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.

Wichtige Aspekte der P-Cap-Touch-Controller

Die eigenkapazitive Berührungserfassung ist hingegen empfindlicher und kann daher gewöhnlich Berührungen auch durch dickere Schutzschichten erfassen. Sie hat jedoch den Nachteil, dass sie normalerweise nur ein bis zwei Berührungspunkte gleichzeitig ermitteln kann, da hier anstelle jeder einzelnen Zelle im Raster der gesamte Leitweg in jeder Achse überwacht wird.

Die Forschung und Entwicklung konzentriert sich bisher im Wesentlichen auf die folgenden vier Bereiche, um sowohl die Berührungsempfindlichkeit als auch die Benutzerschnittstelle zu verbessern.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS Sonderheft Elektromechanik II erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Schnellere Geschwindigkeit: Insbesondere bei großformatigen Touchscreen-Systemen wirkt sich die Größe des leitfähigen Rasters negativ auf die genaue Erfassung der Berührungspunkte aus. Um dem entgegenzuwirken, muss die zugehörige Steuerungselektronik eine beachtliche Verarbeitungsleitung liefern, denn andernfalls kommt es bei der Bewegung über den Bildschirm zu merklichen Verzögerungen bzw. Latenz, was wiederum die Zufriedenheit des Benutzers mit dem System beeinträchtigt.

Erhöhte Genauigkeit: Wenn die Berührungspunkte nicht exakt genug ermittelt werden, kann das den Benutzer frustrieren. Daher muss das Design des Touchsensor-Rasters und seiner Steuerungseinheit für die Bildschirmgröße und den Anwendungszweck optimiert werden.

Bessere Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Störungen: Obgleich die Annahme naheliegt, das sei nur ein Problem bei in einem industriellen Umfeld installierten Touchscreen-Systemen, gibt es eine Vielzahl von gewerblichen Anwendungen, bei denen elektromagnetische Störungen Touchscreens beeinträchtigen können. Selbstbedienungskioske wie Ticket- und andere Verkaufsautomaten an Bahnhöfen sind beispielsweise durch vorüberfahrende Züge periodisch erhöhten elektromagnetischen Störungen ausgesetzt.

Entsprechend werden auch Touchscreens in Bereichen mit ungleichmäßiger oder schlecht regulierter Stromversorgung von transienten Störspannungen im Netzkabel beeinträchtigt. Unter diesen Bedingungen sind das Elektronikdesign und die vom Touch-Controller verwendete Firmware zur Berührungserfassung verbesserungsbedürftig, um eine zufriedenstellende Signalintegrität zu gewährleisten.

Bessere Integration: Bei kompakten Touchscreen-Designs ist es zweifellos vorteilhaft, wenn der Platzbedarf des Touch-Controllers auf ein Minimum begrenzt werden kann. Es ist daher wichtig, die Größe der Leiterplatte zu verringern und den Controller-Chipsatz bereitzustellen, sodass die Konstrukteure den Touch-Controller gegebenenfalls auf der vorhandenen Hauptplatine integrieren können.

Touch-Controller für präzise Touchsensorsysteme

Gewerbliche Anwendungen erfordern mittlerweile eine neue, reaktionsfähigere und präzisere Generation an Touchsensorsystemen, die gleichzeitig kompakter und weniger anfällig für elektromagnetische Störungen sind. Zur Deckung der gesteigerten Ansprüche für eine Vielzahl von Anwendungsbereichen hat der Touchsensor-Hersteller Zytronic den Touch-Controller ZXY110 in sein Produktportfolio aufgenommen. Technische Details finden Sie auch im Kasten am Ende des Beitrags.

Der Touch-Controller steuert berührungsempfindliche Bildschirme, die auf der von Zytronic entwickelten eigenkapazitiven Projected Capacitive Technology beruhen. Der Touch-Controller ist in der Lage, einzelne und zweifache Berührungen zu erfassen und verfügt über einen 32 Bit ARM-Cortex-M4-Prozessor mit einem Takt von bis zu 168 MHz. Diese Verarbeitungskomponente wird von zwei anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen unterstützt, die eigens zu diesem Zweck entwickelt wurden.

Im Vergleich zu eigenständigen Komponentenlösungen erhöhen die ASICs die Integrationsfähigkei, verringern die erforderliche Größe der Leiterplatte und steigern die Leistung. Der Touch-Controller scannt aktiv das Raster der mikrofeinen Kupferelektroden des PCT-Sensors, um selbst geringe, durch die Berührung des Benutzers verursachte Frequenzänderungen zu erfassen. Dabei ist die Erfassungsmethode so empfindlich, dass sie Berührungen selbst durch eine 20 mm dicke Glasschicht registrieren kann. Damit eignet sich die Technik für Selbstbedienungs- und andere besonders beschädigungsgefährdete Anwendungen.

Einsatz bei starken Funkfrequenzen und EM-Störungen

Mit dem ZXY110 benötigt die Aktualisierung nach einer Berührung weniger als 5 ms. Die Latenzzeit wird somit auf ein Minimum begrenzt. Besonders wichtig, insbesondere für Anwendungen, die starken Funkfrequenzen oder elektromagnetischen Störungen ausgesetzt sind, ist die von Zytronic patentierte Frequenz-Scan-Funktion. Mit ihr wird die Betriebsfrequenz des Controllers automatisch und dynamisch zwischen 0,7 MHz und 2,2 MHz gewechselt, um Störungen auszuweichen.

Auf diese Weise wird ein konstantes Signal-Rausch-Verhältnis gewährleistet. Auch hier erfolgen das Scannen der Frequenz und die nachfolgende Anpassung so rasch, dass sie für den Benutzer nicht merklich sind. Diese Steuerungshardware ist als Ausführung mit 32 Eingängen für Displays bis zu 19 Zoll sowie mit 64 Eingängen zur Unterstützung von bis zu 46 Zoll großen Formaten erhältlich. Da dieser Controller über eine identische Anbringung verfügt wie der ZXY100, ist ein unkomplizierter Upgradepfad für existierende Touchscreen-Systeme möglich. Der Controller bietet nativen Support für Windows 7, 8 und Linux-Systeme und fungiert als Plug-and-Play-fähiges Human Interface Device.

* Ian Crosby ist für Verkauf und Marketing verantwortlich und Dr. Andrew Morrison ist Technischer Direktor. Beide arbeiten beim Touch-Spezialisten Zytronic in Großbritannien.

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