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Touch-Sensoren Ein präziser P-Cap-Touch-Controller für die Industrie

Autor / Redakteur: Ian Crosby und Dr. Andrew Morrison * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Der P-Cap-Touchsensor in Industrie-Displays hat sich durchgesetzt. Längst arbeitet die Forschung an verbesserten Empfindlichkeiten. Wir zeigen, worauf es bei einem Touch-Controller ankommt.

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Berührempfindliche Eingabe: Bei der projiziert-kapazitiven Eingabe erfolgt die Bedienung auf der praktisch verschleißfreien Glasoberfläche.
Berührempfindliche Eingabe: Bei der projiziert-kapazitiven Eingabe erfolgt die Bedienung auf der praktisch verschleißfreien Glasoberfläche.
(Zytronic)

In den vergangenen Jahrzehnten hat sich die projiziert kapazitative (P-Cap-)Touchsensor-Technik großflächig durchgesetzt. In Anbetracht ihrer vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten ist die zunehmende Verbreitung von P-Cap-Touchscreen-Displays abzusehen. Allerdings erfordert das eine Weiterentwicklung der zugehörigen Steuerungselektronik.

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Fast jeder ist mittlerweile mit der Bedienung berührungsempfindlicher Geräte und Displays vertraut, die zunehmend im Haushalt, bei Fitnessgeräten, Selbstbedienungs- und Geldautomaten zu finden sind. Dabei ist uns die Technik so sehr zur Gewohnheit geworden, dass viele Menschen sofort versuchen, ein Display über die Berührung zu steuern. Es spielt keine Rolle, ob das betreffende Gerät dazu imstande ist oder nicht.

Angesichts der intuitiven Bedienung, die Touchscreens im Unterschied zu Drucktasten oder Tastatur bieten, steigt die Nachfrage, diese Technologie in immer mehr und zunehmend anspruchsvolleren Anwendungen einzusetzen. Wie wir im Folgenden erörtern werden, stellt dies bestimmte Anforderungen an die benötigte Steuerungselektronik.

Die P-Cap-Sensortechnik für die Berührerkennung

In P-Cap-Touchscreens kommen zwei verschiedene Methoden zum Tragen, um Berührungen zu erkennen. Bisher ist die gegenseitig kapazitive Berührungserfassung am weitesten verbreitet, insbesondere bei tragbaren Elektronikgeräten. Die Technik bildet beispielsweise die Grundlage für den in Tablet-Computer oder Smartphone verwendeten Touchscreen. Die meisten gegenseitig kapazitiven Berührungssensoren verfügen über zwei getrennte leitfähige Schichten, die ein Raster individueller, aus Indium-Zinnoxid bestehender Zellen enthalten, die wiederum direkt mit der Steuerungselektronik verbunden sind.

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Vorgestellt: Der Touch-Controller ZXY110

Mit dem Touch-Controller ZXY110 lassen sich Berührungskoordinaten in weniger als 5 ms aktualisieren. Zudem verfügt die Hardware über eine firmeneigene Architektur und Firmware mit in der Industrie führender Widerstandskraft gegen elektromagnetische Störungen. Die reduzierte elektromagnetische Störungsanfälligkeit beruht auf der Frequenzscan-Funktion. Hier bewegt sich die Betriebsfrequenz dynamisch zwischen 1,3 und 2,5 MHz, um Umweltrauschen zu vermeiden. Die Controller sind mit den Betriebssystemen Windows 7, 8 und Linux Plug-and-play-kompatible Schnittstellen zwischen Mensch und Maschine.

Eine geringe elektrische Ladung wird durch eine der Schichten geleitet und durch die kapazitive Kopplung auf die zweite Schicht übertragen. Eine Berührung mit einem Finger oder geeigneten leitfähigen Stift verändert die zwischen den Schichten geleitete elektrische Ladung. Die in der Touch-Controller-Software eingebetteten Detektionsalgorithmen errechnen dann die Zellen im Raster, an denen jeweils die größte kapazitive Veränderung auftritt, und melden das dem Host-PC in Form der betreffenden X-Y-Koordinaten.

Die eigenkapazitive Berührungserfassung

Im Unterschied dazu funktioniert die weniger verbreitete eigenkapazitive Berührungserfassung durch die Ermittlung winziger Frequenzänderungen. Hier wird eine bekannte Oszillationsfrequenz durch ein auf der Rückseite eines geeigneten Trägers aufgebrachtes X-Y-Raster geleitet. Diese bekannte Oszillationsfrequenz wird von der Leitfähigkeit des menschlichen Körpers oder eines geeigneten Stifts beeinflusst.

Wenn sich der Finger des Benutzers der Touchscreen-Oberfläche nähert, lässt sich errechnen, bei welchen leitfähigen Elementen in der X- und der Y-Achse die stärkste Frequenzänderung auftritt. Daraufhin werden dem Hostcomputer die entsprechenden Ausgabekoordinaten übermittelt. Gegenseitig kapazitive Touch-Techniken sind für Anwendungen geeignet, bei denen mehr als eine Berührung gleichzeitig gemeldet werden soll. Hier ist jede Zelle im Raster in der Lage, eine Berührung zu erfassen. Bei relativ niedrigen Spannungen ist es mit dieser Methode jedoch schwierig, eine Berührung zu erfassen, wenn die schützende Glasschicht mehr als einige Millimeter dick ist.

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