Сенсорные датчики

Если вы подумали, что речь пойдёт о сущностях, упомянутых в эпиграфе, - увы. Просто, написав заголовок, автор поинтересовался в "Яндексе", не слишком ли часто эти слова использовались в русскоязычных статьях. Оказалось, что использовались, но вовсе не в отношении координатных сенсорных датчиков, о которых и пойдёт речь ниже.

Тема этой статьи родилась довольно курьёзно. В редакцию пришел пресс-релиз, описывающий очередной сенсорный ЖК-дисплей (подобный самсунговскому, недавно представленному Володей Гуриевым довольно подробно). В тексте упоминалась некая "5-проводная технология тактильного сенсора", что по-русски звучит весьма коряво. Я запросил у представителя компании англоязычный вариант релиза и получил в ответ просьбу объяснить, как перевести это корректнее. Разумеется, русский перевод оказался полным "подстрочником", и "тактильный сенсор" я без сомнений переименовал в "координатный сенсорный датчик" или просто в "тачпад/тачскрин" (в зависимости от наличия дисплея). А вот с "5-проводным" оказалось сложнее. Английский вариант, увы, давно устоялся именно в таком виде (5-wire), что отражает суть устройства не совсем удачно - с тем же успехом четырехцилиндровый двигатель можно назвать четырехшатунным. Начав писать ответ, я так увлёкся, что получилась целая статья, которую и предлагаю вашему вниманию. И, пользуясь тем, что русскоязычных публикаций о технологиях резистивных сенсорных датчиков практически нет, заодно предлагаю, пока не поздно, отказаться от самого употребительного варианта перевода слова wire, заменив в данном контексте хотя бы "провод" на "вывод" (еще более корректный "электрод" корректен, увы, не всегда, но не буду больше забегать вперед).

До некоторого времени я и сам считал, что тачскрины и тачпады построены на основе матрицы перекрещивающихся проводников, подобно плёночной клавиатуре. Однако появление сенсорных экранов с размерами 17 и более дюймов с высоким разрешением заставило в этом усомниться - сколько же нужно сделать выводов от матрицы и сколько входов должен иметь в таком случае считывающий информацию контроллер! Контактные выводы в наше время обходятся в массовом производстве сильно дороже, чем кремниевые чипы. Несмотря на то что существуют и "матричные" системы (о них чуть позже), основной рынок всё же не за ними. На самом деле всё гениальное - просто. И не нужно лезть в цифру, когда с головой хватает аналоговых решений. Итак, самая простая, но до сих пор чаще всего применяемая технология координатных сенсорных датчиков носит название резистивной матрицы.

Для разных типов резистивных матриц сегодня выпускается достаточное количество специализированных контроллеров (даже тип разъёма и порядок разводки сигналов самой матрицы вполне устоялся, хоть и не принят как стандарт). Коммутация шин производится ключами на полевых транзисторах. Преобразованием и оцифровкой сигналов занимается 4–6-канальный АЦП (обычно интегрирующий, на основе таймера, порядка 12 бит разрешения, с быстродействием около 100 тысяч отсчетов в секунду); "лишние" каналы заняты измерением опорного напряжения и температуры, сильно влияющих на точность. Кроме того, контроллер содержит и один из вариантов последовательного интерфейса (больших скоростей передачи здесь не требуется, так что начиналось все с RS-232, а в последнее время применяется SPI или USB). Для примера привожу структурную схему контроллера AD7873 от Analog Devices.

На две поверхности (нижняя обычно стеклянная, а верхняя плёночная) напылён 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 (плёночной, 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 её 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 ещё и практические - отклонения толщины напылённого 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 её 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 определённым 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, подключённый 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 своём 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 плёнок 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 размещённых с некоторым шагом шин, на которые подается импульсный сигнал от контроллера (со сдвигом по времени для каждой шины), и "расчёску" 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 ёмкостных 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 ёмкостные датчики достигают размеров 21-дюймового дисплея.

В известных продуктах компании Wacom применяется индуктивная технология, отчасти похожая на предыдущую (быстродействие, однако, повыше - нет перезарядки ёмкостей 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 ёмкостей, подключаемых кнопками).

 Ультразвуковые тачскрины (в англоязычных документах чаще используется аббревиатура SAW - Surface Accoustic Waves, поверхностные акустические волны) тоже сделаны весьма непросто. Пьезоэлектрический излучатель посылает импульс вдоль кромки стеклянной пластины, где нанесена штриховая насечка под углом 45 градусов, при этом каждый штрих отражает часть энергии волны к противоположной стороне. На противоположной имеется такая же насечка с обратным наклоном, отражающая волну опять же вдоль кромки к приемнику. Единственный импульс излучателя порождает пакет сдвинутых во времени импульсов на приёмнике (длина пути прохождения волны для каждой пары штрихов своя). Ровно так же сделано и для второй координаты на той же самой стеклянной пластине. Прикосновение к такому сенсору гасит волны между отдельными парами горизонтальных и вертикальных штрихов, что и обнаруживается контроллером. В данном случае нетрудно обеспечить хорошую прозрачность датчика, так как используется единственная стеклянная пластина без металлизации, но вот уменьшить его толщину, увы, сложно - ультразвуковые волны быстро затухнут. Толстое же стекло поверх дисплея зачастую воспринимается даже хуже, чем просто потеря яркости, в связи с чем ультразвуковые датчики применяются в основном при больших размерах, от 10 до 30 дюймов. В плюсах технологии - не слишком частая необходимость калибровки, так как отражающие штрихи нанесены механическим способом и длина пути прохождения волны постоянна (тем не менее скорость волны и её затухание зависят от внешних условий, поэтому совсем без калибровки не обходится). В зависимости от назначения датчика контроллер может использовать как дискретный сигнал от каждого отражателя (есть отклик/нет отклика), так и вычислять промежуточные положения точки касания по разнице амплитуд откликов, обеспечивая разрешение, превышающее количество штрихов.

А вот инфракрасные датчики - это чисто дискретная матричная система. В данном случае у тачскрина нет собственной поверхности - сенсор представляет собой "рамку", установленную над поверхностью дисплея. Читатели, видимо, уже догадались - для каждой координаты используется банальная линейка излучателей и соответствующая линейка приёмников на другой стороне. Система реагирует на перекрытие лучей, то есть даже не нужно касаться самого экрана. В плюсах системы - отсутствие необходимости калибровки (если только такой сенсор не установлен на ЭЛТ-дисплей, у которого не фиксированы размеры изображения), в минусах - сложность (большое количество выводов), фиксированное разрешение и некоторое увеличение толщины тачскрина за счет наложенной сверху "рамки" с излучателями и приёмниками. Инфракрасные сенсоры выпускаются сегодня для дисплеев размером от 10 до 60 дюймов.

Но самый, пожалуй, перспективный способ - непосредственное распознавание объекта, прикасающегося к поверхности (в том числе на фоне спроецированного на неё изображения), в сигнале, снятом видеокамерой. Такие системы гораздо меньше ограничены в размерах и позволяют без особых ухищрений распознавать множественные нажатия без привязки к заранее заданным зонам. Правда, для реализации этого способа нужны приличные вычислительные мощности, но некоторые хитрости позволяют упростить задачу. К примеру, упомянутая несколько раз и на наших страницах виртуальная лазерная клавиатура имеет не самый мощный процессор и распознавать движущиеся объекты не в состоянии, но помогают ориентиры в виде разделяющей "клавиши" лазерной сетки и символов - их исчезновение с положенного места (когда луч перекрывается пальцем) как раз и отслеживается.


Автор: Сергей Леонов
www.terralab.ru