觸摸屏技術及其性能分析

劉 瑞

（天津機電職業(yè)技術學院，天津300131）

隨著計算機技術的發(fā)展，多媒體信息查詢的普及，人們越來越多地關注觸摸屏，觸摸屏是一種附加在顯示器表面的透明介質。利用這種技術，用戶只要用手指輕輕地觸碰計算機顯示屏上的圖符或文字，就能實現(xiàn)對計算機的操作定位，擺脫了鍵盤和鼠標操作,從而簡化了計算機輸入方式，真正實現(xiàn)零距離操作。觸摸屏是一個使多媒體信息或控制改頭換面的設備，其賦予多媒體系統(tǒng)以嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設備。

1 基本原理及分類

觸摸屏的本質就是傳感器。觸摸屏系統(tǒng)一般包括兩個部分：觸摸檢測裝置和觸摸屏控制器。觸摸檢測裝置安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測用戶觸摸位置，接收后傳送到觸摸屏控制器；觸摸屏控制器的主要作用，是從觸摸點檢測裝置上接收觸摸信息，并將其轉換成觸點坐標，再送給CPU，同時能接收CPU發(fā)來的命令并加以執(zhí)行。

隨著科技的進步，觸摸屏技術也經歷了從低檔向高檔逐步升級和發(fā)展的過程。根據(jù)其工作原理和傳輸信息的介質，觸摸屏可分為四大類：電阻式觸摸屏，電容式觸摸屏，紅外線式觸摸屏和表面聲波觸摸屏。

1.1 電阻式觸摸屏

電阻式觸摸屏是一種多層的復合薄膜，由一層玻璃作為基層，表面涂有一層ITO透明導電層，上面蓋有一層光滑防刮的塑料層作為保護層，在保護層的內表面涂有一層導電層（ITO或鎳金）。在兩導電層之間，有許多細小的透明隔離點絕緣，并在兩層ITO工作面的邊線上各涂有一條銀膠，一端加5V電壓，另一端接地，從而在工作面的一個方向上形成均勻連續(xù)的平行電壓分布。當手指觸摸屏幕時，壓力使兩層導電層在接觸點位置有了一個接觸，控制器偵測到這個接觸，立刻進行A/D轉換，測量接觸點的模擬量電壓值，根據(jù)它和5V電壓的比例公式，就能計算出觸摸點的X軸和Y軸的坐標，這就是電阻式觸摸屏的基本原理。

1.2 電容式觸摸屏

電容式觸摸屏由一個模擬感應器和一個雙向智能控制器組成。模擬感應器是一塊4層復合玻璃屏，玻璃屏的內表面和夾層各涂有一層ITO導電涂層，最外層是只有0.001 5 mm厚的矽土玻璃，形成堅實耐用的保護層。夾層ITO涂層作為工作面，其各角上各引出一個電極，內層ITO作為屏蔽層，用以保證良好的工作環(huán)境。

觸摸屏工作時，感應器邊緣的電極產生分布的電壓場，由于人體電場的存在，觸摸屏幕時，手指和觸摸屏的工作面之間就會形成一耦合電容，因為工作面上接有高頻信號，于是手指吸走一個很小的電流，分別從觸摸屏4個角上的電極中流出。從理論上講，流經這四個電極的電流與手指到四角的距離成比例，控制器通過對這4個電流比例的精密計算，從而可以得出觸摸點的位置。

1.3 紅外線式觸摸屏

紅外線式觸摸屏在顯示器的前面安裝一個電路板外框，電路板在屏幕四邊排布紅外發(fā)射管和紅外接收管，一一對應形成橫豎交叉的紅外線矩陣。用戶在觸摸屏幕時，手指就會擋住經過該位置的橫豎兩條紅外線，因而可以判斷出觸摸點在屏幕的位置。任何觸摸物體都可改變觸點上的紅外線，而實現(xiàn)觸摸屏操作。

1.4 表面聲波觸摸屏

表面聲波是一種在介質表面進行淺層傳播的機械能量波，其性能穩(wěn)定，在橫波傳遞中具有非常尖銳的頻率特性。表面聲波觸摸屏的觸摸部分是玻璃平板，安裝的等離子顯示器屏幕在前面，沒有任何貼膜和覆蓋層。玻璃屏的左上角和右下角各固定豎直和水平方向的超聲波發(fā)射換能器，在屏幕表面形成一個縱橫交錯的超聲波柵格，右上角固定兩個相應的超聲波接收換能器。當手指或其他柔性觸摸筆接近屏幕表面時，手指或其他柔性觸摸筆吸收了一部分聲波能量，而控制器則偵測到接收信號在某一時刻上的衰減，由此可計算出觸摸點的位置。

2 基本技術特性

2.1 透明性能

觸摸屏是由多層的復合薄膜構成，透明性能的好壞，直接影響到觸摸屏的視覺效果。衡量觸摸屏透明性能，不僅要從其視覺效果來衡量，還應該包括透明度、色彩失真度、反光性和清晰度等4個特性。

2.2 絕對坐標定位系統(tǒng)

觸摸屏是一種絕對坐標系統(tǒng)，其特點就是當前定位坐標與上一次定位坐標沒有關系，觸摸屏在物理上是一套獨立的坐標定位系統(tǒng)，每次觸摸的數(shù)據(jù)通過校準，直接轉化為屏幕上的坐標。不管在什么情況下，觸摸屏這套坐標體系對同一點的輸出數(shù)據(jù)都是穩(wěn)定的。不過，它并不能保證每一次對同一點觸摸的采樣都相同，即不能保證絕對坐標定位，這就是所謂的漂移問題。

2.3 檢測觸摸并定位

各種形式的觸摸屏，都是依靠各自的傳感器來檢測觸摸并定位的，也有的觸摸屏本身就是一套傳感器。不同的定位原理及不同的傳感器，決定了觸摸屏不同的反應速度、可靠性、穩(wěn)定性和壽命。

3 性能及特點分析

3.1 電阻式觸摸屏

電阻式觸摸屏工作在與外界完全隔離的環(huán)境中，不怕灰塵、水汽和油污，可以用任何物體來觸摸，可以用來寫字畫畫，比較適合工業(yè)控制領域使用。缺點是由于復合薄膜的外層采用塑料材料，太用力或使用銳器觸摸，可能劃傷觸摸屏而導致報廢。

（1）四線電阻觸摸屏。高解析度，高速傳輸反應；表面經硬度處理，防化學處理，具有光面及霧面處理；一次校正，穩(wěn)定性高，永不漂移。適用于有固定用戶的公共場所，如工業(yè)控制現(xiàn)場、辦公室、家庭等。

（2）五線電阻觸摸屏。解析度高，高速傳輸反應；表面硬度高，防化學處理，同點接觸3 000萬次尚可使用；導電玻璃為基材的介質，一次校正，穩(wěn)定性高，永不漂移，有高價位和對環(huán)境要求高的缺點。適用于各類公共場所，尤其適用于要求精密的工業(yè)控制現(xiàn)場等。

3.2 電容式觸摸屏

電容式觸摸屏的分辨率很高，透光率也不錯，可以很好地滿足各方面的要求，在公共場所常見的就是這種觸摸屏。不過，電容式觸摸屏把人體當作電容器的一個電極使用，當有導體靠近并與夾層ITO工作面之間耦合出足夠大的電容時，流走的電流就會引起電容式觸摸屏的誤動作；另外，電容觸摸屏實際上是一套精密的漏電傳感器，戴手套的手不能觸摸，這是因為增加了更為絕緣的介質。

當環(huán)境溫度、濕度或環(huán)境電場發(fā)生改變時，都會引起電容式觸摸屏產生漂移現(xiàn)象，故其穩(wěn)定性較差，造成不準確。怕電磁場干擾、漂移，不易在工業(yè)控制場所和有干擾的地方使用?？墒褂糜谝蟛惶艿墓残畔⒉樵?；需要經常校準、定位。

3.3 紅外線式觸摸屏

紅外線觸摸屏是靠測定紅外線的通斷來確定觸摸位置的，與觸摸屏所選用的透明擋板的材料無關(有一些根本就沒有使用任何擋板)。因此，選用透光性能好的擋板，并加以抗反光處理，可以得到很好的視覺效果。但是，受到紅外線發(fā)射管體積的限制，不可能發(fā)射高密度的紅外線，所以這種觸摸屏的分辨率不高。另外，由于紅外線觸摸屏依靠紅外感應來工作，外界光線變化，如陽光或室內燈等，均會影響其準確度。

紅外線感應觸摸屏分辨率較低，但不受電流、電壓和靜電干擾，適宜某些惡劣的環(huán)境條件；適用于無紅外線和強光干擾的各類公共場所、辦公室以及要求不是非常精密的工業(yè)控制現(xiàn)場。

3.4 表面聲波觸摸屏

表面聲波技術非常穩(wěn)定，而且表面聲波觸摸屏的控制器，靠測量衰減時刻在時間軸上的位置來計算觸摸位置，所以其精度非常高，除了一般觸摸屏都能響應的X和Y坐標外，還響應其獨有的第三軸Z軸坐標，也就是壓力軸響應，它是由接收信號衰減處的衰減量計算得到的。有了這個功能，每個觸摸點就不僅僅是有觸摸和無觸摸的兩個數(shù)字開關狀態(tài)，而是成為能感應力的一個模擬量開關。壓力量越大，接收信號波形上的衰減缺口也就越寬越深，在所有的觸摸屏中，只有表面聲波觸摸屏具有感知觸摸壓力的性能。

表面聲波觸摸屏不受溫度、濕度等環(huán)境因素影響，清晰度較高（分辨率極高），透光率好，高度耐久，抗刮傷性良好，反應靈敏，壽命長，能保持清晰透亮的圖像質量，沒有漂移，只需安裝時一次校正，抗暴力性能好，最適合公共信息查詢及辦公室、機關單位及環(huán)境比較清潔的公共場所使用。

4 技術發(fā)展趨勢

觸摸屏技術方便了人們對計算機的操作使用，是一種極有發(fā)展前途的交互式輸入技術，因而受到各國的普遍重視，并投入大量的人力、物力對其進行研發(fā)，新型觸摸屏不斷涌現(xiàn)。

（1）觸摸筆。利用觸摸筆進行操作的觸摸屏類似白板，除顯示界面、窗口、圖標外，觸摸筆還具有簽名、標記的功能。這種觸摸筆比早期只提供選擇菜單用的光筆功能大大增強。

（2）觸摸板。觸摸板采用了壓感電容式觸摸技術，屏幕面積最大。它由三部分組成：最底層是中心傳感器，用于監(jiān)視觸摸板是否被觸摸，然后對信息進行處理；中間層提供了交互用的圖形、文字等；最外層是觸摸表層，由強度很高的塑料材料構成。當手指點觸外層表面時，在1/1 000 s內就可以將此信息送到傳感器，并進行登錄處理。除與PC兼容外，還具有亮度高、圖像清晰、易于交互等特點，因而被應用于指點式信息查詢系統(tǒng)（如電子公告板），收到了非常好的效果。

5 結束語

觸摸屏技術的發(fā)展趨勢，具有專業(yè)化、多媒體化、立體化和大屏幕化等特點。隨著信息社會的發(fā)展，人們需要獲得各種各樣公共信息，以觸摸屏技術為交互窗口的公共信息傳輸系統(tǒng)，通過采用先進的計算機技術，運用文字、圖像、音樂、解說、動畫、錄像等多種形式，直觀、形象地把各種信息介紹給人們，給人們帶來極大的方便。我們相信，隨著技術的迅速發(fā)展，觸摸屏對于計算機技術的普及利用將發(fā)揮重要的作用。

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