลต์สำหรับ USB โดยมีกระแสเอาต์พุตที่กำหนด 170 mA ความถี่ในการทำงาน 16 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) และตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC ) ความละเอียด 10 บิต ชิปมีฟังก์ชันการสอบเทียบในตัว

เมื่อกดหน้าจอสัมผัสไอซีคอนโทรลเลอร์จะกำหนดพิกัดโดยใช้ค่าของแรงดันไฟฟ้าแอนะล็อกที่ ADC ตรวจพบ และส่งต่อไปยังคอมพิวเตอร์โฮสต์ผ่านทาง RS232C หรืออินเทอร์เฟซ USB (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: IC คอนโทรลเลอร์ FTCSU548 (IC1) ติดตั้งอยู่บนบอร์ดคอนโทรลเลอร์ FTCU04B (USB 4 สาย) CN1 (ซ้าย) คือขั้วต่อสำหรับส่วนท้ายวงจรแบบยืดหยุ่น 4 สายของหน้าจอสัมผัส (แหล่งที่มาภาพ: NKK Switches)

ส่วนท้ายวงจรแบบยืดหยุ่น 4 สายของหน้าจอสัมผัสเชื่อมต่อกับบอร์ดควบคุมผ่าน CN1 โดยบอร์ดควบคุมเชื่อมต่อกับโฮสต์พีซีผ่าน CN4 อินเทอร์เฟซ CN4 USB ยังจ่ายไฟให้กับบอร์ดด้วย โฮสต์รันไดรเวอร์อุปกรณ์และซอฟต์แวร์แอปพลิเคชั่นหน้าจอสัมผัส (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: ภาพที่แสดงคือบอร์ดคอนโทรลเลอร์ USB แบบ 4 สายทั่วไปและการกำหนดค่าโฮสต์พีซี (แหล่งที่มาภาพ: NKK Switches)

เคล็ดลับการออกแบบ

หน้าจอสัมผัสแบบต้านทานต้องมีการสอบเทียบเมื่อติดตั้ง โดยไอซีคอนโทรลเลอร์ FTCSU548 มีฟังก์ชันการสอบเทียบในตัว ก่อนอื่นต้องตั้งค่าไอซีคอนโทรลเลอร์เป็น "โหมดข้อมูลต้นฉบับ" เพื่อสอบเทียบ จากนั้น PC จะระบุจุดอ้างอิง (P1) บนหน้าจอสัมผัสที่ผู้ใช้งานกดด้วยสไตลัส และข้อมูลแรงดันไฟฟ้า ADC จะถูกส่งไปยัง PC ผ่านทางบอร์ดควบคุม กระบวนการนี้ทำซ้ำกับจุดที่สอง (P2) ในพื้นที่หน้าจอสัมผัสที่ห่างไกล พิกัดทางกายภาพของ P1 และ P2 จะถูกส่งไปยังพีซีเป็นตัวเลขแปดไบต์ จากนั้น หน้าจอสัมผัสจะถูกตั้งค่าเป็น "โหมดข้อมูลการสอบเทียบ" และแอปพลิเคชั่นซอฟต์แวร์ใช้แรงดันไฟฟ้าและการอ่านพิกัดสำหรับจุดที่ทราบสองจุด รวมถึงการอ้างอิง "0,0" ในตัว เพื่อประมาณค่าพิกัดอื่นๆ ทั้งหมดในพื้นที่โหมดข้อมูลการสอบเทียบ (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: จำเป็นต้องมีการปรับเทียบระหว่างการกำหนดค่าเริ่มต้นและหลังจากนั้นเป็นระยะ ๆ เนื่องจากความต้านทานจะเปลี่ยนไปตามอายุของหน้าจอสัมผัส (แหล่งที่มาภาพ: NKK Switches)

ความต้านทานของหน้าจอจะเปลี่ยนไปตามอายุ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการปรับเทียบใหม่ตลอดอายุการใช้งาน

จำเป็นต้องรวมการต่อสายดินสำหรับกรอบอุปกรณ์แสดงผลเพื่อป้องกันการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) อาจเป็นไปได้ว่าการต้านทานการสัมผัสครั้งแรกจากนิ้วอาจทำให้เกิด 'แชทเตอร์' เพื่อป้องกันการสะท้าน สามารถใช้การหน่วงเวลาในตัวเพื่อให้แรงดันไฟฟ้าคงที่ก่อนที่ระบบจะคำนวณพิกัด

นักออกแบบต้องระมัดระวังไม่ให้รวมซอฟต์แวร์ที่ให้ผู้ใช้สัมผัสบริเวณหน้าจอสัมผัสสองแห่งพร้อมกัน ซึ่งเทคโนโลยีไม่สามารถแก้ไขการสัมผัสสองครั้งที่แยกจากกันและตั้งค่าเริ่มต้นให้เป็นจุดกึ่งกลางระหว่างกัน ในที่สุด ตัวแบ่งจะปรากฏขึ้นเหนือตัวเว้นระยะหน้าจอเมื่อมีการวาดเส้นบนหน้าจอโดยใช้ปากกาสไตลัส เพื่อแยกสองชั้นออกจากกัน นักออกแบบควรตรวจสอบให้แน่ใจว่าแอปพลิเคชั่นซอฟต์แวร์เติมเต็มช่องว่างเหล่านั้น

สรุป

หน้าจอสัมผัสแบบต้านทานคือ HMI ที่เหมาะสมในการใช้งานที่ต้องมีความคุ้มค่า ความทนทาน และการใช้งานด้วยมือเปล่าหรือสวมถุงมือ หรือสไตลัสที่ไม่นำไฟฟ้า เพื่อให้การใช้งานง่ายขึ้น โซลูชันเชิงพาณิชย์จาก NKK ประกอบด้วยการซ้อนทับหน้าจอสัมผัส บอร์ดควบคุมพร้อมไอซีคอนโทรลเลอร์เฉพาะ และซอฟต์แวร์ไดรเวอร์อุปกรณ์