Como implementar rapidamente telas sensíveis ao toque confiáveis

A tela sensível ao toque é cada vez mais preferida em relação ao teclado e ao mouse como interface homem-máquina (IHM) para programar, configurar e controlar sistemas de consumo, empresariais e industriais. As telas sensíveis ao toque são intuitivas, rápidas e têm uma única interface integrada que substitui uma combinação de dispositivos de entrada. Elas também oferecem maior conveniência para pessoas com dificuldades físicas e podem ser bastante compactas.

A grande variedade de aplicações para telas sensíveis ao toque significa que elas devem ser robustas, operáveis por um dedo nu ou com luvas e econômicas. As telas sensíveis ao toque resistivas atendem a esses requisitos, mas os projetistas precisam ser capazes de chegar rapidamente ao mercado com soluções prontas para uso que incluam uma tela sensível ao toque combinada com um controlador apropriado. Também precisam entender as diferenças entre as interfaces de telas sensíveis ao toque resistivas de 4 e 5 fios.

Este artigo descreve brevemente as telas sensíveis ao toque resistivas. Em seguida, ele apresenta exemplos de telas sensíveis ao toque e controladores da NKK Switches e mostra como projetar com eles.

Como funcionam as telas sensíveis ao toque resistivas

As telas sensíveis ao toque resistivas são painéis autônomos que se sobrepõem a uma tela plana. Em conjunto com um controlador, uma tela sensível ao toque permite que os usuários interajam com os símbolos exibidos tocando em áreas específicas. Uma tela sensível ao toque pode detectar a posição precisa do toque de um dedo ou de uma caneta stylus. Em seguida, o software da aplicação determina quais ações adicionais da tela devem ocorrer com base nessa posição.

As telas sensíveis ao toque resistivas são adequadas para várias aplicações de consumo, varejo, empresariais, industriais e médicas, pois são baratas, robustas e podem ser operadas com um dedo, uma luva ou uma caneta. A tecnologia usa um filme plástico deformável que é revestido em seu verso com uma camada condutora, como o óxido de índio e estanho (ITO). A parte traseira da tela sensível ao toque é formada por um painel de vidro ou acrílico, que inclui uma camada de ITO em sua face frontal.

Os pontos espaçadores não condutores separam o filme plástico do painel de suporte de vidro ou acrílico. Quando o filme plástico é pressionado com um dedo ou caneta stylus com uma força de um, ou dois newtons (N), o filme entra em contato com o painel de suporte, fechando efetivamente uma chave na área de pressão local. A placa controladora, com um conector afixado de quatro ou cinco fios, pode determinar o local da chave fechada e o software responde de acordo (Figura 1).

Figura 1: As telas sensíveis ao toque resistivas funcionam usando um toque para pressionar duas superfícies condutoras. (Fonte da imagem: NKK Switches)

As telas sensíveis ao toque resistivas são populares quando o custo, a robustez e a operação com uma luva ou uma caneta não condutora são essenciais. Normalmente, elas são capazes de realizar milhões ou até dezenas de milhões de operações sem falhas. As telas sensíveis ao toque resistivas também podem ser fabricadas com proteção contra respingos de água e produtos químicos.

A diferença entre as configurações de tela sensível ao toque de 4 e 5 fios

Uma tela sensível ao toque de 4 fios emprega dois eletrodos na placa inferior e dois na placa superior. Na placa inferior, os eletrodos correm ao longo do eixo Y, permitindo que a resistência seja medida ao longo do eixo X. Da mesma forma, a placa superior tem eletrodos de borda que correm ao longo do eixo X, permitindo que a resistência seja medida ao longo do eixo Y (Figura 2).

Figura 2: As telas sensíveis ao toque resistivas de 4 fios usam dois eletrodos de borda na placa inferior e dois na placa superior. Os pares são perpendiculares entre si e permitem a determinação da posição XY de um toque. (Fonte da imagem: NKK Switches)

No ponto de contato do dedo, a camada inferior divide efetivamente a camada superior em dois resistores em série. A camada inferior é dividida de forma semelhante no ponto de contato com a camada superior. Com a polarização adequada, cada placa pode funcionar como um divisor em que a tensão de saída representa as coordenadas do ponto de contato.

Em um sistema de 5 fios, a placa superior tem quatro eletrodos de borda e funciona como o nó de detecção de tensão. Os quatro cantos da placa inferior formam eletrodos que produzem gradientes de tensão nas direções X e Y. Diferentes configurações de polarização são usadas para obter as medições nas direções X e Y (Figura 3).

Figura 3: As telas sensíveis ao toque resistivas de 5 fios usam quatro eletrodos de canto na placa inferior para produzir gradientes de tensão nas direções X e Y e dois pares de eletrodos de borda na placa superior para detectar a tensão. (Fonte da imagem: NKK Switches)

Na construção de 5 fios, somente a placa inferior está ativa. Isso significa que a placa superior pode sofrer danos, mas a tela sensível ao toque ainda pode funcionar. Por outro lado, ambas as placas da tela sensível ao toque de 4 fios estão ativas; danos à placa superior podem causar falha na tela sensível ao toque. A tela sensível ao toque de 5 fios tende a ser mais durável, mas a desvantagem é o aumento da complexidade e dos custos do projeto.

Soluções comerciais de telas sensíveis ao toque resistivas

Para minimizar a complexidade e acelerar o tempo de lançamento no mercado, a NKK tem soluções comerciais comprovadas tanto para a tela sensível ao toque quanto para o controlador correspondente. O projetista ainda tem a opção de adquirir uma tela sensível ao toque da NKK e combiná-la com um controlador de outro fornecedor ou com um controlador próprio.

A série FT da NKK é um excelente exemplo de telas sensíveis ao toque resistivas. Disponível em uma variedade de tamanhos de tela que variam de 5,7 a 15,6 polegadas (in) (diagonal), a série é oferecida em configurações de 4 e 5 fios com uma força de ativação de toque de 1,4 N (Tabela 1). Ambas as versões apresentam uma cabo de circuito flexível que se conecta a uma placa controladora.

Tabela 1: Uma comparação entre telas sensíveis ao toque resistivas de 4 e 5 fios mostra que a versão de 5 fios oferece maior duração operacional, medida em operações de toque. (Fonte da imagem: NKK Switches)

O FTAS00-5.7AS-4A é um modelo de 4 fios e 5,7 polegadas que consome 1 miliampere (mA) a 5 volts CC (VCC), tem um valor resistivo XY de 250 a 850 ohms (Ω), uma linearidade de 1,5% e uma impedância de isolação de 10 megaohms (MΩ). A vida útil operacional esperada da tela sensível ao toque é de 50.000 operações de escrita ou um milhão de operações de toque.

O FTAS00-10.4A-5 é um modelo de 5 fios e 10,4 polegadas que consome 1 mA a 5,5 VCC, tem um valor resistivo XY de 20 a 80 Ω, uma linearidade de 2% e uma impedância de isolação mínima de 10 MΩ. A vida útil operacional é de 50.000 operações de escrita ou 10 milhões de operações de toque.

Para os produtos de tela sensível ao toque de 4 e 5 fios, a NKK oferece um controlador com interface RS232C ou USB. As placas controladoras são fornecidas com software de driver do dispositivo compatível com o Windows 7, 8 e 10. A FTCS04C e a FTCU04B são as placas controladoras de interface RS232C e USB para as telas sensíveis ao toque de 4 fios da NKK, respectivamente, enquanto a FTCS05B e a FTCU05B são as equivalentes para as telas sensíveis ao toque de 5 fios.

Primeiros passos com uma tela sensível ao toque resistiva

O processo de projeto é semelhante para as telas sensíveis ao toque de 4 e 5 fios. No centro da placa controladora RS232C e USB de 4 fios está o chip controlador FTCSU548. Esse CI LFQFP de 48 pinos tem uma interface serial assíncrona e uma interface USB 2.0 de velocidade máxima. Apresenta alimentação por uma fonte de 3,3 a 5 volts para operação RS232C ou uma fonte de 5 volts para USB, com uma corrente de saída nominal de 170 mA, uma frequência operacional de 16 megahertz (MHz) e uma resolução do conversor analógico-digital (ADC) de 10 bits. O chip tem uma função de calibração incorporada.

Quando a tela sensível ao toque é pressionada, o CI controlador determina as coordenadas usando o valor da tensão analógica detectada pelo ADC e as encaminha para o computador host por meio da interface RS232C ou USB (Figura 4).

Figura 4: O CI controlador FTCSU548 (IC1) é montado na placa controladora FTCU04B (USB de 4 fios). O CN1 (à esquerda) é o conector do cabo de circuito flexível de 4 fios da tela sensível ao toque. (Fonte da imagem: NKK Switches)

O cabo do circuito flexível de 4 fios da tela sensível ao toque é conectado à placa controladora por meio do CN1. A placa controladora se conecta ao PC host por meio do CN4. A interface USB CN4 também fornece energia para a placa. O host executa o driver do dispositivo e o software da aplicação da tela sensível ao toque (Figura 5).

Figura 5: É mostrada uma configuração típica da placa controladora USB de 4 fios e do PC host. (Fonte da imagem: NKK Switches)

Dicas de projeto

A tela sensível ao toque resistiva requer calibração na instalação. O CI controlador FTCSU548 inclui uma função de calibração incorporada. O CI controlador deve ser definido primeiro para o "modo de dados de origem" para calibrar. Em seguida, o PC indica um ponto de referência (P1) na tela sensível ao toque que o operador pressiona com uma caneta stylus, e as informações de tensão do ADC são enviadas ao PC por meio da placa controladora. O processo é repetido com um segundo ponto (P2) em uma área distante da tela sensível ao toque. As coordenadas físicas de P1 e P2 são enviadas ao PC como um número de oito bytes. A tela sensível ao toque é definida então no "modo de dados de calibração", e o software da aplicação usa a leitura de tensão e coordenadas para os dois pontos conhecidos, além de uma referência "0,0" incorporada, para interpolar todas as outras coordenadas na área do modo de dados de calibração (Figura 6).

Figura 6: A calibração é necessária durante a configuração inicial e periodicamente depois disso, pois a resistência muda à medida que a tela sensível ao toque envelhece. (Fonte da imagem: NKK Switches)

A resistência da tela muda à medida que ela envelhece, portanto, a recalibração é necessária durante toda a sua vida operacional.

É essencial incluir o aterramento da moldura do dispositivo de display para evitar interferência eletromagnética (EMI). Também é possível que a resistência de contato inicial de um dedo possa causar "trepidação". Para evitar trepidações, pode-se incorporar um atraso para permitir que a tensão se estabilize antes que o sistema calcule as coordenadas.

Os projetistas também devem ter cuidado para não incluir software que instrua os usuários a tocar duas áreas da tela simultaneamente. A tecnologia não consegue resolver dois toques separados e usa como padrão um ponto central entre eles. Por fim, as quebras aparecerão acima do espaçador de tela quando uma linha for desenhada em uma tela usando uma caneta stylus, separando as duas camadas. Os projetistas devem garantir que o software da aplicação preencha essas lacunas.

Conclusão

As telas sensíveis ao toque resistivas são IHMs adequadas para aplicações em que são essenciais o custo, a robustez e a operação com uma mão nua ou enluvada, ou com uma caneta stylus não condutora. Para simplificar a implementação, as soluções comerciais da NKK incluem o painel tátil da tela, placas controladoras com um CI controlador dedicado e software de driver do dispositivo.