כיצד לממש מסכי מגע אמינים במהירות

מסך המגע הולך וכובש את מקומו כממשק אדם-מכונה (HMI) מועדף על פני מקלדת ועכבר למטרות תכנות, הגדרת תצורה ובקרה במערכות ארגוניות, תעשייתיות וצרכניות. מסכי המגע הם אינטואיטיביים, מהירים ומהווים ממשק משולב יחיד המחליף צירוף של התקני כניסה. הם גם מציעים נוחות רבה יותר לאנשים בעלי מוגבלויות פיזיות, וניתן לעשותם קומפקטיים למדי.

לאור המגוון הרחב של יישומים למסכי מגע, הם חייבים להיות עמידים, ניתנים להפעלה באצבעות חשופות או עם כפפות, וכן בעלי יחס עלות-תועלת מיטבי. מסכי מגע התנגדותיים (רזיסטיביים) עומדים בדרישות האלה, אך המתכננים נדרשים להוציאם לשוק במהירות עם פתרונות מן-המדף הכוללים מסך מגע המותאם לבקר המתאים. עליהם להבין גם את ההבדלים בין ממשקי מסך מגע התנגדותי של 4 חוטים או 5 חוטים.

מאמר זה מתאר בקצרה את נושא מסכי המגע ההתנגדותיים. בהמשך הוא מציג מסכי מגע ובקרים של NKK Switches ומראה כיצד ניתן להשתמש בהם לתכנון.

כיצד פועלים מסכי מגע התנגדותיים

מסכי מגע התנגדותיים הם רכיבים עצמאיים המכסים לוחות תצוגה שטוחים. בשילוב עם בקר, מסך מגע מאפשר למשתמשים לפעול אינטראקטיבית עם סימבולים המוצגים עליו על ידי נגיעה באזורים ספציפיים. מסך מגע יכול לזהות את מיקומו המדויק של מגע באמצעות אצבע או עט אלקטרונית (סטיילוס). לאחר מכן, תוכנת היישום קובעת אילו פעולות מסך נוספות אמורות להתרחש על בסיס מיקום זה.

מסכי מגע התנגדותיים מתאימים לשורה של יישומים צרכניים, קמעונאיים, ארגוניים, תעשייתיים ורפואיים מכיוון שהם זולים, עמידים וניתנים להפעלה באצבעות חשופות או עם כפפות ובעטי מגע. הטכנולוגיה משתמשת בפילם פלסטיק ניתן-לדפורמציה המצופה בצידו האחורי בשכבה מוליכה כגון תחמוצת אינדיום-בדיל (ITO‏). צידו האחורי של מסך המגע עשוי מלוח זכוכית או אקריליק הכולל שכבת ITO על שטח הפנים הקדמי שלו.

פילם הפלסטיק מופרד מהלוח האחורי העשוי זכוכית או אקריליק באמצעות נקודות מרווח מחומר לא-מוליך. כאשר לוחצים על פילם הפלסטיק באצבע או בסטיילוס בכוח של 2‏-1‏ ניוטון (N), הפילם יוצר מגע עם הלוח האחורי ובכך למעשה סוגר מתג באזור הלחץ המקומי. לוח הבקר, עם מחבר של 4 או 5 חוטים, יכול לקבוע את מיקום המתג הסגור, והתוכנה מגיבה בהתאם (איור 1).

איור 1: מסכי מגע התנגדותיים פועלים על ידי שימוש במגע כדי ללחוץ ולהצמיד זה לזה שני משטחים מוליכים. (מקור התמונה: NKK Switches)

מסכי מגע התנגדותיים זוכים לפופולריות ביישומים שבהם העלות, העמידות ויכולת ההפעלה בידיים עם כפפות או עם סטיילוס לא-מוליך הם חיוניים. לרוב הם מסוגלים לבצע מיליוני פעולות ואפילו עשרות מיליוני פעולות ללא תקלה. ניתן גם לייצר מסכי מגע התנגדותיים עם הגנה מפני נתזי מים וכימיקלים.

ההבדל בין התצורות של מסך מגע עם 4 או 5 חוטים

מסך מגע עם 4 חוטים משתמש בשתי אלקטרודות בלוח התחתון ובשתיים בלוח העליון. בלוח התחתון האלקטרודות עוברות לאורך ציר Y ומאפשרות למדוד את ההתנגדות לאורך ציר X. באופן דומה, הלוח העליון כולל אלקטרודות קצה העוברות לאורך ציר X ומאפשרות למדוד את ההתנגדות לאורך ציר Y (איור 2).

איור 2: מסכי מגע התנגדותיים עם 4 חוטים משתמשים בשתי אלקטרודות קצה בלוח התחתון ובשתיים בלוח העליון. זוגות האלקטרודות עוברים אנכית זה לזה ומאפשרים לקבוע את מיקום XY של המגע. (מקור התמונה: NKK Switches)

בנקודת המגע של האצבע, השכבה התחתונה למעשה מחלקת את השכבה העליונה לשני נגדים בטור. השכבה התחתונה מחולקת באופן דומה בנקודת המגע עם השכבה העליונה. עם ממתח (Bias‏) מתאים, כל אחד מהלוחות יכול לתפקד כמחלק שבו מתח היציאה מייצג את הנקודה של קואורדינטות המגע.

במערכת עם 5 חוטים, הלוח העליון כולל ארבע אלקטרודות קצה ומתפקד כצומת חישת המתח. ארבע הפינות של הלוח התחתון מהוות אלקטרודות היוצרות גרדיינטי מתח בכיוונים X ו-Y. תצורות ממתח (Bias‏) שונות לביצוע מדידות כיוון X ו-Y (איור 3).

איור 3: מסכי מגע התנגדותיים עם 5 חוטים משתמשים בארבע אלקטרודות פינתיות בלוח התחתון ליצירת גרדיינטי מתח בכיוונים X ו-Y ובשני זוגות של אלקטרודות קצה בלוח העליון לצורך חישת המתח. (מקור התמונה: NKK Switches)

בתצורת 5 חוטים, רק הלוח התחתון פעיל. המשמעות היא שמסך המגע יכול להמשיך לפעול גם אם נגרם נזק ללוח העליון. לעומת זאת, במסך מגע 4 חוטים, שני הלוחות פעילים – ונזק ללוח העליון עלול לגרום לכשל של מסך המגע. בדרך כלל, מסך מגע עם 5 חוטים הוא עמיד יותר, אך הדבר בא על חשבון רמת המורכבות והעלות הגבוהות יותר של התכן.

פתרונות מסחריים למסכי מגע התנגדותיים

כדי לצמצם את רמת המורכבות ולהאיץ את זמן היציאה לשוק, NKK פיתחה פתרונות מסחריים מוכחים עבור מסכי המגע והבקרים המותאמים שלהם. עדיין, המתכנן יכול לרכוש מסך מגע של NKK ולהתאים לו בקר של יצרן אחר או בקר משל עצמו.

סדרה FT של NKK היא דוגמה מצוינת למסכי מגע התנגדותיים. הסדרה זמינה במגוון גודלי מסך בתחום של 5.7 עד 15.6 אינץ' (אלכסוני), והיא מוצעת בתצורות של 4 חוטים ו-5 חוטים ובכוח הפעלת מגע של 1.4 ניוטון (טבלה 1). שתי הגרסות כוללות זנב מעגל גמיש המתחבר ללוח בקר.

טבלה 1: השוואה של מסכי מגע התנגדותיים עם 4 ו-5 חוטים מראה כי גרסת 5 חוטים מציעה משך חיי פעולה ארוך יותר במונחים של פעולות הקשה. (מקור התמונה: NKK Switches)

דגם FTAS00-5.7AS-4A הנו בעל תצורת 4 חוטים בגודל 5.7 אינץ' הצורך 1 מילי-אמפר (mA) ב-5 וולט DC‏ (VDC), בעל ערך התנגדותי XY של 250‎ עד‎850 ৺‏ אוהם (Ω), ליניאריות של 1.5% ואימפדנס בידוד של ‎10 מגה-אוהם‏ (MΩ). משך חיי הפעולה הצפוי של מסך המגע הוא 50,000 פעולות כתיבה או 1 מיליון פעולות הקשה.

דגם FTAS00-10.4A-5 הנו דגם בעל תצורת 5 חוטים בגודל 10.4 אינץ' הצורך 1 מילי-אמפר (mA) ב-5.5 וולט DC‏ (VDC), בעל ערך התנגדותי XY של ‎20 עד ‎80 אוהם (Ω), ליניאריות של 2% ואימפדנס בידוד מינימלי של ‎10 מגה-אוהם (MΩ). אורך החיים התפעולי הוא 50,000 פעולות כתיבה או 10 מיליון פעולות הקשה.

חברת NKK מציעה בקר בעל ממשק RS232C או USB עבור מוצרי מסך מגע עם 4 חוטים ו-5 חוטים כאחד. לוחות הבקר מגיעים עם תוכנת מנהל התקן התואמת למערכת ההפעלה Windows גרסאות 7, 8 ו-10. לוחות FTCS04C ו-FTCU04B הם לוחות בקר בעלי ממשק RS232C ו-USB, בהתאמה, עבור מסכי מגע עם 4 חוטים של NKK, ואילו הלוחות FTCS05B ו-FTCU05B הם המקבילים שלהם עבור מסכי מגע עם 5 חוטים.

צעדים ראשונים בעבודה עם מסך מגע התנגדותי

תהליך התכנון דומה עבור מסכי מגע 4 חוטים ו-5 חוטים. השבב FTCSU548 הוא הרכיב המרכזי של לוח בקר 4 חוטים בעל ממשק RS232C או USB. מדובר במעגל משולב עם 48 פינים במארז LFQFP הכולל ממשק טורי אסינכרוני וממשק USB 2.0 במהירות מלאה. הוא מופעל במתח של 3.3 עד 5 וולט עבור ממשק RS232C‏ או במתח של 5.0 וולט עבור ממשק USB, עם זרם יציאה נקוב של ‎170 מילי-אמפר, תדר פעולה של 16 מגה-הרץ (MHz‏) ורזולוציית ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) של 10 ביטים. השבב כולל פונקציית כיול מובנית.

כאשר לוחצים על מסך המגע, המעגל המשולב של הבקר קובע את הקואורדינטות תוך שימוש בערך המתח האנלוגי שזוהה על ידי ממיר ה-ADC ומעביר אותן למחשב המארח דרך ממשק RS232C או USB (איור 4).

איור 4: המעגל המשולב של בקר FTCSU548 ‏(IC1) מורכב על לוח הבקר FTCU04B ‏(USB‏, 4 חוטים). CN1 (משמאל) הוא המחבר עבור זנב המעגל הגמיש 4 חוטים של מסך המגע. (מקור התמונה: NKK Switches)

זנב המעגל הגמיש 4 חוטים של מסך המגע מתחבר ללוח הבקר דרך CN1. לוח הבקר מתחבר למחשב המארח דרך מחבר CN4. מחבר CN4 של ממשק ה-USB גם מספק מתח ללוח. המחשב המארח מפעיל את הדוחף ואת תוכנת היישום של מסך המגע (איור 5).

איור 5: לוח בקר USB טיפוסי 4 חוטים ותצורת מחשב מארח. (מקור התמונה: NKK Switches)

טיפים לתכנון

מסך המגע ההתנגדותי דורש כיול בעת ההתקנה. מעגל הבקר FTCSU548 כולל פונקציית כיול מובנית. כדי לכייל את מעגל הבקר, תחילה יש להגדירו ל'אופן נתוני מקור". בשלב הבא, המחשב מציין נקודת ייחוס (P1) על מסך המגע שעליה המפעיל לוחץ עם סטיילוס, ונתוני המתח של ממיר ה-ADC נשלחים למחשב דרך לוח הבקר. התהליך חוזר על עצמו לגבי נקודת ייחוס שנייה (P2) באזור מרוחק של מסך המגע. הקואורדינטות הפיזיות של P1 ו-P2 נשלחות למחשב כמספר באורך של שמונה ביטים. בשלב הבא, מסך המגע מוגדר ל'אופן נתוני כיול', ותוכנת היישום משתמשת בקריאת המתח והקואורדינטות של שתי הנקודות הידועות, בתוספת ערך ייחוס '0,0' מובנה, כדי לבצע אינטרפולציה של כל יתר הקואורדינטות באזור אופן נתוני הכיול (איור 6).

איור 6: נדרש כיול במהלך הגדרת התצורה הראשונית ובאופן מחזורי בהמשך, מכיוון שהתנגדות מסך המגע משתנה ככל שהוא מתיישן. (מקור התמונה: NKK Switches)

התנגדות המסך משתנה ככל שהוא מתיישן, ולכן נדרש כיול מחדש לאורך חיי הפעולה שלו.

כדי למנוע הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), יש לכלול הארקה למסגרת של התקן התצוגה. כמו כן, ייתכן שהתנגדות המגע הראשונית של האצבע תגרום למעין תחושת 'רטט' (Chatter). כדי למנוע את תחושת ה'רטט', ניתן להשתמש בהשהיה מובנית המאפשרת למתח להתייצב לפני שהמערכת מחשבת את הקואורדינטות.

המתכננים גם חייבים להקפיד שלא לכלול תוכנה שתנחה את המשתמשים לגעת בו-זמנית בשני אזורים שונים של מסך המגע. הטכנולוגיה אינה יכולה לפענח שני מגעים נפרדים, והיא מזהה נקודת מרכז ביניהן כברירת מחדל. לבסוף, כשמציירים קו על המסך באמצעות סטיילוס, הדבר גורם לפערים מעל נקודות המרווח של המסך תוך הפרדת שתי השכבות. המתכננים צריכים להבטיח כי תוכנת היישום ממלאת את הפערים האלה.

סיכום

מסכי מגע התנגדותיים הם ממשקי אדם-מכונה המתאימים ליישומים שבהם העלות, העמידות ויכולת ההפעלה בידיים חשופות או עם כפפות או סטיילוס הם חיוניים. במטרה לפשט את היישום, חברת NKK מציעה פתרונות מסחריים הכוללים כיסוי מסך מגע, לוחות בקר עם מעגל בקר ייעודי ותוכנת מנהל התקן.