Ein Touch-Monitor und seine verschiedenen Funktionalitäten

| Autor / Redakteur: Markus Hell und Richard Pinnow * / Hendrik Härter

Moderne Touch-Monitore: Für PCAP-Touch ist das Bonding notwendig. Kommt Gestensteuerung hinzu, dann ist weitere Hardware notwendig. Schließlich müssen Touch-Treiber und Performance des Gesamt-Geräts aufeinander abgestimmt sein.
Moderne Touch-Monitore: Für PCAP-Touch ist das Bonding notwendig. Kommt Gestensteuerung hinzu, dann ist weitere Hardware notwendig. Schließlich müssen Touch-Treiber und Performance des Gesamt-Geräts aufeinander abgestimmt sein. (Bild: Jan Greune, Data Modul)

Bonding, elektronische Treiber oder 3D-Gestensteuerung: Moderne Touch-Monitore bieten viele Funktionen. Dazu sind unterschiedliche Kompetenzen notwendig, über die nicht jeder Anbieter verfügt.

Multi-Touch-Monitore gehören zu den großen Trendthemen für die Mensch-Maschine-Schnittstelle und deren interne Kommunikation. Sie lassen sich vielseitig einsetzen und gerade die großen Diagonalen von bis zu 55" oder vereinzelt bis 86" erleben in der jüngeren Vergangenheit eine besonders hohe Nachfrage. Und das über alle Branchen hinweg. So eignen sie sich beispielsweise für die sogenannten Self-Service-Lösungen im Einzelhandel oder für Whiteboards im Business- oder Bildungs-Sektor.

Nicht zuletzt kommt die Nachfrage aus der Gaming-Branche, wo die großen PCAP-Monitore beispielsweise für interaktive Roulette-Tische verwendet werden. Ebenfalls auf dem Vormarsch sind gebogene (Curved-) Monitore, die dank des erweiterten Sichtfeldes für eine größere Immersion sorgen. Im Gaming-Sektor haben Curved Panels mit 55'' bereits mehrere kleine, aneinandergereihte 27''- oder 32''-Monitore ersetzt. Hier sorgen sie nicht nur dafür, dass Anwender eine bessere optische Wahrnehmung haben, sondern sie sind auch preiswert. Im Vergleich zu den schneller brechenden ITO-Strukturen sorgen Metal-Mesh-Touchsensoren für eine größere Flexibilität und bieten Radien in unterschiedlichen Shapes („J“ / „C“).

Es kommt auf die Bonding-Methode an

Eng verbunden mit der aktuellen PCAP-Touch-Technik ist das Thema Bonding. Hier steht vor allem das sogenannte Optical Bonding im Mittelpunkt, für das unterschiedliche Lösungen verfügbar sind. Als ein standardisierter Prozess für das Bonding gilt mittlerweile das Verkleben von Touchsensoren mit dem Coverglas. Damit erreichen Hersteller eine gute Performance beim Touch und somit bei der Eingabe.

Im Nachgang werden bei industriellen Applikationen das TFT-Display häufig mit einem doppelseitigen Klebeband, dem sogenannten Air-Bonding, verklebt. Gleichzeitig steigt die Nachfrage nach kostenoptimierten Full- oder Direct-Bonding-Lösungen, da Industrieanwender die optische Performance von Industriedisplays mit der eines Smartphones oder Tablets vergleichen und nicht nur die reine Funktion beurteilen.

Full-Bonding hingegen bezeichnet das sogenannte Füllen des Luftspaltes zwischen der Touch/Coverglas-Einheit und des TFT-Panels. Die am weitesten verbreitete Technik hierfür ist die Flüssigverklebung, das sogenannte LOCA-Bonding. Hier wird das Metalbezel bzw. der TFT-Rahmen im Vorfeld abgedichtet und anschließend mit Flüssigkleber aufgefüllt. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass selbst große Unebenheiten ausgeglichen werden können. Jedoch sind insgesamt mehrere Schritte bei der Verklebung notwendig, die wiederum Auswirkungen auf die Gesamtkosten haben.

Hybrid-Bonding als Kombination aus LOCA- und OCA-Bonding

Eine Alternative zum LOCA-Bonding ist das Gel-Bonding. Dabei haben die Gel-Zuschnitte je nach Beschaffenheit des TFTs die Außenabmessungen der Displays und lassen sich vergleichbar einfach auftragen. Der anfängliche Nachteil der nur dünn verfügbaren Acryl-Gel-Matten wurde durch ein neu qualifiziertes Polyurethan- (PU-)Material aufgehoben. PU und der dafür ausgelegte Prozess bieten neben dem erwünschten Kostenvorteil einen verbesserten Ertrag (Yield) im Vergleich zum LOCA-Bonding und auch eine bessere Haftung als Silikon. Data Modul hatte im vergangenen Jahr mit einem weiteren Bonding-Verfahren sein Portfolio erweitert: dem Hybrid-Bonding. Dabei handelt es sich um eine weiterentwickelte Kombination aus den beiden Bonding-Methoden LOCA und OCA.

Aber nicht nur das Thema Touch-Techniken und die damit verbundene Vielfalt an möglichen Bonding-Verfahren dominieren derzeit die Branche. Es sind auch die Haptik- und Gestensteuerung (3D). Besonders die Kombination beider Techniken erlaubt verschiedene neue Anwendungsmöglichkeiten. Dazu gehören beispielsweise:

  • Verifizierung des Touch-Events (beabsichtigte oder unbeabsichtigte Eingabe),
  • Benutzeranwendung für Sehbehinderte oder visuell abgelenkte Eingabe,
  • Betrieb in steriler Umgebung (medizinische Anwendung) oder
  • neue Funktionen für das grafische User Interface (GUI).

Technologisch gibt es unterschiedliche Ansatzmöglichkeiten, wie sich eine 3D-Gestensteuerung umsetzen lässt. Zum einen gibt es die gängige Methode, bei der eine Kamera die Gestenbewegung registriert und entsprechend auswertet. Weitere Möglichkeiten sind der Einsatz von Infrarot- (IR-) oder Hochfrequenz-Sensoren sowie aktuell auch die Steuerung mit Radar. Ebenfalls möglich ist der Einsatz eines elektrischen bzw. kapazitiven Feldes, welches unter anderem von Data Modul erfolgreich eingesetzt wird.

Dabei handelt es sich um eine beim Kunden sehr beliebte Variante, für die der Markt bereits verschiedene Controller anbietet. Sie zeichnet sich vor allem durch die relativ einfache Integration in ein bestehendes System aus: Vorhandene Sensoren können weitestgehend mitgenutzt werden und müssen lediglich um 3D-Elektroden erweitert werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass keine zusätzliche Hardware, wie beispielsweise eine Kamera, notwendig ist. Das spart nicht nur Platz, sondern schont auch das Energiemanagement. Diese Faktoren erlauben 3D-Gestensteuerung über ein kapazitives Feld.

Wie die 3D-Gestensteuerung umgesetzt wird

Für die Umsetzung der 3D-Gestensteuerung wird für die 2D-PCAP sowie 3D-Hover-Gesten ein Controllerboard verwendet, welches auf Entwicklungen von Microchip, maXTouch und GestIC basieren. Für die Sensorik wird ein PCAP-Sensor mit 2D-PCAP-Touch- und 3D-Gestenelektroden eingesetzt. Dadurch ergibt sich eine nahtlose Synchronisation von 2D-PCAP-Touch-Scan und 3D-Gesten-Scan. Auch sind hier keine separaten 3D-Elektroden in Form von PCBs oder zusätzliche FPCs für das verwendete Touch-System notwendig. Die Anbindung und Integration an Betriebssysteme wie Linux oder Windows ist über eine USB-Schnittstelle problemlos möglich.

Die notwendigen Informationen von der Touch-Einheit werden über die I²C- oder USB-Verbindung und einem Bussystem in die Embedded-Einheit gespeist. Der Hersteller Data Modul bietet hier zwei verschiedene Konzepte an, um den Input zu analysieren: ein Computer-on-Module (COM) plus einem Carrierboard oder ein Single-Board-Computer (SBC). Bei dem COM-Ansatz steht ein flexibles Konzept zur individuellen Hardwareintegration für Mid- bis High-Performance-Anforderungen im Vordergrund. Bevorzugt wird hier der Einsatz von einem COM-Express-Type-6-Modul, welches verschiedene Leistungsklassen von Atom bis i-Core-Performance auf dem Basic- und Compact-Formfaktor anbietet.

FPGA als Controller oder ein Standard-Board

Das Single-Board-Computer eDM-SBC-iMX6-PPC von Data Modul. Die Dual-24-Bit-LVDS-Schnittstelle erlaubt den Anschluss von Displays mit einer Auflösung von bis zu 1920 × 1200 Pixel (WUXGA). Die Backlight-Versorgung mit PWM-Dimming ist bereits vorhanden.
Das Single-Board-Computer eDM-SBC-iMX6-PPC von Data Modul. Die Dual-24-Bit-LVDS-Schnittstelle erlaubt den Anschluss von Displays mit einer Auflösung von bis zu 1920 × 1200 Pixel (WUXGA). Die Backlight-Versorgung mit PWM-Dimming ist bereits vorhanden. (Bild: Data Modul)

Als flexible Variante bietet sich der Embedded-Controller (DMEC) von Data Modul als eine flexible Alternative an, damit Entwickler Anpassungen schnell umsetzen können. Für eine schnelle und kostengünstige Standardlösung eignet sich ein Single-Board-Computer wie eDM-iMX6-PPC und eDM-iMX8Mm. Beide lassen sich durch die jeweiligen Bestückungsvarianten individuell anpassen. Die Low-Level-Schnittstellen der parallelen Interfaces, worüber die Bildinhalte ausgetauscht werden, können entweder über eDP, LVDS, RGB/TTL, VbyOne, SPI oder MIPI-DSI laufen. Idealerweise bringt die Embedded-Lösung diese Schnittstellen bereits mit, andernfalls steht mit einer Scaler-Karte die richtige Lösung bereit.

Scaler-Karten sind vor allem für Industriemonitore wie die EasyPanels geeignet. Über sie lassen sich die Low-Level Panel-Interfaces auf High-Level-Monitor-Interfaces umsetzen. Neben der ST- und NT-Familie bietet Data Modul auch UHD- und USB-Varianten an. Somit werden die Informationen der Touch-Sensorik und in diesem Fall die Bewegung des Anwenders in der verbundenen Hard- und Software verarbeitet und auf dem Display dargestellt.

Integration des Touch-Treibers und die System-Performance

Ganz entscheidend ist hier das Thema Treiber: Damit die Touch-Systeme optimal laufen, sind zwei Alleinstellungsmerkmale entscheidend: die Integration des Touch-Treibers und eine optimale Performance. Denn nur wenn das Embedded-System die ankommenden Signale sicher und zuverlässig versteht, kommt es zur gewünschten Interaktion. Der Systemanbieter Data Modul hält hierfür ein ganzheitliches Angebot vor: von Lieferung, Einbau und Wartung über geforderte Zertifizierungen und die Einhaltung von Industrienormen bis hin zur mechanischen Integration und dem Zubehör-Management.

Je nach Anforderung an die Performance des Gesamtsystems und die Displaygröße spielt ein passendes Kühlkonzept eine wichtige Rolle. Hierbei helfen systemkonforme Entwicklungen, die weitere wichtige Faktoren wie Konnektivität, Echtzeitfähigkeit sowie schließlich ein schneller Time-to-Market-Ansatz sowie Life-Cycle-Management abdecken.

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* Markus Hell ist Head of Product Management für Touch Solutions. Richard Pinnow ist Head of Product Management für Embedded-Solutions. Beide arbeiten bei Data Modul in München.

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