Mensch-Maschine-Interface

Projiziert-kapazitive-Eingabe in der Industrie

| Autor / Redakteur: Roland Maurer * / Hendrik Härter

Mensch-Maschine-Schnittstelle: Ein Multitouch-System auf Basis der projiziert kapazitiven Eingabe hat sich zu einem industrietauglichen Eingabesystem entwickelt.
Mensch-Maschine-Schnittstelle: Ein Multitouch-System auf Basis der projiziert kapazitiven Eingabe hat sich zu einem industrietauglichen Eingabesystem entwickelt. (Bild: Siemens)

Multitouch-Systeme für die Industrie sollten resistent gegen EMV-Störungen sein, Wasser darf nicht eindringen und außerdem sollten sich die Systeme mit Handschuhen bedienen lassen.

Projiziert-kapazitive Eingabesysteme mit geschlossener Glasfront ohne Schmutzkanten sind leicht zu reinigen, kratz- und abriebfest sowie chemisch resistent. Sie ermöglichen daher einen vielfältigen Einsatz in der Industrieautomation, im Maschinenbau und in der Medizintechnik. Die Sensorlagen sind hinter dem Frontglas geschützt und werden dadurch mechanisch nicht beansprucht. Mit Multitouch kann der Anwender Maschinen, Geräte und Anlagen intuitiver, schneller und vor allem sicherer bedienen. Verbessert werden gerade im industriellen Umfeld die Visualisierungs- und Bedienkonzepte, womit sich die Gestaltungsmöglichkeiten von Multitouch-Eingabesystemen weiter entwickeln werden.

Der Aufbau und die Funktion eines PCAP-Systems

Touch-Sensoren, die auf dem Prinzip der projiziert-kapazitiven Eingabe beruhen, bestehen mindestens aus zwei elektrisch getrennten Sensorflächen, Glas oder Polyesterfolien, die mit hochtransparentem ITO (Indium-Zinn-Oxid) leitfähig beschichtet sind. Durch einen Ätz- oder Laserprozess werden die ITO-Flächen in viele kleine Einzelfelder segmentiert und als X/Y-Schnittpunkte in Reihen und Spalten abgebildet. Die Designmöglichkeiten dieser Sensorfelder sind vielfältig und folgen unterschiedlichen Richtlinien der Hersteller von PCAP-Basischips.

Die Strukturen sind außerhalb des Sichtbereichs mit gedruckten oder gelaserten Leiterbahnen aus Silberleitfarbe kontaktiert und leitend zu den Anschlusskontakten geführt. Die auf Folie basierenden Sensoren werden hochtransparent und elektrisch isolierend laminiert. Dadurch wird über die gesamte aktive Fläche in ein matrixförmiges Netz von einzeln adressierbaren Sensoren mit ruhenden Referenzkapazitäten gebildet.

Bei der Annäherung eines Fingers wird dessen Position durch Veränderung der Kapazität der Einzelsensoren erkannt. Durch Interpolation der angrenzenden Sensorkapazitäten kann der Controller die exakten Positionen der Betätigungen berechnen und in entsprechende X/Y-Koordinaten umwandeln. Die matrixförmige Anordnung der kapazitiven Einzelsensoren benötigt keine Kalibrierung. Dadurch arbeiten industrietaugliche projiziert-kapazitive Multitouch-Systeme auch unter rauen Umgebungsbedingungen immer positionsgenau.

Kapazitives Sensorfeld durch nichtleitende Medien

Die elektronische Auswertung arbeitet bezüglich der Berührungserkennung mit zwei Hauptmethoden. Bei beiden Arten wird ein kapazitives Sensorfeld durch nichtleitende Medien, wie beispielsweise durch Glas, projiziert. Dabei wird die Änderung der Eigenkapazität, das sogenannte Self-Capacitance, oder der Gegenkapazität, das Mutual-Capacitance, der Sensoren ermittelt. Bei der Eigenkapazitätsmethode wird der durch eine Annäherung erhöhte Ladungsfluss der X- und Y-Sensoren zum Erdungsniveau ermittelt.

Die Betätigungsposition ist die Stelle, an der die Sensoren einen erhöhten Ladungsfluss aufzeigen. Die Methode der Gegenkapazität detektiert eine Änderung der Kapazität in der Sensormatrix infolge einer Parallelkopplung des Fingers zu den Schnittpunkten. Beide Auswertemethoden besitzen Vor- und Nachteile. Die Elektronik eines industrietauglichen PCI-Touch-Controllers verwendet idealerweise eine Kombination beider Methoden.

Einer der wichtigsten Faktoren, um die Industrietauglichkeit eines Touchsystems zu erreichen, ist die Stabilität bei Einfluss von EMV-Störungen auf das gesamte System. Während den Qualifizierungsprüfungen sollte das Touch Panel mit mindestens zwei Aktoren betätigt werden. Nur so kann die absolute EMV-Beständigkeit umfassend qualifiziert werden. Damit das Touchsystem auch bei einer ungünstigen EMV noch stabil ist, müssen zwei Hauptstörquellen bei der Toucheingabe berücksichtigt werden.

Erste Störquellen hinter dem Touch Panel sind integrierte Displays und getaktete Netzgeräte. Auf diese Störungen bezieht sich die EMV-Norm nach IEC-61000-4-3. Des Weiteren definiert die EMV-Norm IEC-61000-4-6 leitungsgebundene Einkopplung von Spannungsspitzen und Frequenzen. Diese Störsignale so zu eliminieren, dass das Multitouch-Panel ohne Abweichung der Touch-Funktion positionsgenau arbeitet und keine Fehlauslösungen verursacht werden, ist Voraussetzung dafür, dass die EMV-Konformität nach Klasse A erreicht wird.

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