機(jī)載顯示系統(tǒng)中觸摸屏的設(shè)計(jì)與研究

趙小珍

（長(zhǎng)沙湘計(jì)海盾科技有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410000）

觸摸屏作為最新的輸入設(shè)備，是目前最簡(jiǎn)單、方便、自然而舒適的輸入裝置，具有反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、堅(jiān)固耐用、易于交流等諸多優(yōu)點(diǎn)。觸摸屏由于存在這些優(yōu)點(diǎn)，引起各國(guó)普遍重視，并投入大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行研發(fā)，因此不斷出現(xiàn)了新型觸摸屏。觸摸屏呈現(xiàn)專業(yè)化、立體化、大屏幕化、高度集成化、高可靠性等趨勢(shì)發(fā)展。作為最新的人機(jī)交互方式，觸摸屏已經(jīng)滲透到人們生活的方方面面，并且已經(jīng)應(yīng)用到機(jī)載顯示系統(tǒng)中。在許多機(jī)載座艙顯示系統(tǒng)中，比如，控制顯示單元（CDU）是重要的信息輸入設(shè)備[1]。為了提高這些設(shè)備的可用性和靈活性，可以增加多點(diǎn)觸摸屏。這樣做的優(yōu)點(diǎn)有：1）在相同的顯示區(qū)域，輸入接口可重新配置，并且降低研發(fā)費(fèi)用；2）結(jié)合多點(diǎn)觸摸，可以進(jìn)行高級(jí)繪圖接口設(shè)計(jì)，提高人機(jī)交互效率。這樣，繪圖軟件的應(yīng)用也將越來(lái)越多。

觸摸屏的種類(lèi)比較多，按照工作原理的不同，觸摸屏可以分為表面聲波觸摸屏、電阻觸摸屏、電容觸摸屏和紅外觸摸屏4 種[2]。表面聲波觸摸屏和紅外觸摸屏由框架或透明玻璃構(gòu)成，光透過(guò)率高、清晰且不容易被損壞，但占用顯示屏上的空間，使得外觀不美觀。表面聲波觸摸屏的表面如果有水滴、塵土，則會(huì)變得遲鈍。紅外觸摸屏受外界光的影響，抗干擾能力較差。電阻觸摸屏和電容觸摸屏由多層復(fù)合的薄膜構(gòu)成，不占用顯示屏的空間，但是光透過(guò)率低。由此可見(jiàn)，目前市場(chǎng)存在諸多類(lèi)型的觸摸屏，但這些觸摸屏具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)[3]。針對(duì)這些優(yōu)缺點(diǎn)，文中主要對(duì)3 種類(lèi)別的觸摸屏，即電阻觸摸屏、紅外觸摸屏、電容觸摸屏，提出改進(jìn)、改良設(shè)計(jì)措施或方法，最終能夠滿足機(jī)載顯示環(huán)境要求。

1 觸摸屏原理及分析

觸摸屏的基本原理都是用手指或其他物體觸摸安裝在顯示終端的觸摸屏?xí)r，所觸摸的位置（以坐標(biāo)形式）由觸摸屏控制器檢測(cè)，并通過(guò)接口輸出，從而確定輸入信息。

觸摸屏系統(tǒng)一般包括觸摸屏控制器（驅(qū)動(dòng)卡）和觸摸檢測(cè)裝置兩個(gè)部分。其中，觸控屏控制器（驅(qū)動(dòng)卡）的主要作用是從觸摸點(diǎn)檢測(cè)裝置上接收觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)，再送給CPU，它同時(shí)能接收CPU 發(fā)來(lái)的命令并加以執(zhí)行。觸摸檢測(cè)裝置一般安裝在顯示器的前端，主要作用是檢測(cè)用戶的觸摸位置，并傳送給觸控屏控制板[4]。

1.1 電阻觸摸屏

電阻觸摸屏是現(xiàn)今市場(chǎng)上最為常見(jiàn)的一種觸摸屏，它是由多層復(fù)合薄膜組成的。電阻觸摸屏基本構(gòu)成包括導(dǎo)電基板玻璃（ITO Glass）、導(dǎo)電聚酯膜（ITO Film）、透明隔離物、粘接膠（Adhesive）等。導(dǎo)電基板玻璃與導(dǎo)電聚酯膜之間為透明絕緣顆粒，用于將兩者的導(dǎo)電面隔離。

電阻觸摸屏的工作原理：當(dāng)電阻觸摸屏的屏幕被觸摸時(shí)，觸摸點(diǎn)處的聚酯膜發(fā)生形變，上部導(dǎo)電層與玻璃基板的導(dǎo)電層接觸，此處產(chǎn)生的電壓為位置的模擬值，控制器將這些模擬量數(shù)字化并計(jì)算出該點(diǎn)坐標(biāo)值，再送至CPU 處理[4]。電阻觸摸屏工作原理如圖1 所示。

圖1 電阻觸摸屏工作原理

1.2 紅外觸摸屏

紅外觸摸屏的基本原理是借助紅外發(fā)射管、接收管之間的紅外光線束在屏表面形成縱橫交錯(cuò)的光線網(wǎng)和穩(wěn)定的光電探測(cè)信號(hào)，當(dāng)觸摸物（如手指等）接近屏面時(shí)，部分特定光線束被遮擋使光電信號(hào)發(fā)生依賴于觸摸位置的變化，從而由改變后的信號(hào)分布和特定的算法計(jì)算出遮擋物位置[5]。

紅外觸摸屏由紅外發(fā)送LED、紅外接收LED 組成，如圖2 所示。

圖2 紅外觸摸屏燈板構(gòu)成示意圖

紅外觸摸屏是在緊貼屏幕前密布X、Y方向上的紅外線矩陣（如圖3 所示），通過(guò)不停地掃描是否有紅外線被物體阻擋檢測(cè)并定位用戶的觸摸信息[6]。

圖3 紅外線矩陣示意圖

紅外觸摸屏的光透過(guò)率高，工作信號(hào)較穩(wěn)定，能夠抵抗電流、電壓和靜電等的干擾，而且安裝簡(jiǎn)單，成本低。但不足之處是，觸摸屏暴露在太陽(yáng)光下，會(huì)受到太陽(yáng)光的干擾[7]。

1.3 電容觸摸屏

電容式觸摸屏經(jīng)歷了由早期的“外表面”電容式觸摸屏，再到中期應(yīng)用廣泛的“內(nèi)表面”電容式觸摸屏，發(fā)展至今熱議的投射電容觸摸屏。

電容觸摸屏是現(xiàn)在最受關(guān)注的一種觸摸屏。它是在玻璃表面鍍上一層或多層透明的特殊金屬導(dǎo)電物質(zhì)，形成X軸、Y軸電極矩陣。當(dāng)手指觸摸到金屬層上時(shí)，手指與金屬層形成的耦合電容引起電流微弱變化，通過(guò)掃描X軸、Y軸電極矩陣，檢測(cè)觸摸點(diǎn)電容量的變化，計(jì)算出手指所在位置，從而確定觸摸位置。由于電容隨溫度、濕度、磁場(chǎng)變化大，故其穩(wěn)定性較差，往往會(huì)產(chǎn)生漂移，一般不適宜在強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境下使用[8]。常規(guī)電容觸摸屏結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 常規(guī)電容觸摸屏結(jié)構(gòu)圖

了解到各種類(lèi)型觸摸屏的工作原理，為了滿足軍用特殊環(huán)境的應(yīng)用要求，針對(duì)不同類(lèi)型的觸摸屏，必須對(duì)觸摸屏進(jìn)行改造、改良或改進(jìn)設(shè)計(jì)，才能滿足使用要求。

2 電阻觸摸屏改進(jìn)

2.1 問(wèn)題分析

從前文對(duì)電阻觸摸屏的原理分析可知，常規(guī)電阻觸摸屏在特殊環(huán)境下存在觸摸屏表面霧度大、鏡面反射大、電磁兼容效果差、線性度差、表面抗刮性能弱等問(wèn)題，極大地影響了電阻觸摸屏在機(jī)載顯示系統(tǒng)中應(yīng)用。

2.2 電阻觸摸屏的改進(jìn)方法

為了提高電阻觸摸屏的使用性能及可靠性，滿足軍用環(huán)境的要求，針對(duì)上述問(wèn)題，為了降低反射率，在電阻觸摸屏表面增加一層減反鍍膜玻璃，并且在減反玻璃與聚酯膜之間帖覆一層偏振片，從而減小鏡面反射率和霧度。為了提高屏蔽效能，在玻璃下表面鍍涂一層低阻值的ITO，進(jìn)而提高電磁屏蔽效能。為了提高表面抗刮性能、硬度及抗霉菌鹽霧能力，在聚酯薄膜表面粘接一層減反玻璃，這使得其結(jié)構(gòu)組成更為復(fù)雜。功能較齊全的改良電阻觸摸屏組成如圖5 所示。

圖5 改良電阻觸摸屏組成圖

2.3 改進(jìn)效果測(cè)試

對(duì)改造、改進(jìn)后的電阻觸摸屏進(jìn)行測(cè)試，其主要技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 電阻觸摸屏改進(jìn)前后技術(shù)參數(shù)對(duì)比表（以10.4寸為例）

另外，將該電阻觸摸屏安裝在整機(jī)產(chǎn)品上，進(jìn)行了EMC 測(cè)試和高溫70 ℃的觸摸力度測(cè)試。其中測(cè)試點(diǎn)分布如圖9 所示，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2、表3 所示。

表3 紅外觸摸屏改進(jìn)前后技術(shù)參數(shù)對(duì)比表（以21.5寸為例）

圖9 產(chǎn)品測(cè)試示意圖

表2 EMC測(cè)試數(shù)據(jù)

由表3 的數(shù)據(jù)分析可知，在常溫、高低溫情況下，觸摸屏的觸摸力度略有不同，但是觸摸屏的操作力度均在規(guī)定范圍內(nèi)，可以滿足機(jī)載顯示系統(tǒng)的要求。

改良后的電阻觸摸屏解決了觸摸屏表面霧度大、鏡面反射大、電磁兼容效果差、線性度差、表面抗刮性能弱等問(wèn)題，目前已經(jīng)應(yīng)用到某型號(hào)戰(zhàn)機(jī)上，飛行員反映，該類(lèi)型的電阻觸摸屏功能基本正常，圖像顯示清晰、操作精確，可以與傳統(tǒng)的按鍵導(dǎo)光板相媲美。

3 紅外觸摸屏改進(jìn)

3.1 問(wèn)題分析

紅外觸摸屏應(yīng)用在機(jī)載顯示系統(tǒng)中，不存在電磁屏蔽、減反等問(wèn)題，但存在夜視兼容問(wèn)題。衡量一個(gè)發(fā)光體是否滿足夜視兼容性的兩個(gè)主要指標(biāo)是NVIS 的輻亮度（NR）和色度，其標(biāo)準(zhǔn)可參照GJB 1394-92《與夜視成像系統(tǒng)兼容的飛機(jī)內(nèi)部照明》[9]。

3.2 紅外觸摸屏的改進(jìn)方法

針對(duì)紅外觸摸屏存在夜視兼容的問(wèn)題，目前至少有兩種方法可以解決。方法一：通過(guò)加裝濾色片、紅外觸摸掃描核心算法和降低微光夜視環(huán)境下發(fā)射燈的驅(qū)動(dòng)電流，可以實(shí)現(xiàn)夜視兼容要求。方法二：開(kāi)發(fā)長(zhǎng)波長(zhǎng)的發(fā)射管和接收管（如1 300 nm 以上），并設(shè)計(jì)與之相對(duì)應(yīng)的控制電路、采集電路、邏輯運(yùn)算電路等，從根本上解決紅外觸摸屏的夜視兼容問(wèn)題。但方法二需要一定的時(shí)間和可靠性驗(yàn)證，不能立即投入工程化應(yīng)用。

目前，文中采用方法一進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的紅外觸摸屏燈板示意圖如圖6 所示，實(shí)物對(duì)比圖如圖7所示。

圖6 改進(jìn)后紅外觸摸屏燈板示意圖

圖7 改進(jìn)前后紅外觸摸屏實(shí)物對(duì)比

3.3 改進(jìn)效果測(cè)試

下面對(duì)改造、改進(jìn)后的紅外觸摸屏進(jìn)行測(cè)試，其主要技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)如表3 所示。

將改進(jìn)后的紅外觸摸屏安裝在整機(jī)產(chǎn)品中，白場(chǎng)測(cè)量的輻射亮度為2.09×10-9W/cm2·sr；其他顏色（紅場(chǎng)）測(cè)量的輻射亮度為6.72×10-9W/cm2·sr，滿足GJB1394-92 規(guī)定輻亮度要求。此外，在常溫、高低溫情況下，觸摸屏各項(xiàng)性能均能滿足規(guī)定要求，能夠滿足機(jī)載顯示系統(tǒng)的使用要求。

改良后的紅外觸摸屏通過(guò)加裝濾色片、紅外觸摸掃描核心算法和降低微光夜視環(huán)境下發(fā)射燈的驅(qū)動(dòng)電流，在夜航飛行時(shí)，解決了夜視兼容問(wèn)題，目前已裝備在某型號(hào)殲擊機(jī)上。通過(guò)飛行員試飛，可以完成正常模式的操作，尤其在夜航飛行時(shí)，基本滿足夜視兼容要求。

4 電容觸摸屏改進(jìn)

4.1 問(wèn)題分析

電容觸摸屏存在電磁屏蔽、減反、可靠性差等問(wèn)題。對(duì)于減反問(wèn)題，同電阻觸摸屏，通過(guò)鍍ITO 膜就可以解決[10]。電磁屏蔽可以利用ITO膜解決，但是，會(huì)使得反射增大，如何降低反射是目前亟待解決的技術(shù)問(wèn)題[11]。另外，在電磁環(huán)境中，電容觸摸屏如何可靠地工作，也是必須關(guān)注的焦點(diǎn)。除了以上主要問(wèn)題外，在應(yīng)用電容觸摸屏?xí)r，還需要關(guān)注以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：1）如何解決環(huán)境光照射情況下，指紋殘留增加的反射問(wèn)題。2）在動(dòng)態(tài)環(huán)境下（強(qiáng)烈振動(dòng)和加速情況）觸摸屏的操作精度問(wèn)題。3）觸摸屏人機(jī)工效設(shè)計(jì)問(wèn)題[12-13]。

另外，在設(shè)計(jì)電容觸摸屏?xí)r，還需要注意：1）設(shè)備機(jī)殼采用金屬框設(shè)計(jì)，保持人體與大地相連通，有放電回路。2）電容觸摸屏內(nèi)部增加裸露GND 金屬面積，利于釋放多余電荷[14]。

4.2 電容觸摸屏的改進(jìn)方法

針對(duì)電容觸摸屏存在電磁屏蔽、減反和可靠性的問(wèn)題，通過(guò)在電容觸摸屏前端鍍ITO 膜解決反射問(wèn)題，在觸摸屏后端鍍ITO 膜解決電磁屏蔽問(wèn)題。

改造后的電容觸摸屏結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 改造后的電容觸摸屏結(jié)構(gòu)

4.3 改進(jìn)效果測(cè)試

下面對(duì)改造、改進(jìn)后的電容觸摸屏進(jìn)行測(cè)試，其主要技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 電容觸摸屏改進(jìn)前后技術(shù)參數(shù)對(duì)比表（以21.5寸為例）

針對(duì)電容觸摸屏的設(shè)計(jì)和研究，后續(xù)將此改進(jìn)后的電容觸摸屏安裝在整機(jī)產(chǎn)品中，在常溫、高低溫情況下，測(cè)試觸摸屏各項(xiàng)性能均能滿足主機(jī)要求，最終達(dá)到整機(jī)裝備的要求[14]。

改良后的電容觸摸屏解決了電磁屏蔽、反射大的問(wèn)題。針對(duì)可靠性問(wèn)題，目前還未裝備到機(jī)載顯示設(shè)備中，只是做了相關(guān)測(cè)試和電磁環(huán)境試驗(yàn)。其中，光學(xué)參數(shù)中，反射指標(biāo)可以滿足機(jī)載環(huán)境的要求，電磁兼容已完成了空軍標(biāo)準(zhǔn)的RS103、RE102、CS112、CS114、CS115、CS116 試驗(yàn)，后續(xù)還要完成國(guó)軍標(biāo)要求的其他項(xiàng)目以及±15 kV 靜電放電試驗(yàn)，甚至更嚴(yán)苛軍種的電磁兼容試驗(yàn)[16]。這樣，完全通過(guò)試驗(yàn)后才能應(yīng)用到機(jī)載顯示系統(tǒng)中。

5 結(jié)論

綜上所述，改良后的電阻觸摸屏已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，觸摸屏功能基本正常，圖像顯示清晰，操作精確；紅外觸摸屏可以正常操作，尤其在夜航飛行時(shí)，基本滿足夜視兼容要求；對(duì)于電容觸摸屏，光學(xué)參數(shù)、反射指標(biāo)可以滿足機(jī)載環(huán)境的要求。針對(duì)電容觸摸屏設(shè)計(jì)和研究，后續(xù)會(huì)將改進(jìn)后的電容觸摸屏安裝在整機(jī)產(chǎn)品中，考核其可靠性，使其滿足整機(jī)系統(tǒng)要求。

隨著觸摸技術(shù)的演進(jìn)，觸摸屏的應(yīng)用已經(jīng)愈來(lái)愈廣泛和多元化，從手持裝置到家電產(chǎn)品，甚至應(yīng)用到座艙顯示，觸摸技術(shù)幾乎無(wú)所不在，觸摸屏具有反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、堅(jiān)固耐用、易于交互的特點(diǎn)，必然會(huì)將人機(jī)交互推向一個(gè)新的時(shí)代。此外，可以預(yù)見(jiàn)，觸摸屏今后也必然會(huì)大規(guī)模應(yīng)用在機(jī)載顯示系統(tǒng)、手持顯示設(shè)備以及便攜顯示產(chǎn)品中。