Nie naciskaj zbyt mocno – wprowadzenie do problemu
Wyobraźmy sobie, że w twoim nowym produkcie – ekspresie do kawy – jest ekran dotykowy. Urządzenie nie działa jak należy, bo wyświetlacz nie reaguje na dotyk. Żeby to naprawić, próbujesz dostroić kontroler – zwiększając czułość i zmieniając próg. Ale w ten sposób pojawiają się inne problemy, na przykład efekt fałszywego dotyku. W końcu rozwiązaniem okazuje się mocne uderzenie w ekran. I umieszczasz na ekspresie do kawy napis:
JAK ZAPARZYĆ KAWĘ – NACIŚNIJ MOCNO 🙁
Pewnie wciąż się zastanawiasz, jak sprawić, żeby to działało jak trzeba. Tak, jest na to sposób.
W tym artykule pokażemy ci, co było przyczyną problemu i jak można było tego uniknąć. Oto dwa najważniejsze wnioski, ale przeczytaj dalej, żeby je lepiej zrozumieć:
WNIOSEK NR 1: Żeby precyzyjnie dostroić kontroler ekranu dotykowego, musisz to zrobić na wczesnym etapie R&D. Unikaj zmian w projekcie (jak dodawanie dodatkowego szkła ochronnego tylko na podstawie karty katalogowej) bez ich dokładnego przetestowania przed rozpoczęciem produkcji.
WNIOSEK NR 2: Wybierając kontroler dotyku do wymagających zastosowań – zawsze stawiaj na urządzenia klasy przemysłowej, a nie klasy konsumenckiej. Urządzenia klasy przemysłowej działają lepiej i dają ci większą kontrolę nad parametrami, takimi jak SNR.
Co się wydarzyło podczas projektowania urządzenia?
Żeby dowiedzieć się, co dokładnie jest przyczyną opisanej usterki, musimy przyjrzeć się teorii stojącej za praktycznymi rozwiązaniami. Zanim przejdziemy dalej, przeanalizujmy krok po kroku, co dokładnie się wydarzyło:
- Zamówiłeś ten wyświetlacz, żeby go przetestować, a prototyp działał bez zarzutu.
- Potem, w trakcie produkcji, dodaliście dodatkową warstwę szkła ochronnego, która zgodnie z kartą katalogową powinna działać bez problemów, ale coś poszło nie tak.
- Żeby rozwiązać ten problem, postanawiasz zwiększyć czułość kontrolera dotyku ekranu dotykowego.
- Niestety, to nie pomaga – urządzenie zaczyna działać chaotycznie i w końcu pojawia się efekt fałszywego dotyku.
- Wtedy zmniejszasz wzmocnienie ekranu dotykowego i za każdym razem, gdy chcesz zaparzyć kawę, naciskasz palcem mocniej.
Wygląda na to, że wszystko się zgadza, więc co tu jest nie tak? Sprawdźmy to, przyglądając się bliżej każdemu etapowi.
Skupiamy się na R&D, projektowaniu oraz produkcji
Po pierwsze, jaki wyświetlacz zamówiłeś? W powyższym przykładzie wyświetlacz jest wyposażony w kontroler ekranu dotykowego klasy konsumenckiej. To dość ważne pod względem kilku parametrów, takich jak stosunek sygnału do szumu (SNR), co wyjaśnimy później.
Po drugie, problemem wydaje się dodanie dodatkowej warstwy szkła. Ale dlaczego tak jest, skoro kontroler ekranu dotykowego powinien sobie poradzić z taką ilością szkła? Pytanie brzmi: w jaki sposób dodałeś to szkło? Jaka była metoda łączenia? Czy było to łączenie powietrzne, czy optyczne? W tym przypadku dodatkowa warstwa szkła ochronnego została połączona metodą klejenia powietrznego. Oznacza to, że między dwoma połączonymi szybami znajduje się cienka warstwa powietrza. Jak zobaczymy później, jest to drugi najważniejszy czynnik wpływający na prawidłowe działanie ekranu dotykowego tego ekspresu do kawy.
Po trzecie, skąd się bierze efekt fałszywego dotyku? Dzieje się tak, bo kontroler jest ustawiony na wysoką czułość (wzmocnienie) i traktuje szumy jako zdarzenia dotyku. Wyjaśnimy to później, kiedy omówimy proces konfiguracji.
Na koniec – co tak naprawdę się dzieje, gdy mocniej naciskasz palcem na ekran dotykowy pojemnościowy? Dlaczego nie jest to najprostsze rozwiązanie, by wzmocnić sygnał dotykowy? Temu też się przyjrzymy.
Ale teraz cofnijmy się trochę i zacznijmy od podstaw ekranów dotykowych oraz odrobiny teorii, która za tym stoi. Dzięki temu będziemy mogli dokładnie zidentyfikować i zrozumieć błędy projektowe popełnione w przykładzie, na którym skupiamy się w tym artykule.
Podstawy o jak zbudowany jest ekran dotykowy ekran jest zbudowany i jak działa
Żeby rozwiązać problem z nieprawidłowym działaniem ekranu dotykowego, musisz zrozumieć podstawy jego budowy. Dzięki temu dowiesz się, co się dzieje, gdy kładziesz palec na szkle.
Te dwa prostokąty na rysunku to elektrody – są to warstwy tlenku indu i cyny (ITO) na szkle. Możesz sobie wyobrazić te elektrody jako dwie linie elektryczne na szkle (są przezroczyste, ale tam są), które są podłączone do kontrolera ekranu dotykowego. Kontroler ekranu dotykowego mierzy wzajemną pojemność między tymi dwiema elektrodami.
Nad elektrodami znajduje się szyba, która w rzeczywistości składa się z dwóch szyb – jedna to zazwyczaj szkło sensora, a druga to szkło ochronne. Dla uproszczenia na rysunku widać tylko jedną szybę – tę, której dotykasz.
Co się dzieje, gdy płetwapalec dotyka szyby?
Palec zwiększa pojemność wzajemną tych dwóch elektrod. Na rysunku pojemności C1 i C2 są sumowane z całkowitą pojemnością mierzoną przez kontroler. Kiedy dotkniesz tam palcem, wzrośnie pojemność wzajemna w tym obszarze. To właśnie mierzysz za pomocą kontrolera i dzięki temu wiesz, gdzie dokładnie palec dotyka ekranu.
W jaki sposób dotyku wpływa na pojemność?
Poniższy wzór pokazuje teoretycznie, co dzieje się wewnątrz kontrolera dotyku ekranu.
Żeby obliczyć pojemność, potrzebujesz ε (epsilon) zero, czyli stałej dielektrycznej pustej przestrzeni, a potem pomnożysz to przez ε (epsilon) r, czyli stałą dielektryczną szkła. W tym przypadku chodzi o szkło ochronne. Następnie pomnóż to przez A (pole powierzchni) elektrod podzielone przez d (odległość).
Odległość między elektrodami a palcem to właśnie d. Zazwyczaj na ekranach dotykowych odległość ta wynosi od jednego do trzech milimetrów – w zależności od projektu, nad którym pracujesz, oraz grubości szkła ochronnego, które zastosowałeś. Pozostałe parametry w wzorze pozostaną stałe. Gdy ustalisz już grubość szkła w projekcie, wówczas d (odległość) również pozostanie stałe.
Jak działa ten wzór na ekranie dotykowym?
Co byłoby w tym przypadku zmienną? Obszar dotykowy. Kiedy przykładasz palec do szkła, dodajesz dodatkową pojemność do ogólnej wartości mierzonej przez kontroler (do stałej, spoczynkowej pojemności wewnętrznej). W typowej sytuacji, gdy włączasz ekran dotykowy, urządzenie mierzy wszystkie pojemności między elektrodami i ustala coś w rodzaju punktu odniesienia (czyli stanu początkowego, spoczynkowego ekranu dotykowego). To, co jest mierzone jako zdarzenie dotyku, to tylko ta dodatkowa pojemność.
Załóżmy, że urządzenie pomiarowe mierzy pojemność w stanie spoczynku rzędu kilku pikofaradów, bo to typowa wartość dla pojemności elektrod. To stała, która służy jako punkt odniesienia. Kiedy nie ma dotyku, nie ma palca na ekranie, dodatkowa pojemność wynosi zero, bo powierzchnia dotykowa jest zerowa. Pozostaje tylko pojemność wewnętrzna.
Gdy tylko dotkniesz ekranu, obszar dotykowy nie będzie już wynosił zero. Naciskając palcem, zwiększasz pojemność elektryczną. Czasami, gdy masz problemy z działaniem ekranu dotykowego, zaczynasz naciskać mocniej.
Czy mocniejsze naciskanie pomoże?
Czasami, gdy masz problemy z działaniem ekranu dotykowego, zaczynasz naciskać mocniej. Co tak naprawdę się dzieje, gdy naciskasz palcem mocniej? W tym przypadku pojemnościowy ekran dotykowy nie mierzy siły mechanicznej, tylko obszar, na którym nastąpiło zdarzenie dotyku. Kiedy dotykasz ekranu delikatnie, powierzchnia styku palca jest raczej niewielka. Kiedy naciskasz mocniej, zwiększasz tę powierzchnię, ściskając palec na ekranie, co powoduje wzrost ogólnego sygnału.
Ale to raczej niepraktyczne i niezalecane rozwiązanie. Są lepsze sposoby na wzmocnienie sygnału dotykowego.
Czym się zajmujemy się stanie, gdy wykonasz air bonding z dodatkową warstwą szkła?
Zobaczmy, co się dzieje, gdy dodasz dodatkowe warstwy, takie jak powietrze i szkło ochronne, na wierzchu ekranu dotykowego. Załóżmy, że dodałeś dodatkowe 3 mm szkła metodą air bonding. Pomiędzy nimi jest niewielka szczelina powietrzna oddzielająca dwa szkła, wynosząca zaledwie 0,2 mm, ale to robi spore różnice.
Na dole jest jeszcze szkło ochronne ekranu dotykowego o grubości 1 mm. Dodatkowa warstwa zmienia całkowitą odległość między palcem a elektrodami.
Jak dodatkowa warstwa szkła wpływa na działanie ekranu dotykowego?
Jak dodatkowa warstwa i odległość w podanym przykładzie wpływają na pole elektryczne między palcem a elektrodami? Przede wszystkim musisz wiedzieć, że powietrze bardzo pogarsza pole elektryczne. Żeby pokazać ci, jak bardzo, obliczmy to za pomocą tego samego wzoru na pojemność.
Jedna warstwa szkła jest całkiem prosta do obliczenia. To po prostu szkło o grubości jednego milimetra. Druga warstwa też jest dość prosta. Dodatkowa warstwa to szkło o grubości trzech milimetrów, więc całkowita odległość jest już cztery razy większa niż wcześniej. Ale między tymi warstwami szkła jest też cienka warstwa powietrza, co oznacza, że musisz uwzględnić w odległości między szkłami równowartość szczeliny powietrznej o grubości 0,2 mm.
Jak obliczyć zmianę pojemności wynikającą ze zmian odległości?
Odległość będzie miała wpływ na pojemność mierzoną przez kontroler ekranu dotykowego.
Krótkie podsumowanie: Pojemność jest równa iloczynowi przenikalności elektrycznej pustki i przenikalności względnej, pomnożonemu następnie przez pole powierzchni kondensatora oraz odległość między elektrodami.
Te trzy warstwy mają różną przenikalność względną. Aby obliczyć odległość, na jaką powietrze faktycznie wpływa na pole elektryczne, możesz przeliczyć ją na „jednostki szklane”. Oznacza to, że odległość w powietrzu przedstawisz jako odległość w szkle. Dzięki temu będziesz wiedział, jak prawidłowo dostroić kontroler ekranu dotykowego. Aby to zrobić, musisz zrozumieć różnice w przenikalności elektrycznej szkła i powietrza.
Czym jest przenikalność elektrycznad
Czas wyjaśnić, jak to jest z przenikalnością elektryczną w ekranach dotykowych. Przenikalność elektryczna szkła wynosi, dla ułatwienia obliczeń, od sześciu do siedmiu. Zazwyczaj można przyjąć wartość siedem, a przenikalność elektryczna powietrza jest taka sama jak w próżni. To właśnie przenikalność względna, która wynosi po prostu jeden. W takim przypadku powietrze nie wzmacnia pola elektrycznego.
Szkło przewodzi pole elektryczne siedem razy lepiej niż powietrze. Oznacza to, że powietrze musiałoby być około siedem razy cieńsze od szkła, żeby pod tym względem być mu równoważne. Innymi słowy, szkło może być siedem razy grubsze od powietrza, by mieć takie same odległości pod względem przenikalności elektrycznej. Gdy wstawisz ε (epsilon) r do wzoru na odległość, możesz obliczyć rzeczywistą odległość – czyli odległość między elektrodami a palcem dotykającym ekranu dotykowego
Odległość d wynosi 1 mm. Po drugiej stronie też jest szkło o grubości 3 mm. Do tego dochodzi szczelina powietrzna między nimi – 0,2 mm.
Następnie pomnóż szczelinę powietrzną przez siedem, bo szkło przewodzi pole elektryczne siedem razy lepiej niż powietrze, a w sumie daje to rzeczywistą odległość równoważną szklanej. Będzie to 1 plus 3, czyli cztery, a 0,2 pomnożone przez 7 to 1,4 mm.
W sumie to 5,4 mm. Teraz już wiemy, jak zmieniła się ta odległość. Z 1 milimetra pierwotnego ekranu dotykowego, po dodaniu szkła, doszło do 5,4 milimetra, co jest całkiem sporą grubością.
Krótkie podsumowanie: Kiedy dodajesz dodatkową warstwę szkła metodą air bonding, musisz traktować szczelinę powietrzną jako dodatkową warstwę między zdarzeniem dotyku a czujnikiem ekranu dotykowego. Będzie to miało wpływ na odbierany sygnał w sposób opisany w powyższym wzorze. Krótko mówiąc – szczelina powietrzna przekłada się na większą grubość „szkła” – większą niż ta, którą faktycznie mierzy się w milimetrach.
Zmiana odległości jest ponad pięciokrotna, a kontroler dotyku ma teraz problem z rozpoznawaniem dotyku palca, bo sygnał – czyli pojemność, która jest dodawana do pojemności wewnętrznej – jest bardzo mały.
Jak można zmienić sygnał, regulując kontroler dotyku ekranu dotykowego?
W przypadku ekspresu do kawy, o którym wspomniałem na początku, inżynier podjął pewne kroki, żeby odzyskać kontrolę nad ekranem dotykowym. Podsumowując – próbował dostroić sygnał, zwiększając jego wzmocnienie, ale spowodowało to efekt fałszywego dotyku. Następnie znów zmniejszył czułość i dostroił ją tak, żeby urządzenie mogło zaparzyć kawę, ale tylko wtedy, gdy naprawdę mocno naciskasz ekran.
Na tym przykładzie możesz się dowiedzieć, jak powstaje sygnał w ekranie dotykowym i jak można go regulować.
HJak to wygląda wygląda sygnał z kontrolera ekranu dotykowego?
Przyjrzyjmy się bliżej, jak działa sygnał wewnątrz kontrolera. Żeby skutecznie dostroić urządzenie, musisz wiedzieć, co dzieje się z sygnałem, który zamierzasz regulować. Kontroler mierzy wzajemną pojemność między elektrodami. Kiedy naciskasz palcem, pojemność się zmienia i jest przetwarzana na sygnał. Sygnał ten odzwierciedla pojemność na ekranie dotykowym oraz między elektrodami.
Dla ułatwienia na wykresie sygnał ma tylko jeden wymiar.
Zacznijmy od szumu – jak wpływa on na sygnał
Ta linia, którą tu widzimy, to przykład sygnału spoczynkowego, mierzonego przez kontroler dotyku, gdy żaden palec nie dotyka ekranu. Mierzy on szumy pochodzące z otoczenia lub z wewnętrznego obwodu. Dzieje się tak, ponieważ pojemnościowy ekran dotykowy działa w pewnym sensie jak czuła antena i odbiera mnóstwo różnych sygnałów z otoczenia. Te szumy będą zawsze obecne, a zmieniając wzmocnienie sygnału, zmienisz też ogólny poziom szumu.
Jak zmienia się sygnał, gdy dotkniesz ekranu?
Powiedzmy, że ktoś dotyka ekranu. Co się wtedy dzieje? Pojawi się sygnał, który wyraźnie przewyższa poziom szumu. Na ekranie dotykowym jest wiele parametrów zależnych od kontrolera, ale najbardziej podstawowe to wzmocnienie i próg. Wzmocnienie określa, jak mierzone sygnały są wewnętrznie wzmacniane przez kontroler. Próg, zwany zazwyczaj TH (sygnał progowy), to minimalny poziom sygnału, który musi zostać rozpoznany jako dotknięcie ekranu.
Zwiększając odległość między elektrodami a ekranem (na przykład przez dodanie dodatkowej warstwy szkła), ogólny poziom sygnału ulegnie osłabieniu. Gdy szumy (wraz ze standardowymi sygnałami) spadną znacznie poniżej poziomu progowego, nie otrzymasz rzeczywistego sygnału dotykowego. Zdarzenie dotyku ma miejsce tylko wtedy, gdy próg zdarzenia dotyku zostanie przekroczony.
Czy Czy zwiększenie liczby wycieczekczy wzmocnienie ekranu dotykowego?
Jeśli poziom sygnału jest poniżej progu, ekran dotykowy nie będzie działał. Musisz zwiększyć wzmocnienie, wzmocnić sygnał albo obniżyć próg. Co się stanie, jeśli zwiększysz wzmocnienie? Po zwiększeniu wzmocnienia (lub czułości) sygnał dotykowy przekroczy poziom progowy. Teraz możesz wykrywać dotyk – i właśnie o to ci chodziło.
A może jednak nie? Coś tu wciąż nie gra. Co się dzieje, gdy zwiększysz poziom wzmocnienia sygnału?
Krótkie podsumowanie: Niestety, jak już wcześniej wspomnieliśmy, używacie kontrolera dotyku klasy konsumenckiej. W związku z tym, jeśli zbyt mocno zwiększycie czułość sygnału, podniesiecie też ogólny poziom szumu – aż do poziomu bliskiego progowi!
Niefortunny przypadek efektu „fałszywego dotyku”
Gdy szumy są bardzo bliskie progu lub czasami przekraczają poziom progowy, kontroler może je potraktować jako prawidłowy sygnał, a nie szum. Wtedy dojdzie do sytuacji zwanej „fałszywym dotykem” lub „phantom touch”. A tego na pewno nie chcesz. Nikt nie chce, żeby kawa parzyła się sama (albo za sprawą duchów). A w wielu zastosowaniach przemysłowych czy medycznych może to być nawet niebezpieczne.
Równoważenie czułości i wzmocnienie
Musisz tak wyregulować czułość dotyku (czyli wzmocnienie), żeby sygnał dotykowy utrzymywał się powyżej progu, a jednocześnie szumy zawsze pozostawały poniżej poziomu progowego.
Krótkie podsumowanie: Użyłeś grubego szkła i potrzebujesz wysokiego poziomu sygnału, żeby osiągnąć wymaganą wartość progową. Masz też kontroler klasy konsumenckiej, który jest słaby – nie da rady usunąć szumów i obniżyć ich poziomu.
W tym momencie chodzi o to, żeby znaleźć odpowiednią równowagę między czułością a wzmocnieniem. W kontrolerach klasy konsumenckiej jest to prawie niemożliwe. Tego typu urządzenia nie mają opcji, które pozwoliłyby na właściwe zrównoważenie wzmocnienia i czułości.
Właśnie dlatego w końcu naciskasz mocno. Dlaczego? Mocne naciśnięcie zwiększa powierzchnię styku palca z ekranem dotykowym. To sprawia, że sygnał całkowitej pojemności jest nieco wyższy. Kiedy naciśniesz mocno, sygnał może przekroczyć poziom progowy i kawa zostanie zaparzona.
Oczywiście mocne naciskanie nie jest idealnym rozwiązaniem. Odgłosy lub szum tła są prawdopodobnie zbyt bliskie progu wyczuwalności. Czasami może się też zdarzyć, że pojawią się sporadyczne fałszywe dotknięcia, a jednocześnie ekran dotykowy nie jest wystarczająco czuły. A przecież naprawdę chcesz obchodzić się z ekranem dotykowym delikatnie.
Nie chcesz cały czas naciskać z pełną siłą – to nie jest celem prawidłowego dostrojenia panelu dotykowego. Co więc teraz? Przyjrzyjmy się bliżej SNR – stosunkowi sygnału do szumu.
Co to jest SNR? Sztuka t rozpoznawanie sygnału do szum stosunku
Różnica między szumami tła, z którymi radzi sobie sterownik, a generowanym sygnałem nazywa się SNR – stosunkiem sygnału do szumu. Sterownik przemysłowy jest lepszy, bo ma wyższy SNR. Zazwyczaj SNR mierzy się w decybelach. Wyższa wartość w dB oznacza lepszy sterownik. Niestety, nie wszyscy producenci podają SNR w swoich kartach katalogowych.
Ogólnie rzecz biorąc, można się spodziewać, że sterownik przemysłowy będzie miał wyższy współczynnik SNR niż sterownik klasy konsumenckiej.
Zalety ekranów dotykowych klasy przemysłowej
Ogólnym celem regulacji jednostki sterującej panelu dotykowego jest utrzymanie niskiego poziomu szumów, aby uzyskać bardzo czysty sygnał. Musisz przeprowadzać przetwarzanie sygnału i mieć możliwość usuwania z niego szumów. Odbywa się to zarówno w części analogowej kontrolera, jak i w części cyfrowej. Jeśli chodzi o przetwarzanie sygnału, w zaawansowanych kontrolerach jest wiele algorytmów, które pomagają w usuwaniu szumów. W Riverdi używamy kontrolerów dotyku wyposażonych w algorytmy, które potrafią wyeliminować szumy tła i pozostawić tylko czysty sygnał dotykowy.
PODSUMOWANIE #1: Żeby precyzyjnie dostroić kontroler ekranu dotykowego, musisz to zrobić na wczesnym etapie R&D. Unikaj wprowadzania zmian w projekcie (np. dodawania dodatkowego szkła ochronnego wyłącznie na podstawie karty katalogowej) bez ich dokładnego przetestowania przed rozpoczęciem produkcji.
PODSUMOWANIE #2: Wybierając kontroler dotyku do wymagających zastosowań – zawsze stawiaj na urządzenia klasy przemysłowej, a nie klasy konsumenckiej. Urządzenia klasy przemysłowej działają lepiej i dają ci większą kontrolę nad parametrami, takimi jak SNR.
To były ogólne zasady działania sterowania sygnałem w ekranie dotykowym. Dlaczego nie da się tego osiągnąć za pomocą zwykłego kontrolera? Bo nie jesteś w stanie utrzymać wystarczająco dużego stosunku sygnału do szumu. Gdy zwiększasz grubość szkła, sygnał słabnie. Możesz zwiększyć czułość i wzmocnienie. Ale jednocześnie wzrasta poziom szumów, które zbliżają się zbytnio do tego niebezpiecznego zakresu, w którym mogą pojawić się fałszywe lub duchowe dotknięcia.
Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o dostrajaniu ustawień i doborze odpowiednich parametrów ekranu dotykowego – skontaktuj się z nami!
Dowiedz się więcej o wyświetlaczach Riverdi z ekranami dotykowymi typu PCAP:
ODKRYJ NASZĄ
Whitepaper
Osiągnij idealną interakcję użytkownika z wyświetlaczem dzięki odpowiedniemu czujnikowi Touch Sensor IC. Czy kiedykolwiek zmagałeś się z problemami związanymi z fantomowymi dotknięciami lub certyfikacją? Rozwiń swoje prace B+R jak profesjonalista dzięki naszemu Whitepaperowi!
Przejdź do naszego katalogu produktów i zobacz, jak możesz oszczędzać dzięki jakości, nie na jakości.
