如何快速實作可靠的觸控式螢幕

觸控式螢幕是一種人機介面 (HMI)，在編程、配置和控制消費性、企業和工業系統方面，受歡迎的程度逐漸超越鍵盤和滑鼠。觸控式螢幕的操作直覺且快速，能以單一整合式介面取代多種輸入裝置，還可為身障人士提供更大的便利性，也提供小巧尺寸。

觸控式螢幕用於各種各樣的應用，這表示必須堅固耐用，且可以使用手指操作 (無論是否戴上手套)，還必須具有高成本效益。電阻式觸控螢幕可符合這些要求，但設計人員要能透過現成的解決方案，構建能與適當控制器搭配的觸控式螢幕，以便快速打入市場。設計人員還必須瞭解 4 線和 5 線電阻式觸控螢幕介面之間的差異。

本文將簡要說明電阻式觸控螢幕，然後介紹 NKK Switches 的觸控式螢幕和控制器產品範例，並且說明如何利用這些產品進行設計。

電阻式觸控螢幕的運作方式

電阻式觸控螢幕是一種覆蓋平面顯示器的獨立元件。觸控式螢幕搭配控制器後，使用者就能以觸摸特定區域的方式，與顯示的符號進行互動。觸控式螢幕可以偵測到手指或觸控筆所接觸的精確位置。應用程式軟體接著就會依據該位置，來決定接下來要執行的畫面操作。

電阻式觸控螢幕因為價格不高、堅固耐用，而且可使用手指 (無論是否戴上手套) 或觸控筆操作，可用於各種消費性、零售、企業、工業和醫療應用。此技術採用可變形的塑膠薄膜，其背面塗有導電層，如氧化銦錫 (ITO)。觸控式螢幕的背面由玻璃或丙烯酸面板組成，面板的正面有一層 ITO。

不導電的隔片點會將塑膠薄膜與玻璃或丙烯酸背板分開。當使用手指或觸控筆，以一或兩個牛頓力 (N) 按下塑膠薄膜時，薄膜會接觸到背板，就可有效地關閉局部受壓區域的開關。含 4 線或 5 線連接器的控制器板，可以判定關閉之開關的位置，再由軟體進行反應 (圖 1)。

圖 1：電阻式觸控螢幕的運作是利用觸摸將兩個導電表面壓在一起。(圖片來源： NKK Switches)

電阻式觸控螢幕要廣受歡迎，就必須具備成本效益、堅固耐用性，以及能夠戴手套或使用不導電觸控筆進行操作。這類螢幕能運作數百萬次，甚至數千萬次而不失效。電阻式觸控螢幕也可以具備防水和防化學品噴濺的功能。

4 線及 5 觸控式螢幕配置的差異

4 線觸控式螢幕在底板上使用兩個電極，在頂板上使用兩個電極。在底板，電極沿著 Y 軸佈置，就可沿著 X 軸測量電阻。同樣地，頂板上有沿著 X 軸佈置的邊緣電極，因此可以沿著 Y 軸測量電阻 (圖 2)。

圖 2：4 線電阻式觸控螢幕在底板上使用兩個邊緣電極，在頂板上使用兩個電極。這兩對電極彼此垂直，可判定觸摸時的 XY 座標位置。(圖片來源：NKK Switches)

在手指接觸的點，底層會有效地將頂層分成兩個串聯的電阻。在與頂層接觸的點上，底層也會以類似的方式分成兩個電阻。透過適當的偏壓，每片板都可以當作分壓器使用，並以輸出電壓代表接觸點座標。

在 5 線系統中，頂板有四個邊緣電極，可當作電壓感測節點。底板的四個角落會形成電極，可在 X 和 Y 方向產生電壓梯度。不同的偏壓配置可用來取得 X 和 Y 方向的測量值 (圖 3)。

圖 3：5 線電阻式觸控螢幕使用底板上的四個角落電極，在 X 和 Y 方向產生電壓梯度，並以頂板上的兩對邊緣電極來感測電壓。(圖片來源：NKK Switches)

在 5 線結構中，只有底板處於作用狀態。這表示即使頂板受損，觸控式螢幕仍可操作。相較之下，4 線觸控式螢幕的兩片板均處於作用狀態；頂板受損可能會導致觸控式螢幕失效。5 線觸控式螢幕通常更耐用，但代價是設計更複雜且成本更高。

商用電阻式觸控螢幕解決方案

為了將複雜度降至最低，並加快上市時間，NKK 針對觸控式螢幕和搭配的控制器，提供經過實證的商用解決方案。設計人員還可選用 NKK 觸控式螢幕，並可搭配其他供應商或自己的控制器使用。

NKK 的 FT 系列產品是絕佳的電阻式觸控螢幕範例。此系列提供多種螢幕尺寸可供選擇，包括 5.7 至 15.6 吋(對角線)，並可提供 4 線和 5 線的配置，觸控啟動力為 1.4 N (表 1)。這兩種款式都具備可連接到控制器板的撓性電路尾端。

表 1：4 線和 5 線電阻式觸控螢幕的比較結果顯示，若以輕觸的操作來測量，5 線款式可提供更長的工作壽命。(圖片來源：NKK Switches)

FTAS00-5.7AS-4A 是一款 4 線的 5.7 吋型號，在 5 VDC 下耗用 1 mA 電流，具有 250 至 850 Ω 的 XY 電阻值、1.5% 的線性度、10 MΩ 的絕緣阻抗值。觸控式螢幕的預期工作壽命為 5 萬次書寫，或 100 萬次輕觸操作。

FTAS00-10.4A-5 是一款 5 線的 10.4 吋型號，在 5.5 VDC 下耗用 1 mA 電流，具有 20 至 80 Ω 的 XY 電阻值、2% 的線性度、10 MΩ 的絕緣阻抗值。工作壽命為 5 萬次書寫或 1000 萬次輕觸操作。

NKK 針對 4 線和 5 線觸控式螢幕產品提供 RS232C 或 USB 介面的控制器。控制器板隨附的裝置驅動程式軟體可相容於 Windows 7、8 和 10。FTCS04C 和 FTCU04B 分別是適用 NKK 4 線觸控式螢幕的 RS232C 和 USB 介面的控制器板，而 FTCS05B 和 FTCU05B 則是適用 5 線觸控式螢幕的同類產品。

開始使用電阻式觸控螢幕

4 線和 5 線觸控式螢幕的設計流程類似。RS232C 和 USB 4 線控制器板的核心是 FTCSU548 控制器晶片。這款 48 引腳的 LFQFP IC 具有非同步序列介面和全速 USB 2.0 介面。RS232C 工作模式由 3.3 至 5 V 電源供電，而 USB 工作模式則由 5 V 電源供電。額定輸出電流為 170 mA，工作頻率為 16 MHz，類比數位轉換器 (ADC) 解析度為 10 位元。晶片內建校準功能。

按下觸控式螢幕時，控制器 IC 會利用 ADC 偵測到的類比電壓值確定座標值，並透過 RS232C 或 USB 介面，將其轉傳到主機電腦 (圖 4)。

圖 4：FTCSU548 控制器 IC (IC1) 安裝在 FTCU04B (4 線 USB) 控制器板上。CN1 (左) 是觸控式螢幕 4 線撓性電路尾端的連接器。(圖片來源：NKK Switches)

觸控式螢幕的 4 線撓性電路尾端會透過 CN1 連接到控制器板。控制器板透過 CN4 連接到主機電腦。CN4 USB 介面也會供電給電路板。主機會執行裝置驅動程式和觸控式螢幕應用程式軟體 (圖 5)。

圖 5：典型的 4 線 USB 控制器板和主機電腦配置。(圖片來源：NKK Switches)

設計訣竅

電阻式觸控螢幕安裝時需進行校準。FTCSU548 控制器 IC 內建校準功能。進行校準前，必須先將控制器 IC 設定為「source data mode (來源資料模式)」。然後，電腦會在觸控式螢幕上指出一個參考點 (P1)，操作人員需以觸控筆按下該點 (P1)，ADC 電壓資訊就會透過控制器板傳送到電腦。接著在觸控式螢幕的遠端區域，在第二個點 (P2) 上重複此流程。P1 和 P2 的實體座標值會以 8 位元組的數字傳送到電腦。然後，觸控式螢幕會設定成「calibration data mode (校準資料模式)」，應用程式軟體會使用兩個已知點的電壓和座標讀數值，加上內建的「0.0」參考值，在校準資料模式區域中內插其他所有座標值 (圖 6)。

圖 6：在初始配置期間需要進行校準，並在之後定期校準，因為電阻會隨著觸控式螢幕的老化而改變。(圖片來源：NKK Switches)

螢幕的電阻會隨著時間而變化，因此在整個工作壽命期間都需要重新校準。

務必將顯示裝置框架進行接地，以避免電磁干擾 (EMI)。手指的初始接觸電阻也有可能會導致「顫動」。為了防止顫動，可以使用內建的延遲，以便在系統計算座標值之前讓電壓趨穩。

設計人員也必須小心，別將會指示使用者同時觸碰兩個觸控式螢幕區域的軟體納入設計中。此技術無法分辨兩個獨立的觸點，在預設情況下，會辨識成兩點之間的中心點。最後，當使用觸控筆在螢幕上繪製線條時，螢幕隔片上方會出現斷電，以分隔頂層和底層。設計人員應確保應用程式軟體能彌補這些不足。

結論

若應用講究成本、堅固耐用性，以及是否戴手套，或使用不導電的觸控筆操作，電阻式觸控螢幕會是相當適合的人機介面選擇。為了簡化實作，NKK 的商用解決方案包括了觸控式螢幕覆蓋片、含專用控制器 IC 的控制器板，以及裝置驅動程式軟體。