Компютърна периферия · курсова работа

Сензорни екрани

Как екранът разбира къде е пръстът: решетка от електроди, измерване на капацитет и един малък пакет данни към компютъра.

Контролерът не измерва натиск. Той измерва колко е намалял капацитетът между две съседни линии под стъклото.

Раздел 1

Приложение и значение

1.1 История

Идеята е от 60-те години, но масов продукт става чак с iPhone през 2007 г. Дотогава в телефоните и PDA устройствата преобладава резистивният екран със стилус.

Датите в различните сайтове се разминават. Тук 1965 е годината на първата публикация на Johnson (Electronics Letters). При Hurst 1971 е непрозрачен сензор, 1974 първият прозрачен, а 1977 5-wire технологията.

1.2 Къде се ползва

Смартфони и таблетиPCAP, multi-touch

Лаптопи 2-в-1PCAP и активен стилус

POS и банкоматирезистивен, SAW или PCAP

Киоски и таблаSAW, инфрачервен или PCAP

АвтомобилиPCAP с режим за ръкавица

Индустрия и медициназапечатан PCAP или резистивен

Тъч контролерът в конкретен лаптоп, например Lenovo Yoga: Нямам информация.

1.3 Четири технологии

Всички решават един и същ въпрос: къде е допирът. Различават се по това какво усещат.

РезистивенНатискът събира два слоя.

Капацитивен (PCAP)Пръстът променя капацитета.

ИнфрачервенПръстът прекъсва лъчи.

SAWПръстът поглъща вълна по стъклото.

Качество	Резистивен	PCAP	Инфрачервен	SAW
Multi-touch	●●●●	●●●●	●●●●	●●●●
Ръкавица и стилус	●●●●	●●●●	●●●●	●●●●
Вода и капки	●●●●	●●●●	●●●●	●●●●
Прозрачност	●●●●	●●●●	●●●●	●●●●
Ниска цена	●●●●	●●●●	●●●●	●●●●

Ориентировъчна качествена оценка (4 точки са най-добре), по сравнението на Elo. Не са измерени стойности.

ИзводPCAP води, защото е единствената технология с истински multi-touch и гладко стъкло без износване. Резистивният остава за подпис и ръкавици, а инфрачервеният и SAW са за големи екрани. Според Elo инфрачервеният е единствената технология, препоръчана за метални ръкавици.

Раздел 2

Как работи проекционно-капацитивният екран

2.1 Слоеве

Под покривното стъкло има решетка от прозрачни електроди. Къде точно е тя, определя типа на екрана. Изберете конструкция и вижте къде е сензорът.

Разрез на екранаизберете конструкция

Схематично, не е в мащаб. Покривното стъкло е химически закалено, а лепилото (OCA) премахва въздушната междина. За електродите се ползва ITO, а при големи и гъвкави екрани и metal mesh или сребърни нанонишки.

2.2 Как пръстът променя капацитета

Между Tx и Rx електродите има електрическо поле, а заедно с него и малък капацитет. Пръстът е заземен проводник и отвежда част от полето към себе си, затова взаимният капацитет на този възел намалява. Контролерът търси точно тази промяна.

около 1 pFтипична промяна при допир (Microchip)

около 0,1 pFнай-слабият допир, който се тества (Infineon)

няколко pFбазов капацитет на възел, затова се мери разликата

Mutual (взаимен капацитет). Измерва се всеки възел Tx × Rx. Дава истински multi-touch. Изолирана водна капка не го заблуждава.

Self (собствен капацитет). Измерва се всяка линия спрямо земята. Сигналът е по-силен, затова се ползва за hover и ръкавици, но два пръста дават четири кандидат-точки.

ИзводSelf е „радарът“ (засича, че нещо идва), mutual е „фотоапаратът“ (снима всеки възел). maXTouch и TrueTouch комбинират и двата режима. Какво прави всеки, се вижда в симулатора по-долу.

2.3 Матрицата от електроди

Tx линиите са колони, Rx линиите са редове, а всяко пресичане е възел. Стъпката е около 5 mm, а пръстът е широк около 8 mm. Така пръстът винаги покрива два-три електрода и позицията може да се изчисли между тях.

Големината на точките показва силата на сигнала във всеки възел.

2.4 Сканиране и изчисляване на позицията

Тъч контролерът повтаря една и съща последователност десетки до стотици пъти в секунда.

Сигнал, шум и праг

Baseline е нивото без допир, което се обновява бавно (температура, стареене). Прагът е над шума и под сигнала на най-слабия валиден допир. Контролерът изисква сигналът да е поне пет пъти над пиковия шум (SNR ≥ 5:1, Infineon).

Ако шумът е голям, SNR пада и прагът трябва да се вдигне. Тогава слабите допири (ръкавица) вече не се засичат. Това е компромисът, който се вижда в симулатора.

Честота на отчитане (Hz)

FT5x0660

Cypressдо 100

maXTouchдо 250

Гейминг720

RedMagic960 *

Честотата пада с броя пръсти и размера на екрана (компромис скорост ↔ SNR). * Маркетингова стойност, не е независимо проверена.

2.5 Резистивният екран

За сравнение: резистивният екран е два проводящи слоя. Натискът ги събира и образува делител на напрежение. Контролерът чете напрежението и от него изчислява позицията по X, после сменя посоките и изчислява Y.

Делител на напрежениеVref = 3 V

Позиция на допира по X 33 %

X = V(Y+) / Vref · ширина

При 4-wire екран слоевете се четат последователно: първо X, после Y. 5-wire екранът е по-траен, защото горният лист е само сонда и драскотините почти не влияят (NXP).

2.6 Интерфейс и HID отчет

Когато контролерът има нови данни, той сваля линията INT. Хостът отговаря и чете готов пакет по стандартен протокол, затова не е нужен специален драйвер.

I2Cтелефони, таблети, лаптопи; HID over I2C от Windows 8

SPIпо-бърз; HID over SPI в Windows 11

USBвъншни монитори и киоски; клас HID

Report IDкой отчет е това

Tip · Confidenceдокосва ли и пръст ли е

Contact IDкой пръст

X2 байта

Y2 байта

… още контактисъщите полета за всеки пръст

Scan Timeмомент на сканиране (×100 µs)

Contact Countколко пръста

ДопусканеПодредбата е илюстративна: реалната зависи от дескриптора на устройството. Стандартът е Digitizers (Usage Page 0x0D), колекция Touch Screen. Пример (Microsoft): X = 2048 при логически максимум 4095 и физическа ширина 12,05″ дава около 6,03″.

2.7 Блок-схема

Посочете или докоснете модул, за да видите ролята му. Оранжевите линии са захранване, пунктираната е синхронизацията между дисплея и тъча.

Блок-схема на сензорен екранизберете модул

Покажи TDDI: драйверът на дисплея и тъч контролерът в един чип

Дисплеят и сензорът споделят чипа и времето. Тъчът сканира само докато пикселите не се презаписват, иначе сигналите на дисплея биха заглушили слабия сигнал от пръста.

Раздел 3

Практика и любопитни факти

3.1 Симулатор на тъч матрица

Влачете пръста по екрана. Цветът показва колко е паднал капацитетът във всеки възел. Контролерът отделя допира от шума с праг и изчислява позицията между възлите. Сменете режима на Self и добавете втори пръст: ще видите ghost точките. Опитайте и ръкавица, вода, зарядно и длан.

Симулатор на тъч матрицаекран 140 × 80 mm · 28 × 16 възела

Режим на измерване

Брой пръсти

Условие

Шум 8

Праг 30 %

Glove режим
прагът е наполовина по-нисък

Стабилен допир

SNR

—

Контакти

Грешка

—

Отчет към хоста (HID):

Как работи моделът

Всеки допир е Гаусов профил: ΔC = A · exp(−d² / 2σ²), със σ = 3,5 mm (така че широчината му да е около 8 mm, колкото пръста) и A = 300 условни единици. Към всеки възел се добавя Гаусов шум. Позицията е претеглен центроид по 3 × 3 възела около пика: X = Σ(x · S) / ΣS, като от теглата се изважда шумовият под.

ДопусканеРешетката, амплитудата, σ, праговете в процент и ефектите на ръкавицата (сигнал ×0,3), водата и зарядното са за нагледност. Реалните стойности са търговска тайна на производителите. Като ориентир: Windows изисква точност до ±1 mm, а Infineon препоръчва SNR най-малко 5:1 и debounce от 3 кадъра. Фалшивите допири от зарядното тук се появяват за един кадър. Debounce ги филтрира.

3.2 Любопитни факти

РъкавицаТъканта отдалечава пръста и сигналът пада под прага.

ВодаSelf режимът я бърка с пръст, а mutual игнорира изолирана капка.

HoverSelf сканиране засича пръст до 20 mm над екрана.

СтилусПасивният работи като пръст. Активният излъчва сигнал: USI, MPP, AES.

ДланГолямо петно: Confidence = 0 и ОС игнорира контакта.

ЗарядноЕвтините зарядни вкарват шум и пускат „сами натискащи се“ точки.

20 mmразстояние за hover (maXTouch mXT449TD)

5 mmдебелина на ръкавицата за един пръст (същият контролер)

250най-много едновременни контакти в Windows

Латентност от допир до дисплея (ms)

Лаб. прототип1

Праг на усещанеоколо 6

Windows изисквадо 35

Търговски (2012)50–200

Прототипът е на Microsoft Research (UIST 2012). Праговете на усещане са от изследване от CHI 2014: при тапване хората не усещат латентност под около 6 ms (диапазон 2–11 ms). Скалата е линейна, затова малките стойности са тесни ленти: разликата в порядъка е смисълът.

Литература

Източници

Липсва информация за контролерите на Goodix и за контролера в конкретен лаптоп. Стойностите при смартфони са търговска тайна. Част от историческите дати идват от вторични източници. Стойностите на капацитета са от бележки за приложение (бутони и тъчпадове) и важат по порядък.

Покажи източниците (16)