Cómo implantar rápidamente pantallas táctiles fiables

Cada vez se prefiere más una pantalla táctil a un teclado y un mouse como interfaz hombre-máquina (HMI) para programar, configurar y controlar sistemas de consumo, empresariales e industriales. Las pantallas táctiles son intuitivas, rápidas y disponen de una única interfaz integrada que sustituye a una combinación de dispositivos de entrada. También ofrecen mayor comodidad para las personas con problemas físicos y pueden hacerse bastante compactos.

La gran variedad de aplicaciones de las pantallas táctiles exige que sean resistentes, manejables con el dedo descubierto o enguantado y rentables. Las pantallas táctiles resistivas cumplen estos requisitos, pero los diseñadores deben poder comercializarlas rápidamente con soluciones listas para usar que incluyan una pantalla táctil combinada con un controlador adecuado. También deben comprender las diferencias entre las interfaces de pantalla táctil resistiva de 4 y 5 hilos.

Este artículo describe brevemente las pantallas táctiles resistivas. A continuación, presenta ejemplos de pantallas táctiles y controladores de NKK Switches y muestra cómo diseñar con ellos.

Cómo funcionan las pantallas táctiles resistivas

Las pantallas táctiles resistivas son componentes independientes que se superponen a una pantalla plana. Junto con un controlador, una pantalla táctil permite a los usuarios interactuar con los símbolos mostrados tocando zonas específicas. Una pantalla táctil puede detectar la posición precisa del toque de un dedo o un lápiz óptico. A continuación, el software de aplicación determina qué otras acciones de pantalla deben producirse en función de esa posición.

Las pantallas táctiles resistivas son adecuadas para diversas aplicaciones médicas, industriales, empresariales, minoristas y de consumo porque son baratas, resistentes y pueden manejarse con un dedo descubierto, una mano enguantada o un lápiz óptico. Esta tecnología utiliza una película de plástico deformable recubierta en su cara posterior con una capa conductora, como el óxido de indio y estaño (ITO). La parte posterior de la pantalla táctil está formada por un panel de vidrio o acrílico, que incluye una capa de ITO en su cara frontal.

Los puntos espaciadores no conductores separan la lámina de plástico del panel posterior de cristal o acrílico. Cuando se presiona la lámina de plástico con un dedo o un lápiz óptico con una fuerza de uno o dos newtons (N), la lámina entra en contacto con el panel de soporte, cerrando eficazmente un interruptor en la zona de presión local. La placa del controlador, con un conector de cuatro o cinco hilos conectado, puede determinar la ubicación del interruptor cerrado, y el software responde en consecuencia (Figura 1).

Figura 1: Las pantallas táctiles resistivas funcionan presionando dos superficies conductoras. (Fuente de la imagen: NKK Switches)

Las pantallas táctiles resistivas son populares cuando el costo, la resistencia y el funcionamiento con una mano enguantada o un lápiz óptico no conductor son esenciales. Suelen ser capaces de realizar millones o incluso decenas de millones de operaciones sin fallos. Las pantallas táctiles resistivas también pueden fabricarse con protección contra salpicaduras de agua y productos químicos.

Diferencia entre las configuraciones de pantalla táctil de 4 y 5 hilos

Una pantalla táctil de 4 hilos emplea dos electrodos en la placa inferior y dos en la superior. En la placa inferior, los electrodos se encuentran a lo largo del eje Y, lo que permite medir la resistencia a lo largo del eje X. Del mismo modo, la placa superior tiene electrodos de borde que discurren a lo largo del eje X, lo que permite medir la resistencia a lo largo del eje Y (Figura 2).

Figura 2: Las pantallas táctiles resistivas de 4 hilos utilizan dos electrodos de borde en la placa inferior y dos en la superior. Los pares son perpendiculares entre sí y permiten determinar la posición XY de un toque. (Fuente de la imagen: NKK Switches)

En el punto de contacto con el dedo, la capa inferior divide efectivamente la capa superior en dos resistencias en serie. La capa inferior se divide de forma similar en el punto de contacto con la capa superior. Con una polarización adecuada, cada placa puede funcionar como un divisor en el que el voltaje de salida representa las coordenadas del punto de contacto.

En un sistema de 5 hilos, la placa superior tiene cuatro electrodos de borde y funciona como nodo de detección de voltaje. Las cuatro esquinas de la placa inferior forman electrodos que producen gradientes de voltaje en las direcciones X e Y. Se utilizan diferentes configuraciones de polarización para obtener las mediciones en las direcciones X e Y (Figura 3).

Figura 3: Las pantallas táctiles resistivas de 5 hilos utilizan cuatro electrodos de esquina en la placa inferior para producir gradientes de tensión en las direcciones X e Y y dos pares de electrodos de borde en la placa superior para detectar la tensión. (Fuente de la imagen: NKK Switches)

En la construcción de 5 hilos, solo está activa la placa inferior. Esto significa que la placa superior puede sufrir daños, pero la pantalla táctil sigue funcionando. En cambio, las dos placas de la pantalla táctil de 4 hilos están activas; si se daña la placa superior, la pantalla táctil puede fallar. La pantalla táctil de 5 hilos suele ser más duradera, pero la contrapartida es una mayor complejidad de diseño y un mayor gasto.

Soluciones comerciales de pantalla táctil resistiva

Para minimizar la complejidad y acelerar el tiempo de comercialización, NKK dispone de soluciones comerciales probadas tanto para la pantalla táctil como para el controlador correspondiente. El diseñador sigue teniendo la opción de adquirir una pantalla táctil de NKK y combinarla con un controlador de otro proveedor o con uno propio.

La serie FT de NKK es un excelente ejemplo de pantallas táctiles resistivas. Disponible en varios tamaños de pantalla, de 5.7 a 15.6 pulgadas (in) (diagonal), la serie se ofrece en configuraciones de 4 y 5 hilos con una fuerza de activación táctil de 1.4 N (Tabla 1). Ambas versiones incorporan una cola de circuito flexible que se conecta a una placa controladora.

Tabla 1: Una comparación de las pantallas táctiles resistivas de 4 y 5 hilos muestra que la versión de 5 hilos ofrece una vida operativa más larga, medida en operaciones de roscado. (Fuente de la imagen: NKK Switches)

El FTAS00-5.7AS-4A es un modelo de 4 hilos y 5.7 pulgadas que consume 1 miliamperio (mA) a 5 voltios de CC (VCC), tiene un valor resistivo XY de 250 a 850 ohmios (Ω), una linealización del 1.5% y una impedancia de aislamiento de 10 megaohmios (MΩ). La vida útil prevista de la pantalla táctil es de 50,000 escrituras o un millón de pulsaciones.

El FTAS00-10.4A-5 es un modelo de 5 hilos y 10.4 pulgadas que consume 1 mA a 5.5 VCC, tiene un valor resistivo XY de 20 a 80 Ω, una linealización del 2% y una impedancia de aislamiento mínima de 10 MΩ. La vida útil es de 50,000 escrituras o 10 millones de pulsaciones.

Para los productos de pantalla táctil de 4 y 5 hilos, NKK ofrece un controlador con interfaz RS232C o USB. Las placas controladoras se suministran con software controlador de dispositivos compatible con Windows 7, 8 y 10. La FTCS04C y la FTCU04B son las placas controladoras de interfaz RS232C y USB para las pantallas táctiles NKK de 4 hilos, respectivamente, mientras que la FTCS05B y la FTCU05B son las equivalentes para las pantallas táctiles de 5 hilos.

Primeros pasos con una pantalla táctil resistiva

El proceso de diseño es similar para las pantallas táctiles de 4 y 5 hilos. En el corazón de la placa controladora RS232C y USB de 4 hilos se encuentra el chip controlador FTCSU548. Este CI LFQFP de 48 patillas dispone de una interfaz serie asíncrona y una interfaz USB 2.0 de máxima velocidad. Se alimenta mediante una fuente de 3.3 a 5 voltios para el funcionamiento RS232C o una fuente de 5 voltios para USB, con una corriente de salida nominal de 170 mA, una frecuencia de funcionamiento de 16 megahercios (MHz) y una resolución del convertidor de analógico a digital (ADC) de 10 bits. El chip incorpora una función de calibración.

Cuando se pulsa la pantalla táctil, el CI controlador determina las coordenadas utilizando el valor de la tensión analógica detectada por el ADC y las envía a la computradora host a través de la interfaz RS232C o USB (Figura 4).

Figura 4: El CI del controlador FTCSU548 (IC1) está montado en la placa del controlador FTCU04B (USB de 4 hilos). CN1 (izquierda) es el conector para la cola del circuito flexible de 4 hilos de la pantalla táctil. (Fuente de la imagen: NKK Switches)

La cola del circuito flexible de 4 hilos de la pantalla táctil se conecta a la placa controladora a través de CN1. La placa controladora se conecta a la computadora host a través de CN4. La interfaz USB CN4 también suministra alimentación a la placa. El host ejecuta el controlador del dispositivo y el software de aplicación de la pantalla táctil (Figura 5).

Figura 5: Se muestra una configuración típica de placa controladora USB de 4 hilos y computadora host. (Fuente de la imagen: NKK Switches)

Consejos de diseño

La pantalla táctil resistiva requiere calibración en el momento de la instalación. El CI controlador FTCSU548 incluye una función de calibración integrada. El CI controlador debe ajustarse primero en "modo de datos de origen" para calibrar. A continuación, la computadora indica un punto de referencia (P1) en la pantalla táctil que el operador pulsa con un lápiz óptico, y la información de voltaje ADC se envía a la computadora a través de la placa del controlador. El proceso se repite con un segundo punto (P2) en una zona distante de la pantalla táctil. Las coordenadas físicas de P1 y P2 se envían a la computadora como un número de ocho bytes. A continuación, la pantalla táctil se pone en "modo de datos de calibración", y el software de aplicación utiliza la lectura de voltaje y coordenadas de los dos puntos conocidos, además de una referencia "0,0" incorporada, para interpolar todas las demás coordenadas en el área del modo de datos de calibración (Figura 6).

Figura 6: La calibración es necesaria durante la configuración inicial y periódicamente después, porque la resistencia cambia a medida que envejece la pantalla táctil. (Fuente de la imagen: NKK Switches)

La resistencia de la pantalla cambia a medida que envejece, por lo que es necesario recalibrarla a lo largo de su vida útil.

Es esencial incluir una toma de tierra para el marco del dispositivo de visualización a fin de evitar interferencias electromagnéticas (EMI). También es posible que la resistencia inicial al contacto de un dedo provoque "vibraciones". Para evitar el parloteo, se puede utilizar un retardo incorporado para permitir que el voltaje se asiente antes de que el sistema calcule las coordenadas.

Los diseñadores también deben tener cuidado de no incluir software que indique a los usuarios que toquen dos zonas de la pantalla táctil simultáneamente. La tecnología no puede resolver dos toques separados y establece por defecto un punto central entre ellos. Por último, aparecerán saltos por encima del espaciador de pantalla cuando se dibuje una línea en una pantalla utilizando un lápiz óptico, separando las dos capas. Los diseñadores deben asegurarse de que el software de aplicación cubra esas lagunas.

Conclusión:

Las pantallas táctiles resistivas son idóneas para HMI en aplicaciones en las que el costo, la resistencia y el funcionamiento con la mano desnuda o enguantada o con un lápiz óptico no conductor son esenciales. Para simplificar la implantación, las soluciones comerciales de NKK incluyen la plantilla de pantalla táctil, placas controladoras con un CI controlador dedicado y software controlador de dispositivos.