Jste zde

Co jsou PCT dotykové displeje ?

Antonín Vojáček, 25. Září 2009 - 21:59

PCT je relativně nová technologie pro dotykové ovládání displejů a obrazovek, která asi v budoucnu v mnoha případech nahradí dnes tradiční rezistivní dotykové plochy. O tom co je PCT, jak pracují a co umožňují, se dočtete v následujícím článku...

Stále častěji se můžeme u moderních zařízení s dotykovým displejem setkat se zkratkou PCT. Pod ní se skrývá anglický název “Projected-Capacitive Touchscreen”, což lze přeložit jako chráněná kapacitní dotyková obrazovka. V praxi jde o technologii pro dotykové plochy, které sice na první pohled vypadají jako klasické rezistivní, ale při prvním dotyku hned zaujmou svojí tvrdostí a odolností. Zvláště pokud jsou vyrobené ze skla. Tvrdost, otěru a poškrábání vzdornost lze vytvořit jen právě u kapacitních dotykových ploch, kdy není nutné nic stlačovat ba dokonce se ani dotýkat. Krycí vrstva tak může být i odolná proti rýpání nožem, což splňují všechny PCT plochy s tvrdostí větší než hodnoty 5 Mohseo stupnice tvrdosti (běžně až 7).

Dále se PCT vyznačují tím, že je nelze ovládat klasickým plastovými ukazovátky (stylus), ale předmět musí být alespoň částečně vodivý (třeba lidský prst / kůže, kovový stylus / ukazovátko). Problémem pak obvykle není ani ruka v rukavici. PCT tak nemají ambice úplně vytlačit ostatní technologie dotykového ovládání, ale představují velmi dobrou volbu tam, kde prostě chceme elektronická zařízení ovládat přímo rukama.

Princip funkce PCT

Princip kapacitních dotykových tlačítek již byl i na stránkách HW serveru a automatizace.hw.cz několikrát popisován (viz například článek Pravidla pro konstrukci kapacitních dotykových tlačítek mTouch). Prakticky nejde o nic jiného, než že se dotykem či přiblížením prstu, či jiného alespoň částečně vodivého předmětu, mění kapacita virtuálního kondenzátoru. PCT plochy či PCT senzory pak využívají stejného principu, pouze je tvoří početná dvouvrstvá matice miniaturních průhledných vodivých plošek vzájemně propojených do řádků, resp. sloupců. Podobně jako je tomu například u elektrod pasivních LCD displejů, kde se mezi ně umisťují tekuté krystaly.

Kapacitní dotyková plocha (PCT) prakticky měří kapacitu v 3D prostoru, kde osu X a Y reprezentují dvě snímací vrstvy (řádková a sloupcová) a osu Z (přiblížení prstu) hodnota naměřené kapacity. Z těchto údajů pak elektronika vyhodnotí místo dotyku. PCT současně umožňuje detekci "stisku" více míst (viz obrázek vlevo).

Zde však nejsou elektrody obou vrstev nad sebou, ale v podobě snímacích plošek vzájemně posunuty tak, aby se nepřekrývaly, ale zároveň aby na sebe bezprostředně navazovaly. Při čistě jen kolmém pohledu z výšky tak vypadají, jako by byly nalepené těsně vedle sebe. Proč se tedy všechny plošky nevytvoří jen na jedné podložce? Protože by se mezi nimi musely vytvářet dosti velké oddělovací mezery, aby se navzájem neovlivňovaly a tím by se v místech bez jejich přítomnosti jevila plocha více průhledná. Žádný současný materiál pro průhledné elektrody totiž není 100% transparentní, a proto by v praxi byly kontury snímacích elektrod patrné, což by snižovalo kvalitu obrazu displeje pod ním. Takto kompaktně spojené dvě nad sebou umístěné vrstvy elektricky i mechanicky oddělené pak z vnějšího pohledu tváří jako jedna průhledná deska (průhlednost bývá 85 až 95%). Navíc takto lze dosáhnou i většího rozlišení.

Dotykovou plochu vyhodnocuje elektronika, která v pravidelných vzorkovacích intervalech měří změnu kapacity jednotlivých miniaturních snímacích plošek řádkové X a sloupcové Y vrstvy. Výrazná změna kapacity je pak vyhodnocena jako stisk, zatímco pomalá změna obvykle jako znečistění dotykové plochy a tak se eliminuje. Podle pořadí řádkového a sloupcového vodiče, na kterých se změna kapacity detekuje, a které se při čelním pohledu na plochu jako by „protínají“, se určí místo místo dotyku (přiblížení). Čím menší jsou pak jednotlivé snímací plošky, tím větší rozlišení dotyková plocha má. Protože PCT plochy jsou principem své funkce určeny hlavně pro ovládání přímo prsty, výrobce volí velikost plošek v řádu mm, aby se při dotyku změnila kapacita hned několik řádkových i sloupcových plošek a následným průměrováním velikostí změn se určí konkrétní bod na ploše. Navíc toto provedení dotykové kapacitní plochy umožňuje detekovat více současných „stisků“ různých míst, například v případě dvojhmatů či psaní všemi deseti prsty.

Samotné měření kapacity obvykle probíhá na základě sledování změny frekvence oscilací rezonančních obvodů (oscilátorů) připojených na jednotlivé vodiče (řádky / sloupce). Každá elektroda je tak „napájená“ signálovým střídavým napětím z oscilátoru a tím, jak přiblížení vodivého předmětu k některé z elektrod změní její kapacitu, dojde k jeho rozladění. Velikost změny frekvence pak odpovídá i vzdálenosti předmětu od konkrétní plošky a tak vlastně elektronika provozuje 3D snímání, kdy má informaci jak o ose X a Y, tak i vzdálenost v ose Z.

Při dotyku se různě "silně" aktivuje hned několik snímacích elektrod.
Z nich pak elektronika vypočítá správné místo dotyku (střed prstu).

Běžné provedení PCT plochy

Výrobců PCT je na celosvětovém trhu již mnoho a lze se setkat s různě velkými provedeními. Běžné jsou již úhlopříčky cca od 3 až do 22 palců, čímž se postihuje již většina trhu přístrojů s LCD či OLED displeji, pro které je PCT zajímavým a vhodným produktem. Z pohledu instalace a připojení se samozřejmě již vyrábějí jak displeje, které mají PCT již na sobě zabudovány jak mechanicky, tak elektricky, tak i samostatné dotykové plochy, které lze dodatečně k displeji upevnit a například přes USB či I2C komunikační sériové rozhraní při pojit k PC nebo jinému zařízení. Obvykle firmy toto dodávající poskytují i ovladače pro známé operační systémy typu Windows či Linux, aby šlo plochu snadno zprovoznit.

Již zmiňovanou velkou výhodou bývá odolnost dotykové plochy. Dle stupně tvrdosti a s tím souvisejícího i požadavku na hmotnost se nejčastěji využívá jako vrchní krycí a mezi X a Y oddělovací vrstvy buď sklo, PET nebo méně častěji polykarbonát. Sklo (glass) je však asi dnes nejběžnější materiál jak pro horní krycí vrstvu, tak i jako izolační a nosná podložka pro X a Y vrstvu. Na ni jsou pak napařeny snímací plošky (elektrody) a propojovací vodiče, obvykle z dnes asi stále výrobně nejdostupnějšího a nejvyužívanějšího materiálu ITO (Indium Tin Oxid). Ten se sice nevyznačuje úplnou průhledností, ale běžně udávaná transparentnost PCT plochy okolo 90% není velký zásah do jasu displeje a navíc je to lepší hodnota než 80% u rezistivních panelů. Nevýhodou skla je sice jeho větší hmotnost, ale zase proti PET či jiným vhodným plastům je výrazně nejtvrdší (až hodnota 7 Mohsovy stupnice tvrdosti). Odolává tak i nožům a většině běžných materiálům, což je ideální v případě HMI rozhraní různých veřejných počítačů a informačních kiosků.

Obvyklé parametry a vlastnosti PCT dotykových ploch:

Rozměry (úhlopříčka): 3 až 22“
Napájení: 3.3 nebo 5 VDC
Přesnost určení pozice: menší než 1.5 %
Průhlednost: 85 až 95% (provedení s kvalitním sklem i přes 95%)
Provozní teplota: obvykle -15 až 80°C
Krycí materiál: temperované sklo nebo PET
Tvrdost: 5 až 7 Mohsovy stupnice (dle použitého materiálu)
Aktivace: el. vodivý předmět (prst, ruka v rukavici, ukazovátko z kovu či vodivé gumy apod.)
Aktivační / dotyková síla: menší než 10 g

Porovnání struktury rezistivní dotykové plochy (vlevo) a kapacitní PCT plochy (vpravo)

Závěr

Kapacitním dotykovým plochám a displejům určitě patří budoucnost a jistě v mnoha zařízeních a přístrojích nahradí doposud masivně využívané rezistivní dotykové panely. U nich je totiž nutné často vyvíjet značnou sílu a ovládání přímo rukou tak není jen nepohodlné, ale při soustavnější práci také nezdravé pro prsty a jejich nehty. I když v případě dlouhých nehtů u žen a slečen může být ovládání kapacitního dotykového displeje složitější, protože zde se reaguje na přiblížení až vodivé kůže a elektricky skoro nevodivý nehet detekován není.

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz

DOWNLOAD & Odkazy

Domovská stránka firmy GTOUCH - www.gtouch.com.tw
Domovská stránka společnosti Densitron Displays - www.densitron.com
Yi Hang Wang: "Practical considerations for capacitive touchscreen system
design", Cypress Semiconductor, www.Embedded.com
Steve Kolokowsky a Trevor Davis: "Touchscreens 101: Understanding touchscreen technology and design", Cypress Semiconductor Corp.
Článek "Pravidla pro konstrukci kapacitních dotykových tlačítek mTouch "
Další články najdete na stránkách automatizace.HW.cz