如何快速实施可靠的触摸屏

作者：Steven Keeping

与键盘和鼠标相比，人们越来越倾向于使用触摸屏作为人机界面 (HMI)，对消费者、企业和工业系统进行编程、配置和控制。触摸屏更直观、速度快，采用单一的集成接口，可取代多种输入设备。此外，还能为残障人士提供更大的便利，并且可制成十分小巧的尺寸。

触摸屏的应用范围非常广泛，这意味着它们必须坚固耐用，既可以裸指操作，也可以戴着手套操作，同时还要经济高效。电阻式触摸屏可以满足这些要求，但设计人员需要能够利用现成即用的解决方案快速进入市场，其中就包含与适当的控制器配套使用的触摸屏。他们还必须了解四线和五线电阻式触摸屏接口之间的区别。

本文简要介绍了电阻式触摸屏。随后以 [NKK Switches]的触摸屏和控制器为例，说明了如何使用这些产品进行设计。

电阻式触摸屏的工作原理

电阻式触摸屏是覆盖在平板显示器上的独立组件。触摸屏与控制器结合使用，可让用户通过触摸特定区域与所显示的符号进行交互。触摸屏可以检测手指或手写笔触点的精确位置。然后，应用软件会根据该位置确定屏幕上应进一步执行的操作。

由于电阻式触摸屏价格低廉、坚固耐用，可以裸指、戴着手套或用手写笔进行操作，因此适用于各类消费者、零售、企业、工业和医疗应用。该技术采用一种可变形的塑料薄膜，薄膜背面涂有一层导电材料，例如氧化铟锡 (ITO)。触摸屏的背面由玻璃或丙烯酸基板构成，其正面也有一层 ITO。

非导电隔离点将塑料薄膜与玻璃或丙烯酸基板隔开。当用手指或手写笔以一到两牛顿 (N) 的力度按压塑料薄膜时，薄膜便会接触基板，从而有效地闭合局部受压区域的开关。带有四线或五线连接器的控制器板可以确定闭合开关的位置，软件也会做出相应的反应（图 1）。

图 1：电阻式触摸屏通过触摸操作使两个导电表面相接触进行工作。（图片来源：NKK Switches）

电阻式触摸屏被广泛用于要求成本低、坚固耐用、可戴着手套或使用非导电手写笔操作的应用。此类产品通常能够经受数百万甚至数千万次的触摸操作，而不会出现故障。此外，电阻式触摸屏还可制造为具有防水和防化学品飞溅功能的产品。

四线与五线触摸屏配置的区别

四线触摸屏在底板和顶板上各装有两个电极。底板上的电极沿 Y 轴延伸，使其能够测量沿 X 轴的电阻。同样，顶板上的边缘电极沿 X 轴延伸，使其能够测量沿 Y 轴的电阻（图 2）。

图 2：四线电阻式触摸屏在底板和顶板上各装有两个边缘电极。这两对电极相互垂直，从而确定触点的 XY 位置。（图片来源：NKK Switches）

在手指触点处，底层可有效地将顶层分为两个串联电阻。而顶层同样也在触点处对底层进行分压。通过适当的偏置，每块板都能起到分压器的作用，其中输出电压即代表触点坐标。

在五线系统中，顶板有四个边缘电极，作为电压感应节点。底板的四个角形成电极，在 X 和 Y 方向上产生电压梯度。使用不同的偏置配置获得 X 和 Y 方向的测量值（图 3）。

图 3：五线电阻式触摸屏在底板上使用四个角落电极，以在 X 和 Y 方向上产生电压梯度，并在顶板上使用两对边缘电极来感应电压。（图片来源：NKK Switches）

在五线结构中，只有底板是活动的。这意味着即使顶板损坏，触摸屏仍能正常工作。相反，四线触摸屏的两块板都是活动的；顶板损坏会导致触摸屏失灵。五线触摸屏往往更耐用，但代价是其设计更为复杂，成本也更高。

商用电阻式触摸屏解决方案

为了尽可能降低复杂性并加快产品上市速度，NKK 为触摸屏和配套的控制器提供了成熟的商用解决方案。设计人员仍然可以选择从 NKK 购买触摸屏，并将其与其他供应商或自有的控制器配套使用。

NKK 的 [FT 系列]是电阻式触摸屏的典范。该系列提供从 5.7 英寸到 15.6 英寸（对角线）不等的各种屏幕尺寸，有四线和五线两种配置，触摸激活力度为 1.4 N（表 1）。这两个版本都有一个连接到控制器板的柔性电路尾端。

| | | 四线 | 五线 |
| -------------------------- | ----------------------------------------------------------------------- | ---------------------------------- |
| 使用寿命 | 100 万次 | 1,000 万次 |
| 标准尺寸 | 5.7 英寸至 19.0 英寸 | 10.4 英寸、12.1 英寸和 15.0 英寸 |
| 线性度 | 最大 ±1.5 | 最大 ±2.0%
（9 点校准后） |
| 电阻值 | 250 Ω ~ 850 Ω
120 Ω ~ 1,500 Ω（宽范围） | 20 Ω ~ 80 Ω |
| 备注 | 经济高效，提供各种标准尺寸 | 请勿从上层测量电压，这样更耐用。 |
| 触摸激活力度 | 1.4 N | 1.4 N |
| 柔性印刷电路板 | 5.7、6.5、8.4、10.4、10.6（宽）、12.1、12.1（宽）、15、15.6（宽）、19 | |

表 1：通过对四线和五线电阻式触摸屏进行比较，可以看出五线电阻式触摸屏的使用寿命更长（以点击次数为单位）。（图片来源：NKK Switches）

[FTAS00-5.7AS-4A] 是一款 5.7 英寸四线型电阻式触摸屏，在 5 VDC 下电流为 1 mA，XY 电阻值为 250 Ω 至 850 Ω，线性度为 1.5%，绝缘阻抗为 10 MΩ。触摸屏的预期使用寿命为 5 万次书写或 100 万次点击。

[FTAS00-10.4A-5] 是一款 10.4 英寸五线型电阻式触摸屏，在 5.5 VDC 下电流为 1 mA，XY 电阻值为 20 Ω 至 80 Ω，线性度为 2%，绝缘阻抗为 10 MΩ。预期使用寿命为 5 万次书写或 1,000 万次点击。

无论是四线还是五线触摸屏产品，NKK 均提供带有 RS232C 或 USB 接口的控制器。控制器板随附与 Windows 7、8 和 10 兼容的设备驱动程序软件。[FTCS04C] 和 [FTCU04B]分别是用于 NKK 四线触摸屏的 RS232C 和 USB 接口控制器板，而 [FTCS05B]和 [FTCU05B]则是用于五线触摸屏的同类产品。

电阻式触摸屏入门

四线与五线触摸屏的设计过程类似。RS232C 和 USB 四线控制器板的核心是 [FTCSU548] 控制器芯片。这款 48 引脚 LFQFP IC 配备异步串行接口和全速 USB 2.0 接口。该器件由 3.3 V 至 5 V 电源供电（用于 RS232C），或由 5 V 电源供电（用于 USB），额定输出电流为 170 mA，工作频率为 16 MHz，模数转换器 (ADC) 分辨率为 10 位。该芯片具有内置校准功能。

按压触摸屏时，控制器 IC 会利用 ADC 检测到的模拟电压值确定坐标，并通过 RS232C 或 USB 接口将坐标转发到主机（图 4）。

图 4：FTCSU548 控制器 IC (IC1) 安装在 FTCU04B（四线 USB）控制器板上。CN1（左）是触摸屏四线柔性电路尾端的连接器。（图片来源：NKK Switches）

触摸屏的四线柔性电路尾端通过 CN1 与控制器板连接。控制器板通过 CN4 与主机 PC 连接。CN4 USB 接口同时为控制器板供电。主机会运行设备驱动程序和触摸屏应用软件（图 5）。

图 5：典型的四线 USB 控制器板和主机 PC 配置。（图片来源：NKK Switches）

设计建议

电阻式触摸屏在安装时需要校准。FTCSU548 控制器 IC 内置有校准功能。首先，必须将控制器 IC 设置为“源数据模式”才能进行校准。然后，PC 会在触摸屏上显示一个参考点 (P1)，操作人员用手写笔按压该点，ADC 电压信息就会通过控制器板发送到 PC。随后在触摸屏另一处的第二个点 (P2) 重复这一过程。P1 和 P2 的物理坐标以 8 字节数字的形式发送到 PC。接下来，再将触摸屏设置为“校准数据模式”，应用软件会使用两个已知点的电压和坐标读数，加上内置的“0,0”参考点，对校准数据模式区域内的所有其他坐标插值（图 6）。

图 6：由于电阻会随着触摸屏的老化而发生变化，因此需要在初始配置时进行校准，并在之后定期校准。（图片来源：NKK Switches）

屏幕的电阻会随着器件的老化而发生变化，因此在整个使用寿命内需要反复校准。

最重要的是，必须将显示器件框架接地以防止电磁干扰 (EMI)。此外，手指的初始接触电阻也可能导致“抖动”。为了防止抖动，可使用内置延迟功能，让电压在系统计算坐标之前稳定下来。

设计人员还必须注意不要在软件中指示用户同时点击两个触摸屏区域。该技术无法分辨两个独立的触点，会默认为两点之间的中点。最后，当使用手写笔在屏幕上画线时，屏幕中将两层隔开的隔离点上方会出现断点。设计人员应确保应用软件能填补这些缺陷。

总结

电阻式触摸屏适用于在要求成本低、坚固耐用、可裸手或戴着手套或者使用非导电手写笔操作的应用中作为 HMI。为了简化实施过程，NKK 的商用解决方案涵盖了触摸屏覆盖层、带有专用控制器 IC 的控制器板，以及设备驱动程序软件。

审核编辑 黄宇