Drücken Sie nicht zu fest zu, John! Wie löst man Probleme mit der Empfindlichkeit des Touchscreens?

Nicht zu viel Druck machen – Einführung in das Problem

Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Touchscreen an Ihrem neuen Produkt – einer Kaffeemaschine. Das Gerät funktioniert nicht richtig, weil das Display nicht auf Berührungen reagiert. Damit es funktioniert, versuchen Sie, den Controller zu optimieren, indem Sie die Empfindlichkeit erhöhen und den Schwellenwert ändern. Dadurch entstehen jedoch andere Probleme, wie der Ghost-Touch-Effekt. Schließlich besteht Ihre Lösung darin, den Bildschirm sehr stark zu drücken. Und Sie hängen ein Schild an die Kaffeemaschine, auf dem steht:

UM KAFFEE ZU KOCHEN – KRÄFTIG DRÜCKEN 🙁

Sie fragen sich vielleicht immer noch, wie Sie es richtig anstellen können. Ja, es gibt einen Weg.

In diesem Artikel zeigen wir Ihnen, was die Ursache des Problems war und wie Sie es hätten vermeiden können. Hier sind die beiden wichtigsten Erkenntnisse, aber lesen Sie bitte weiter, um sie zu verdeutlichen:

TAKEAWAY Nr. 1: Eine präzise Abstimmung eines Touchscreen-Controllers ist nur in einer frühen Forschungs- und Entwicklungsphase möglich. Vermeiden Sie Konstruktionsänderungen (wie z. B. das Hinzufügen eines zusätzlichen Deckglases, das nur auf dem Datenblatt basiert), ohne sie vor der Produktion gründlich zu testen.

TAKEAWAY #2: Wenn Sie sich für einen Touchscreen-Controller für anspruchsvolle Anwendungen entscheiden, sollten Sie immer die Industriequalität der Verbraucherqualität vorziehen. Die Industriequalität ist leistungsfähiger und ermöglicht Ihnen eine bessere Kontrolle über Parameter wie SNR.

Was geschah bei der Entwicklung des Geräts?

Um herauszufinden, was die genaue Ursache für die beschriebene Fehlfunktion ist, müssen wir uns mit der Theorie hinter den praktischen Lösungen befassen. Bevor wir fortfahren, sollten wir Schritt für Schritt durchgehen, was genau passiert ist:

• Sie haben das Display bestellt, um es zu testen, und der Prototyp hat gut funktioniert.
• Dann haben Sie während des Herstellungsprozesses die zusätzliche Deckglasschicht hinzugefügt, die laut Datenblättern einwandfrei funktionieren sollte, und irgendetwas ist schiefgegangen.
• Um das Problem zu lösen, beschließen Sie, die Empfindlichkeit des Touchscreen-Controllers zu erhöhen.
• Leider hilft das nicht – das Gerät beginnt chaotisch zu reagieren, und man hat am Ende einen Geister-Touch-Effekt.
• Dann senken Sie die Verstärkung des Touchscreens und beschließen, Ihren Finger fester zu drücken, wenn Sie einen Kaffee kochen wollen.

Sieht vernünftig aus, woran liegt es also? Finden wir es heraus, indem wir die einzelnen Schritte vergrößern.

Konzentration auf F&E, Design und Produktion

Erstens: Was für ein Display haben Sie bestellt? In dem oben genannten Beispiel ist das Display mit einem Touchscreen-Controller der Verbraucherklasse ausgestattet. Dies ist für verschiedene Parameter wie das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), das später erläutert wird, von großer Bedeutung.

Zweitens scheint das Hinzufügen von zusätzlichem Glas das Problem zu sein. Aber warum ist das so, wo doch der Touchscreen-Controller diese Menge an Glas verarbeiten sollte? Die Frage ist: Wie haben Sie das Glas hinzugefügt? Was war die Bindungsmethode? War es Luftklebung oder optische Verklebung? In diesem Fall wurde die zusätzliche Schicht aus Deckglas mit Luft verklebt. Das bedeutet, dass sich zwischen den beiden verklebten Gläsern eine dünne Luftschicht befindet. Wie wir später noch sehen werden, ist dies der zweitwichtigste Faktor, der das einwandfreie Funktionieren des Touchscreens dieser Kaffeemaschine beeinflusst.

Drittens: Woher kommt der Effekt der Geisterberührung? Das liegt daran, dass der Controller auf hohe Empfindlichkeit (Verstärkung) eingestellt ist und Geräusche als Berührungsereignisse interpretiert. Dies wird später geklärt, wenn wir den Abstimmungsprozess erläutern.

Und schließlich: Was passiert eigentlich, wenn man mit dem Finger fester auf den kapazitiven Touchscreen drückt? Warum ist es nicht die beste Lösung, um das Berührungssignal zu erhöhen? Auch das werden wir behandeln.

Aber jetzt lassen Sie uns einen Schritt zurückgehen und mit den Grundlagen des Touchscreens und ein wenig Theorie beginnen. Auf diese Weise können wir die Designfehler, die in dem Beispiel, auf das wir uns in diesem Artikel konzentrieren, gemacht wurden, erkennen und verstehen.

Die Grundlagen von wie der Touchscreen Bildschirm aufgebaut ist und wie er funktioniert

Um das Problem zu lösen, dass der Touchscreen nicht richtig funktioniert, müssen Sie verstehen, wie der Touchscreen aufgebaut ist. Dann werden Sie erfahren, was passiert, wenn Sie einen Finger auf das Glas legen.

Die beiden Rechtecke auf der Zeichnung sind die Elektroden, die aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) auf dem Glas bestehen. Sie können sich diese Elektroden als zwei elektrische Leitungen auf dem Glas vorstellen (die Leitungen sind transparent, aber sie sind da), die mit dem Touchscreen-Controller verbunden sind. Der Touchscreen-Controller misst die gegenseitige Kapazität zwischen diesen beiden Elektroden.

Über den Elektroden befindet sich ein Glas, das eigentlich aus zwei Gläsern besteht – ein Glas ist in der Regel das Sensorglas und das andere ist das Deckglas. Der Einfachheit halber sehen Sie auf der Zeichnung nur ein Glas – dasjenige, das Sie berühren.

Was geschieht, wenn die Flosseger das Glas berührt?

Der Finger fügt der gegenseitigen Kapazität dieser beiden Elektroden eine zusätzliche Kapazität hinzu. In der Zeichnung werden die Kapazitäten C1 und C2 zu der vom Regler gemessenen Gesamtkapazität addiert. Wenn Sie Ihren Finger dort berühren, erhöht sich die gegenseitige Kapazität in diesem Bereich. Das ist es, was Sie mit Ihrem Controller messen, und deshalb wissen Sie, wo genau der Finger den Bildschirm berührt.

Wie wirkt sich die Berührung die Kapazität beeinflusst?

Die nachstehende Formel zeigt in der Theorie, was im Inneren des Touchscreen-Controllers geschieht.

Zur Berechnung der Kapazität benötigt man ε (Epsilon) Null, die Dielektrizitätskonstante des Hohlraums, dann multipliziert mit ε (Epsilon) r, der Dielektrizitätskonstante des Glases. In diesem Fall ist es das Deckglas. Anschließend multipliziert man diesen Wert mit A (Fläche) der Elektroden geteilt durch d (Abstand).

Der Abstand zwischen den Elektroden und dem Finger ist d. In der Regel beträgt der Abstand bei Touchscreens einen bis drei Millimeter – je nach Projekt, an dem Sie arbeiten, und der Dicke des verwendeten Deckglases. Die anderen Parameter in der Formel bleiben konstant. Wenn Sie die Glasdicke im Projekt festgelegt haben, bleibt auch der d-Wert (Abstand) konstant.

Wie funktioniert diese Formel im Touchscreen?

Was wäre in diesem Fall die Variable? Der Berührungsbereich. Wenn Sie mit dem Finger auf das Glas drücken, fügen Sie dem Gesamtwert, den der Controller misst, eine zusätzliche Kapazität hinzu (zur konstanten, inaktiven internen Kapazität). In einer typischen Situation, wenn Sie den Touchscreen einschalten, misst das Gerät alle Kapazitäten zwischen den Elektroden und erstellt so etwas wie einen Referenzpunkt (oder den Ausgangszustand des Touchscreens). Was als Berührungsereignis gemessen wird, ist nur die zusätzliche Kapazität.

Nehmen wir an, das Gerät misst einige Pikofarad an Leerlaufkapazität, da dies ein typischer Wert für die Kapazität der Elektroden ist. Dies ist eine Konstante, die als Referenz verwendet wird. Wenn es keine Berührung, keinen Finger auf dem Bildschirm gibt, ist die zusätzliche Kapazität gleich Null, da die Berührungsfläche gleich Null ist. Es gibt nur die interne Kapazität.

Sobald Sie den Bildschirm berühren, ist der Berührungsbereich nicht mehr Null. Wenn Sie den Finger drücken, fügen Sie eine zusätzliche Kapazität hinzu. Wenn man Probleme mit der Leistung des Touchscreens hat, muss man sich manchmal mehr anstrengen.

Hilft es, hart zu drücken?

Wenn man Probleme mit der Leistung des Touchscreens hat, muss man sich manchmal mehr anstrengen. Was passiert eigentlich, wenn du deinen Finger fester drückst? In diesem Fall misst der kapazitive Touchscreen nicht die mechanische Kraft, sondern den Bereich, in dem die Berührung stattgefunden hat. Wenn Sie den Bildschirm sanft berühren, ist der Bereich, den Ihr Finger berührt, eher klein. Wenn Sie fester drücken, vergrößern Sie die Fläche, indem Sie Ihren Finger auf die Oberfläche drücken, und erhöhen so das Gesamtsignal.

Aber das ist eher unpraktisch und keine empfehlenswerte Lösung. Es gibt bessere Möglichkeiten, das Berührungssignal zu verstärken.

Was passiert, wenn Sie eine zusätzliche Glasschicht mit Luft verkleben?

Schauen wir uns einmal an, was passiert, wenn man zusätzliche Schichten wie Luft und das Deckglas über den Touchscreen legt. Nehmen wir an, Sie haben mit der Luftklebemethode zusätzliche 3 mm Glas hinzugefügt. Dazwischen befindet sich ein kleiner Luftspalt zwischen zwei Gläsern, etwa 0,2 mm, aber das macht einen großen Unterschied.

Auf der Unterseite befindet sich dann noch das Touchscreen-Abdeckglas der von 1 mm. Mit einer zusätzlichen Schicht ändert sich der Gesamtabstand zwischen dem Finger und den Elektroden.

Wie verändert sich der Touchscreen durch eine zusätzliche Glasschicht?

Wie beeinflussen die zusätzliche Schicht und der Abstand in diesem Beispiel das elektrische Feld zwischen Finger und Elektroden? Zunächst einmal sollten Sie wissen, dass Luft ziemlich schlecht für das elektrische Feld ist. Um Ihnen zu zeigen, wie schlimm das ist, lassen Sie uns das mit der gleichen Kapazitätsformel berechnen.

Ein Glas ist recht einfach zu berechnen. Es ist nur ein Millimeter Glas. Das andere Glas ist ebenfalls recht einfach. Bei dem hinzugefügten Glas handelt es sich um ein drei Millimeter dickes Glas, so dass der Gesamtabstand bereits viermal größer ist als zuvor. Allerdings befindet sich zwischen den Glasschichten auch dünne Luft, was bedeutet, dass man das Äquivalent des Luftspalts von 0,2 mm in den Glasabstand einrechnen muss.

Wie berechnet man Kapazitätsänderungen aufgrund von Abstandsänderungen?

Der Abstand beeinflusst die vom Touchscreen-Controller gemessene Kapazität.

Kurze Zusammenfassung: Die Kapazität ist gleich der Dielektrizitätskonstante des Hohlraums multipliziert mit der relativen Dielektrizitätskonstante und dann multipliziert mit der Fläche der Kapazität und dem Abstand zwischen den Elektroden.

Die drei Schichten haben unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten. Um die Entfernung zu berechnen, in der die Luft das elektrische Feld tatsächlich beeinflusst, kann man sie in “Glaseinheiten” umrechnen. Das bedeutet, dass Sie den Luftabstand als Glasabstand darstellen werden. Denn dann wissen Sie, wie Sie Ihren Touchscreen-Controller richtig einstellen können. Dazu müssen Sie die Unterschiede in der Dielektrizitätskonstante von Glas und Luft kennen.

Die Permittivität wird erklärtd

Es ist an der Zeit, die Permittivität von Touchscreens zu klären. Die Dielektrizitätskonstante des Glases liegt zwischen sechs und sieben, um Berechnungen zu ermöglichen. Normalerweise kann man von sieben ausgehen, und die Dielektrizitätskonstante der Luft ist die gleiche wie die der Leere. Das ist die relative Dielektrizitätskonstante, die nur eine ist. In diesem Fall verstärkt die Luft das elektrische Feld nicht.

Das Glas ist siebenmal besser als die Luft, um das elektrische Feld zu bewegen. Das bedeutet, dass die Luft etwa siebenmal dünner sein muss als das Glas, um in diesem Punkt gleichwertig zu sein. Mit anderen Worten: Das Glas kann siebenmal dicker sein als die Luft, um die gleichen äquivalenten Abstände in Bezug auf die Permittivität zu haben. Wenn Sie ε (epsilon) r in die Abstandsformel einfügen, können Sie den tatsächlichen Abstand berechnen – den Abstand zwischen den Elektroden und dem Finger, der den Bildschirm berührt

Das d (Abstand) ist ein Abstand, der 1 mm entspricht. Und auf der anderen Seite befindet sich ebenfalls Glas, das 3 mm dick ist. Plus der Luftspalt, der dazwischen liegt – 0,2 mm.

Als nächstes multiplizieren Sie den Luftspalt mit sieben, da Glas ein elektrisches Feld siebenmal besser transportieren kann als Luft, und insgesamt ist dies der tatsächliche Glasäquivalentabstand. Es wird 1 plus 3 gleich vier sein und 0,2 multipliziert mit 7 ist 1,4 mm.

Insgesamt sind es 5,4 mm. Jetzt wissen wir, wie sich die Entfernung verändert hat. Von 1 Millimeter des ursprünglichen Touchscreens ist man durch das Hinzufügen von Glas auf 5,4 Millimeter gekommen, was ziemlich dick ist.

Kurze Zusammenfassung: Wenn Sie zusätzliches Glas mit der Luftklebemethode hinzufügen, müssen Sie den Luftspalt als zusätzliche Schicht zwischen dem Touch-Ereignis und dem Touchscreen-Sensor betrachten. Es wird das empfangene Signal in der oben beschriebenen Weise beeinflussen. Kurz gesagt – der Luftspalt rechnet sich in mehr “Glas” – mehr als das, was er tatsächlich in mm misst.

Die Abstandsänderung beträgt mehr als das Fünffache, und die Berührungssteuerung hat nun das Problem, die Fingerberührung zu erkennen, weil das Signal – die Kapazität, die der internen Kapazität hinzugefügt wird – sehr klein ist.

Wie können Sie das Signal durch Einstellen des Touchscreen-Controllers ändern?

In dem eingangs beschriebenen Beispiel der Kaffeemaschine hat der Techniker Maßnahmen ergriffen, um die Kontrolle über den Touchscreen wiederzuerlangen. Um es noch einmal zu sagen: Er hat versucht, das Signal durch Erhöhung der Verstärkung abzustimmen, aber das führte zu einem Geistereffekt. Dann senkte er die Empfindlichkeit wieder und stellte sie so ein, dass das Gerät Kaffee kochen kann, aber nur, wenn man den Bildschirm richtig fest drückt.

An diesem Beispiel können Sie nun lernen, wie das Signal im Touchscreen entsteht und wie Sie es regulieren können.

Hie funktioniert der Touch Wie sieht das Signal des Touchscreen-Controllers aus?

Schauen wir uns genauer an, wie das Signal innerhalb des Controllers funktioniert. Um eine effektive Abstimmung vorzunehmen, müssen Sie wissen, was mit dem Signal geschieht, das Sie einstellen wollen. Der Controller misst die gegenseitige Kapazität zwischen den Elektroden. Und wenn man mit dem Finger drückt, ändert sich die Kapazität und wird in ein Signal umgewandelt. Das Signal stellt die Kapazität auf dem Touchscreen und zwischen den Elektroden dar.

Zur Erläuterung: Das Signal hat nur eine Dimension im Diagramm.

Beginnen wir mit dem Rauschen – wie wirkt es sich auf das Signal aus?

Die Linie, die wir hier sehen, ist ein Beispiel für ein Leerlaufsignal, das von der Berührungssteuerung gemessen wird, wenn kein Finger den Bildschirm berührt. Es misst die Geräusche, die aus dem Hintergrund kommen, oder die Geräusche, die von der internen Schaltung kommen. Das ist so, weil der kapazitive Touchscreen in gewisser Weise wie eine empfindliche Antenne ist und viele verschiedene Umgebungssignale empfängt. Diese Geräusche werden immer vorhanden sein, und wenn Sie die Signalverstärkung ändern, ändern Sie auch den Gesamtgeräuschpegel.

Wie ändert sich das Signal ändert, wenn Sie den Bildschirm berühren?

Nehmen wir an, jemand berührt den Bildschirm. Was geschieht dann? Es wird ein Signal geben, das deutlich über dem Rauschpegel liegt. Auf dem Touchscreen gibt es je nach Controller viele Parameter, aber die wichtigsten sind Gain und Treshold. Die Verstärkung gibt an, wie die gemessenen Signale intern durch den Controller verstärkt werden. Der Schwellenwert, in der Regel TH (Threshold Signal ) genannt , ist der Mindestpegel des Signals, der als Berührung des Bildschirms erkannt wird.

Wenn der Abstand zwischen den Elektroden und dem Bildschirm vergrößert wird (z. B. durch zusätzliches Glas), verringert sich das Gesamtsignal. Wenn die Geräusche (zusammen mit den Standardsignalen) weit unter dem Schwellenwert liegen, können Sie das eigentliche Berührungssignal nicht empfangen. Das Berührungsereignis findet nur statt, wenn der Schwellenwert überschritten wird.

Wird die Erhöhung der Touch Bildschirmverstärkung helfen?

Wenn der Signalpegel unter dem Schwellenwert liegt, funktioniert der Touchscreen nicht. Was Sie tun müssen, ist, die Verstärkung zu erhöhen, das Signal zu erhöhen oder den Schwellenwert zu senken. Was passiert, wenn Sie die Verstärkung erhöhen? Nach Erhöhung der Verstärkung (oder Empfindlichkeit) liegt das Berührungssignal über dem Schwellenwert. Sie können jetzt die Berührung spüren und das ist es, was Sie wollten.

Oder doch nicht? Irgendetwas ist immer noch falsch. Was geschieht, wenn Sie die Signalverstärkung erhöhen?

Kurze Zusammenfassung: Leider haben Sie, wie bereits erwähnt, einen Touch-Controller der Verbraucherklasse verwendet. Wenn Sie also die Signalempfindlichkeit zu stark erhöhen, erhöhen Sie auch den Gesamtlärmpegel – bis nahe an den Schwellenwert!

Der unglückliche Fall des Ghost-Touch-Effekts

Wenn Geräusche sehr nahe am Schwellenwert oder gelegentlich darüber liegen, kann es sein, dass sie vom Steuergerät als richtiges Signal und nicht als Rauschen behandelt werden. Dann kommt es zu einer so genannten Geisterberührung oder Phantomberührung. Und das wollen Sie bestimmt nicht. Niemand will, dass der Kaffee von selbst gemacht wird (oder von Geistern). Und bei einer Reihe von industriellen oder medizinischen Anwendungen könnte es sogar gefährlich sein.

Ausgleichen Empfindlichkeit und Verstärkung

Sie müssen diese Empfindlichkeit (oder Verstärkung) ausbalancieren, um das Berührungssignal oberhalb des Schwellenwerts zu halten, aber gleichzeitig die Geräusche immer unterhalb des Schwellenwerts zu halten.

Kurze Zusammenfassung: Sie haben das dicke Glas verwendet und benötigen einen hohen Signalpegel, um die erforderliche Schwellenwertlinie zu erreichen. Und Sie haben einen Controller der Verbraucherklasse, der nicht in der Lage ist, die Geräusche zu beseitigen und sie zu unterdrücken.

An dieser Stelle geht es darum, ein Gleichgewicht zwischen Empfindlichkeit und Verstärkung herzustellen. Bei Controllern der Verbraucherklasse ist das fast unmöglich. Diese Art von Geräten ist nicht mit Einstellungen ausgestattet, die ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Verstärkung und Empfindlichkeit ermöglichen.

Das ist der Grund, warum man am Ende so hart drückt. Und warum? Durch starkes Drücken vergrößert sich die Fläche des Fingers auf dem Touchscreen. Dadurch wird das Signal der Gesamtkapazität ein wenig höher. Wenn Sie stark drücken, kann das Signal über dem Schwellenwert liegen und der Kaffee wird zubereitet.

Starker Druck ist natürlich nicht der Idealzustand. Die Geräusche oder das Hintergrundrauschen liegen wahrscheinlich zu nahe an der Schwelle. Und manchmal kann es vorkommen, dass Sie gelegentlich eine Phantomberührung haben, aber gleichzeitig ist Ihr Touchscreen nicht empfindlich genug. Und Sie sollten wirklich behutsam mit Ihrem Touchscreen umgehen.

Sie wollen nicht immer zu viel Druck machen – das ist nicht das Ziel des richtigen Touchpanel-Tunings. Und was nun? Sehen wir uns das SNR an – das Signal-Rausch-Verhältnis.

Was ist SNR? Die Kunst der tdas Signal auf Rauschen .

Der Unterschied zwischen dem Hintergrundrauschen, das die Steuerung verarbeiten kann, und dem erzeugten Signal wird als SNR – Signal-Rausch-Verhältnis – bezeichnet. Der industrielle Controller ist besser, weil er einen höheren SNR aufweist. Normalerweise misst man den SNR in Dezibel. Ein höherer dB-Wert bedeutet eine bessere Steuerung. Leider geben nicht alle Hersteller in ihren Datenblättern Auskunft über das SNR.

Im Allgemeinen können Sie davon ausgehen, dass der industrielle Controller einen höheren SNR aufweist als der Consumer-Grade-Controller.

Vorteile von Touchscreens in Industriequalität

Das allgemeine Ziel bei der Einstellung der Touchpanel-Steuereinheit ist es, das Rauschen gering zu halten, um ein sehr klares Signal zu erhalten. Sie müssen das Signal verarbeiten und die Fähigkeit haben, das Rauschen aus dem Signal zu entfernen. Dies geschieht sowohl im analogen Teil des Controllers als auch im digitalen Teil. In Bezug auf die Signalverarbeitung gibt es viele Algorithmen in fortschrittlichen Steuerungen, die Ihnen bei der Rauschunterdrückung helfen können. In Riverdi verwenden wir Touch-Controller, die mit Algorithmen ausgestattet sind, die die Hintergrundgeräusche entfernen können und nur das klare Berührungssignal übrig lassen.

TAKEAWAY RECAP #1: Um einen Touchscreen-Controller präzise einzustellen, müssen Sie dies in einem frühen F&E-Stadium tun. Vermeiden Sie Konstruktionsänderungen (wie z. B. das Hinzufügen eines zusätzlichen Deckglases, das nur auf dem Datenblatt basiert), ohne sie vor der Produktion gründlich zu testen.

FAZIT Nr. 2: Wenn Sie Ihren Touchscreen-Controller für anspruchsvolle Anwendungen auswählen, sollten Sie immer die Industriequalität der Verbraucherqualität vorziehen. Die Industriequalität ist leistungsfähiger und ermöglicht Ihnen eine bessere Kontrolle über Parameter wie SNR.

Das waren die allgemeinen Grundsätze, wie die Touchscreen-Signalsteuerung funktioniert. Warum kann dies nicht mit einem einfachen Controller erreicht werden? Denn Sie sind nicht in der Lage, den Signal-Rausch-Abstand groß genug zu halten. Wenn Sie die Glasdicke erhöhen, geht das Signal zurück. Sie können die Empfindlichkeit und die Verstärkung erhöhen. Aber gleichzeitig werden die Geräusche lauter und sind zu nahe an diesem gefährlichen Bereich, in dem es zu Phantom- oder Geisterberührungen kommen kann.

Wenn Sie mehr über die Feinabstimmung und die Auswahl der richtigen Touchscreen-Parameter erfahren möchten, kontaktieren Sie uns!

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