Журнал «Компьютерра» № 25-26 от 11 июля 2006 года (645 и 646 номер) - Компьютерра (читать полностью книгу без регистрации .txt) 📗
На две поверхности (нижняя обычно стеклянная, а верхняя пленочная) напылен сплошной тонкий слой проводящего материала (столь тонкий, что прозрачность его зачастую превышает 90%). Поверхности обращены проводящим слоем друг к другу. Дабы проводники не замыкались самопроизвольно, на одну из поверхностей наносится «сетка» точечных полимерных изоляторов. В свободном состоянии слои не касаются друг друга ни в одной точке. Когда же к верхней (пленочной, то есть легко деформируемой) поверхности прикладывается некоторое усилие, происходит замыкание проводников и… Если вы думаете, что с такой конструкции можно снять только двоичный сигнал замкнуто/не замкнуто, то ошибаетесь. Проводящий слой имеет вовсе не нулевое сопротивление, и при замыкании образуется эквивалент резистивного делителя, с которого можно снять аналоговый сигнал, пропорциональный координате точки замыкания.
Один из первых способов построения резистивных матриц — 4-выводной (4-wire). Вдоль вертикальных сторон верхней поверхности, по ее краям, наносятся металлизированные дорожки с очень малым сопротивлением. Такие же две дорожки наносятся и на нижнюю поверхность, но уже по горизонтальным сторонам. Соответственно четыре вывода в разъеме матрицы подключены к этим четырем дорожкам. Никаких сложных математических расчетов параметров четырехполюсника здесь не требуется. Для измерения горизонтальной координаты на вертикальные шины подается заранее известная разность потенциалов — одна замыкается на «землю», вторая — на плюсовой выход опорного источника напряжения. Горизонтальные же шины соединяются вместе и служат средней точкой получившегося резисторного делителя. Для измерения вертикальной координаты производится соответствующая перекоммутация. Кроме того, с подобного датчика легко снимается дискретный сигнал факта нажатия.
Разумеется, зависимость координат от сопротивления нелинейна, это компенсируется как аппаратно (специальной формой «шин» по краю плоскости, к которой подключены выводы), так и программно — калибровкой. В зависимости от размера тачскрина и необходимой точности используется от 4 до 24 точек калибровки. Обойтись совсем без программной калибровки в таких матрицах не удается, поскольку кроме теоретических нелинейностей есть еще и практические — отклонения толщины напыленного резистивного слоя и его старение (особо актуальное для легко деформируемой верхней плоскости). Описанная матрица сегодня применяется в тачскринах с диагональю до 8—10 дюймов.
Последний из упомянутых недостатков 4-выводной матрицы (старение и соответствующее изменение сопротивления резистивного слоя верхней плоскости от частых деформаций) оказался весьма критичным, в связи с чем мысль инженеров пошла дальше. В качестве верхнего слоя была применена металлизация с достаточно низким сопротивлением, а все четыре шины, от которых сделаны выводы, переместились на нижнюю поверхность, причем в ее углы. Изменился и порядок коммутации. Теперь для измерения горизонтальной координаты «земля» стала прикладываться к двум левым углам, а калиброванный плюс — к двум правым; для вертикальной — соответственно к нижним и верхним углам. Средней точкой в матрице служит отдельный вывод от металлизированного верхнего слоя, так что матрица стала 5-выводной (5-wire). Стабильность характеристик такого решения значительно выше, чем у предыдущего, а размеры выпускаемых матриц доходят до 17—19 дюймов.
Погрешности измерения, однако, обусловлены не только старением. В процессе измерения по проводникам в шлейфе матрицы течет весьма значительный ток, а сопротивление этих проводников трудно привести к идеальному нулю. В зависимости от точки нажатия ток в проводниках перераспределяется, что вносит существенную нелинейность в показания. Для устранения этого эффекта опорные входы аналоговой части АЦП было решено перенести непосредственно на шины матрицы, исключив проводники шлейфа. Таким образом, появились дополнительные два (для пятивыводной матрицы от двух диагональных углов) или четыре (для четырехвыводной матрицы от всех четырех шин) проводника в шлейфе, не несущие токовой нагрузки, но фактически просто параллельные основным. Эти два варианта получили название соответственно 7-выводной и 8-выводной матриц (7-wire, 8-wire).
Имеются и специфические решения — для тех случаев, когда требуется распознавать два и более одновременных нажатий. Вся площадь сенсора разделяется на участки, каждый из которых представляет собой отдельную матрицу. Впрочем, допустимые зоны одновременного нажатия оказываются привязаны к определенным местам, и применимость таких конструкций, как правило, ограничена единственным графическим интерфейсом.
Аналоговые резистивные матрицы весьма чувствительны к помехам, особенно если учесть, что их основное применение — тачскрины, где они расположены поверх ЖК-дисплея — расстояние-то от шин ЖК-матрицы мизерное. Избавиться от наводок помогает дополнительный слой металлизации между ЖК-дисплеем и тачскрином, подключенный к «массе», однако сделать его с достаточно малым сопротивлением тоже затруднительно — это дополнительная потеря прозрачности. Поэтому сигналы с выводов матриц обычно фильтруют конденсаторами, номинал которых снова являет компромисс между уровнем фильтрации и скоростью реакции матрицы. Среди плюсов резистивных матриц — независимость от предмета, которым производится нажатие, будь то стилус, палец или он же в перчатке.
Второй по распространенности тип датчиков — ёмкостные. Кроме прозрачных накладок на экран они применяются и в непрозрачных устройствах — например, тачпады ноутбуков в большинстве своем построены на их основе. Эти датчики уже не работают от стилуса и не слишком хорошо воспринимают перчатки, но позволяют изготовить сенсор на стеклянной пластине без использования сильно подверженных износу полимерных пленок или закрыть сенсор слоем износостойкого материала. Кроме того, у них значительно выше точность и линейность. Существует несколько вариантов реализации таких датчиков. К примеру, в тачпадах сенсор состоит из двух относительно независимых частей — горизонтальной и вертикальной, расположенных друг под другом. Каждая часть представляет собой линейку размещенных с некоторым шагом шин, на которые подается импульсный сигнал от контроллера (со сдвигом по времени для каждой шины), и «расческу» приемного электрода, с которой снимается аналоговый сигнал. Да, да — именно аналоговый, так как шин гораздо меньше, чем точек, характеризующих разрешающую способность сенсора. Фактически здесь тоже работает аналоговая технология — положение точки касания вычисляется по разности амплитуды отклика в разные моменты времени. Кроме прочего эта технология позволяет распознавать несколько касаний одновременно, хотя на практике это используется не часто. Из недостатков емкостных сенсоров можно отметить плохую масштабируемость (при увеличении размеров требуется изменение количества шин, а значит, и схемотехники контроллера) и опять же необходимость периодической калибровки. Выпускаемые сейчас емкостные датчики достигают размеров 21-дюймового дисплея.
В известных продуктах компании Wacom применяется индуктивная технология, отчасти похожая на предыдущую (быстродействие, однако, повыше — нет перезарядки емкостей шин). Но работать здесь можно только стилусом, причем специальным — с ферритовым сердечником в наконечнике (который значительно увеличивает магнитную связь между шинами, к тому же у этого решения более высокая чувствительность, позволяющая снимать данные, даже не касаясь планшета стилусом). Шин здесь тоже значительно меньше, чем точек разрешения, и положение стилуса тоже вычисляется по амплитудам отклика. Среди других достоинств технологии — возможность подмешивания в снимаемый с приемных шин сигнал некоторых дополнительных данных (аналог кнопок мыши) путем создания резонансных контуров с разными частотами (для чего применяется обмотка на сердечнике и несколько разных емкостей, подключаемых кнопками).
