觸摸屏的性能及應(yīng)用

原理和分類

觸摸屏系統(tǒng)一般包括兩個部分：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(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)，再送給CPU，它同時能接收CPU發(fā)來的命令并加以執(zhí)行。

隨著科技的進(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)展的過程。根據(jù)其工作原理，其目前一般被分為四大類：電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、紅外線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(fù)合薄膜，由一層玻璃或有機(jī)玻璃作為基層，表面涂有一層透明的導(dǎo)電層(ITO膜)，上面再蓋有一層外表面經(jīng)過硬化處理、光滑防刮的塑料層。它的內(nèi)表面也涂有一層ITO，在兩層導(dǎo)電層之間有許多細(xì)小(小于千分之一英寸)的透明隔離點(diǎn)把它們隔開。當(dāng)手指接觸屏幕時，兩層ITO發(fā)生接觸，電阻發(fā)生變化，控制器根據(jù)檢測到的電阻變化來計算接觸點(diǎn)的坐標(biāo)，再依照這個坐標(biāo)來進(jìn)行相應(yīng)的操作。電阻屏根據(jù)引出線數(shù)多少，分為四線、五線等類型。五線電阻觸摸屏的外表面是導(dǎo)電玻璃而不是導(dǎo)電涂覆層，這種導(dǎo)電玻璃的壽命較長，透光率也較高。
   
   電阻式觸摸屏的ITO涂層若太薄則容易脆斷，涂層太厚又會降低透光且形成內(nèi)反射降低清晰度。由于經(jīng)常被觸動，表層ITO使用一定時間后會出現(xiàn)細(xì)小裂紋，甚至變型，因此其壽命并不長久。
   
   電阻式觸摸屏價格便宜且易于生產(chǎn)，因而仍是人們較為普遍的選擇。四線式、五線式以及七線、八線式觸摸屏的出現(xiàn)使其性能更加可靠, 同時也改善了它的光學(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的電極，其內(nèi)部形成一個低電壓交流電場。觸摸屏上貼有一層透明的薄膜層，它是一種特殊的金屬導(dǎo)電物質(zhì)。當(dāng)用戶觸摸電容屏?xí)r，用戶手指和工作面形成一個耦合電容，因為工作面上接有高頻信號，于是手指會吸走一個很小的電流，這個電流分別從屏的四個角上的電極中流出；且理論上流經(jīng)四個電極的電流與手指到四角的距離成比例，控制器通過對四個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(hù)導(dǎo)體及感應(yīng)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(zhǔn)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(wěn)定性較差，往往會產(chǎn)生漂移現(xiàn)象。
   
   盡管不像電阻式應(yīng)用那么廣, 電容式觸摸屏也是受歡迎的供選類型。這類設(shè)備精確、反應(yīng)快，尺寸稍大時也有較高分辨率, 更耐用(抗刮擦), 因而適合用作游戲機(jī)的觸摸屏。而且，新出現(xiàn)的近場成像技術(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(xiàn)的漂移現(xiàn)象。
   
3. 紅外線式觸摸屏
   
   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(yīng)形成橫豎交叉的紅外線矩陣。用戶在觸摸屏幕時，手指會擋住經(jīng)過該位置的橫豎兩條紅外線，控制器通過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)是價格低廉、安裝方便，可以用在各檔次的計算機(jī)上。此外，由于沒有電容充放電過程，響應(yīng)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(jī)械能量波。通過楔形三角基座（根據(jù)表面波的波長嚴(yán)格設(shè)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(wěn)定、易于分析，并且在橫波傳遞過程中具有非常尖銳的頻率特性，近年來在無損探傷、造影和退波器等應(yīng)用中發(fā)展很快。
   
   這種觸摸屏的顯示屏四角分別設(shè)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(dāng)手指碰觸顯示屏?xí)r，由于吸收了部分聲波能量，使接收波形發(fā)生變化，即某一時刻波形有一個衰減缺口，控制器依據(jù)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(5000萬次無故障)，透光率高(92％)，能保持清晰透亮的圖像；沒有漂移，只需安裝時一次校正；有第三軸(即壓力軸)響應(yīng)，最適合公共場所使用。
   
   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(jiān)控，準(zhǔn)確識別出有效的操作和污物之間的區(qū)別。另外，由于聲波屏能感受壓力，無形中增加了控制手段，對屏功能的擴(kuò)展十分有利，其應(yīng)用范圍因此而大大拓展。

觸摸屏的基本技術(shù)

1. 絕對坐標(biāo)系統(tǒng)
   
   觸摸屏是一種絕對坐標(biāo)系統(tǒng)，其特點(diǎn)就是當(dāng)前定位坐標(biāo)與上一次定位坐標(biāo)沒有關(guān)系，每次觸摸的數(shù)據(jù)通過校準(zhǔn)直接轉(zhuǎn)化為屏幕上的坐標(biāo)。不管在什么情況下，觸摸屏這套坐標(biāo)體系對同一點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)都是穩(wěn)定的。不過，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(biāo)定位，這就是所謂的漂移問題。
   
2. 定位
   
   各種觸摸屏都是依靠傳感器來工作的，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(yīng)速度、可靠性、穩(wěn)定性和壽命。各類觸摸屏的技術(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，可以用任何物體來觸摸，比較適合工業(yè)控制領(lǐng)域使用。缺點(diǎn)是由于復(fù)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，可以很好地滿足各方面的要求，在公共場所常見的就是這種觸摸屏。不過，電容式觸摸屏把人體當(dāng)作電容器的一個電極使用，當(dāng)有導(dǎo)體靠近并與夾層ITO工作面之間耦合出足夠大的電容時，流走的電流就會引起電容式觸摸屏的誤動作；另外，戴著手套或手持絕緣物體觸摸時會沒有反應(yīng)，這是因為增加了絕緣的介質(zhì)。

紅外線觸摸屏是靠測定紅外線的通斷來確定觸摸位置的，與觸摸屏所選用的透明擋板的材料無關(guān)(有一些根本就沒有使用任何擋板) 。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效果。但是，受到紅外線發(fā)射管體積的限制，不可能發(fā)射高密度的紅外線，所以這種觸摸屏的分辨率不高。另外，由于紅外線觸摸屏依靠紅外感應(yīng)來工作，外界光線變化，如陽光或室內(nèi)燈等均會影響其準(zhǔn)確度。

表面聲波技術(shù)非常穩(wěn)定，而且表面聲波觸摸屏的控制器靠測量衰減時刻在時間軸上的位置來計算觸摸位置，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—通過計算接收信號衰減處的衰減量可得到用戶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(yīng)用場合

根據(jù)對觸摸屏的結(jié)構(gòu)、原理和性能特點(diǎn)的分析，不同觸摸屏的適用場合如下所示。

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

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

電容感應(yīng)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(wěn)定性較差，往往會產(chǎn)生漂移現(xiàn)象。怕電磁場干擾、漂移，不易在工業(yè)控制場所和有干擾的地方使用?？墒褂糜谝蟛惶艿墓残畔⒉樵儯恍枰?jīng)常校準(zhǔn)、定位。

紅外線感應(yīng)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；適用于無紅外線和強(qiáng)光干擾的各類公共場所、辦公室以及要求不是非常精密的工業(yè)控制現(xiàn)場。

表面聲波觸摸屏：純玻璃材質(zhì)、透光性最好、使用壽命長、抗劃傷性好，適用于未知用戶的各類公共場所。但怕長時間的灰塵積累和油污的浸染，所以使用于環(huán)境干凈的場所更好。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(jī)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(xiàn)。

觸摸筆：利用觸摸筆進(jìn)行操作的觸摸屏類似白板，除顯示界面、窗口、圖標(biāo)外，觸摸筆還具有簽名、標(biāo)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(qiáng)。

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(jiān)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(qiáng)度很高的塑料材料構(gòu)成。當(dāng)手指點(diǎn)觸外層表面時，在千分之一秒內(nèi)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(yīng)用于指點(diǎn)式信息查詢系統(tǒng)（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(xiàn)專業(yè)化、多媒體化、立體化和大屏幕化等趨勢。隨著信息社會的發(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(tǒng)通過采用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用文字、圖像、音樂、解說、動畫、錄像等多種形式，直觀、形象地把各種信息介紹給人們，給人們帶來極大的方便。可以預(yù)見，隨著觸摸屏技術(shù)的迅速發(fā)展，觸摸屏的應(yīng)用領(lǐng)域會越來越廣，性能會越來越好。

參考文獻(xiàn)

1. 楊國棟，沈培宏. 觸摸屏技術(shù)發(fā)展簡介. 光電技術(shù). 2002, 43(1)，P49-55.
2. 王衛(wèi)京. 認(rèn)識觸摸屏. 微型計算機(jī). 2000(12)，P88-91.