触摸屏是一个使多媒体信息或控制改头换面的设备，它赋予多媒体系统以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。工业用触摸屏利用其方便、多功能满足各种复杂的工业控制，在工控领域应用越来越多。

1. 触摸屏应用场合及特点

1.1触摸屏应用场合

触摸屏应用范围十分广阔，不仅在工业控制，在其它领域如电信、税务、银行、电力、医院、商场的业务查询；机场、火车站、地铁自动购票；以及办公、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售；电梯按钮、旋转门控制等都获得广泛应用，在手机、ipad上应用最普遍。

工业用触摸屏是与PLC配套使用的设备，是替代传统机械按钮和指示灯的智能化显示终端。用触摸屏上的图符替代机械按钮，可以避免触点抖动，机械老化，接触不良，提高系统可靠性。还可通过设置参数，显示数据，以曲线或动画等形式描绘和监控多种被控设备的工作状态和运行参数，实现对系统的自动控制。

当前在一些控制要求较高、参数变化多、硬件接线有变化场合，触摸屏与PLC组合控制形式已占主导地位。

1.2 触摸屏基本工作原理

触摸屏设备由触摸检测装置和触摸屏控制器构成，其中触摸检测装置安装在显示屏幕前面，用于检测触摸面上用户触摸点的位置，并将检测到的信息送往触摸屏控制器。触摸屏控制器接收触摸信息后，将它转换成触点坐标，送给CPU，触摸屏控制器同时能接收CPU发来的命令并加以执行。

1.3 触摸屏特点

触摸屏主要特点可概括为以下几点：

（1）透明，透明将直接影响触摸屏视觉效果，因此，要通过材料科技来解决透明问题。红外线式触摸屏和表面声波式触摸屏只隔一层纯玻璃，透明效果较好。其它类型触摸屏一般由多层复合薄膜构成，透明效果稍差。

（2）触摸屏在物理上是一套独立的绝对定位系统，即你选择了哪一项就直接触摸到那，不需要第二个动作。相比之下，鼠标则是一个相对定位系统，当需要光标移动到某个地方时，首先要知道现在在何处，然后确定往那个方向走，每时每刻要给用户反馈当前所在位置。

绝对定位系统要求每次触摸点的数据通过校准数据转为屏幕上的坐标，因此同一触摸点输出的数据应该稳定。否则，触摸屏不能保证绝对坐标定位，坐标定位不准是触摸屏严重问题。从技术原理上分析如果同一触摸点每次采样数据不同，这种现象称为漂移。具体表现在当你点击一个你在屏幕上看到的位置，反应出来的结果却偏离了你的位置，这种现象就是漂移，又称为指定位功能故障。理论上讲，触摸屏幕都具有一些漂移，但正常情况下漂移量微小，可以忽略。电容式触摸屏具有一定漂移现象。

（3）检测触摸并定位，各种触摸屏技术都是依靠各自的传感器工作，有的触摸屏本身就是一套传感器。各自的定位原理和各自所用的传感器决定了触摸屏的反应速度、可靠性、稳定性和寿命。根据检测触摸装置的工作原理，常用的有四类触摸屏：电阻式、电容式、红外线式和表面声波式。 每一类触摸屏有其各自优缺点，适用于不同场合，应区分对待。

2．触摸屏分类及工作原理

触摸屏一般分为4类，即电阻式触摸屏；电容式触摸屏；红外线式触摸屏及表面声波式触摸屏。

（1）电阻式触摸屏构成与原理

电阻式触摸屏的屏体部分由多层复合薄膜构成。即基层、导电层、塑料层。

基层：选用玻璃或有机玻璃。导电层（共两层）： 一层位于基层上面，一层位于塑料层下面。在两层之间有许多细小的（小于1/1000英寸）的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。 当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触。

电阻式触摸屏屏体结构示意图如图1所示。

图1 电阻式触摸屏屏体结构示意图

触摸屏屏体按电路结构划分为下线路（基层与导电层）和上线路（塑料层与导电层）两部分。当触摸屏表面无压力时，中间透明隔离点的绝缘作用使上下线路呈开路状态。一旦有压力使触摸屏上下线路接通，控制器通过下线路导电层X坐标方向施加的驱动电压，以及上线路导电层上的探针，侦测出X方向上的电压，由此推算出压力点的X坐标。通过控制器改变施加电压的方向，同理可测出压力点的Y坐标，从而明确压力点（X，Y）的位置。这就是电阻式触摸屏的基本工作原理。

电阻式触摸屏特点：

优点是屏和控制系统比较便宜，反应灵敏度较好，是一种对外界完全隔离的工作环境，不怕灰尘和水汽，它可以用任何物体来触摸，使用寿命相对较长，比较适合工业控制领域及办公室内有限人数的使用。缺点是复合薄膜的外层采用塑胶材料，用力或使用锐器触摸可能划伤整个触摸屏而导致报废。此外，触摸屏抗干扰能力较差，一般无法识别误动作，任何物体碰触都会引起动作。

（2）电容式触摸屏构成与原理

电容式触摸屏由四层复合玻璃屏构成，两层玻璃屏的内表面夹层各涂有一层ITO(透明导电膜玻璃)，最外层是一薄层矽土玻璃保护层, 四个角引出电极。电容屏是利用人体电流感应进行工作，屏体结构示意图如图2所示。

图2 电容式触摸屏屏体结构示意图

当手指触摸在金属层上时，由于人体电场，手指与触摸屏导体层间形成一个耦合电容。对于高频电流，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一很小电流。电流分别从触摸屏四角电极流出，四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置信息。因此，电容式触摸屏只需轻轻一摸就可以被系统识别到。

电容式触摸屏特点：

优点是电容屏需要通过感知人体电流才能操作，对其它物体触碰不会有响应。因此，避免了误触可能。

电容屏的双玻璃不但能保护导体及感应器，还可以有效地防止外在环境因素对触摸屏造成的影响。与电阻屏相比，电容屏在防尘、防水、耐磨等方面有更好的表现。但是，尽管电容屏最外面的矽土保护玻璃防刮擦性很好，仍然应避免指甲或硬物敲击。

缺点是精度不如电阻屏高，在小屏幕上还很难实现辨识比较复杂的手写输入。此外，易受温度、湿度等环境因素影响，甚至引起漂移。例如身体靠近屏幕或在拥挤人群中操作可能引起漂移。这是因为电容式触摸屏是把人体当作电容器元件的一个电极使用，尽管用户手指距离屏幕更近，但屏幕附近物体的面积比手指大的多，于是会耦合出足够量容值的电容，流走的电流引起电容屏动作，导致触摸位置误判。

（3）红外线式触摸屏构成与原理

红外线触摸屏结构简单，是在显示器边框上安装光点距架框，在架框周边排列若干红外线发射管和接收管，加电后在屏幕表面形成一个不可见的横竖交叉红外线网。当触摸物体如手指进入红外线网时，阻断了该位置的红外光束，智能控制系统将侦测到的光损失变化传输给控制系统，确认X轴和Y轴坐标值，从而判断出触摸点在屏幕的位置。红外线式触摸屏屏体结构示意图如图3所示。

图3 红外线式触摸屏屏体结构示意图

红外线式触摸屏特点：

优点是红外线屏可以根据客户要求选择防暴玻璃，而不会增加太多成本和影响使用性能。不仅抗暴性好，由于屏幕表面不用涂层透光性也好，这是其它触摸屏无法效仿的。

由于红外线屏不受电流、电压和静电干扰，因此，适宜工作在电场恶劣环境中。此外没有电容充、放电过程，响应速度比电容屏快。

缺点是红外线屏对光照环境因素敏感，当外界光线变化，如阳光、室**灯等可能会产生影响甚至造成误判。但近年来抗干扰问题已获得较好解决。

由于只是在普通屏幕增加了架框，在使用过程中架框四周红外线发射管及接收管容易损坏，且不防水和怕污垢，任何触摸物体都可遮挡触摸点上的红外线，造成触摸屏误操作。因此，不适宜置于户外和公共场所使用。

红外线屏的分辨率由框架中的红外对管数目决定，只有红外对管做得更小，才能制造出高分辨率触摸屏。第五代红外线触摸屏已经实现了1000×720高分辨率、多层次自调节和高度智能化判别识别的全新技术产品。并且可针对用户定制扩充功能，如网络控制、用户软件加密保护、红外数据传输等。应该说红外线屏是未来的发展趋势。

（4）表面声波式触摸屏构成与原理

表面声波式触摸屏可以是平面、球面或柱面的玻璃平板，玻璃一般是纯粹的强化玻璃，没有任何贴膜和覆盖层。玻璃屏的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器，右上角固定了两个相应的超声波接收换能器。玻璃屏四个周边刻有45°角由疏到密间隔非常精密的反射条纹。表面声波式触摸屏屏体结构示意图如图4所示。

图4 表面声波式触摸屏屏体结构示意图

以X轴超声波发射为例，发射器将控制器送来的电信号转化为声波能量，在屏体表面上由右向左传播，与此同时屏体下边的反射条纹又将声波均匀的向上反射，屏体上边的反射条纹再聚成向右的声波传给X轴接收换能器，将返回的声波能量还原为电信号。

X轴发射器发射的声波能量，通过不同的途径返回。在屏体表面最右边的声波最早被接收，最左边的最晚接收。最远的声波比最近的多走了两倍X轴最大距离(发射和返回)，早与晚接收到的声波能量经X轴接受换能后再次叠加成波形信号。触摸屏在没有被触摸的时候，发射与接收的信号波形一样。

当手指或其它物体触摸屏幕时，X轴途经手指部位向上传播的声波能量被部分吸收，接收后经换能的电信号波形与发出波形对比会有衰减缺口。 计算缺口位置即可确定触摸屏X坐标。手指触摸屏幕示意图如图5所示。

图5 手指触摸屏幕示意图

类似，Y轴同样的过程可以判定触摸点的Y坐标。除了能确定触摸屏的X、Y坐标外，触摸屏还能够确定第三轴Z轴坐标，也就是能感知手指触摸压力的大小。表面声波式触摸屏是三维搜索和判定，三轴一旦确定，就可确定手指位置。

第三轴Z轴是压力感知，触摸的力度越大，吸收声波越多，接收信号波形上衰减缺口越宽越深，控制器可据此产生相应的模拟输出，这是目前其它触摸屏所不具备的。

表面声波式触摸屏特点：

优点是因为采用纯玻璃光学性能好，清晰度和透光率最高，反光最少，无色彩失真。若选用强化玻璃可增加抗暴力性，适用于公共场所。

由于声波是机械振动，不受电磁信号影响，因此，不怕电磁干忧，无漂移。因为触摸屏控制器以每秒48次的速度搜索触摸数据，因此，触摸屏能够识别尘土、水滴还是手指。如果三秒钟内“触摸” 静止不动，即自动识别为干扰物，不予理睬。

由于有第三轴Z轴的压力感知，触摸屏不仅可以判断有、无触摸两个简单状态，而且具备模拟量检测功能，通过检测触摸力度，实现对速度、流量、温度等的改变。

缺点是表面声波式触摸屏表面的灰尘和水滴将阻挡表面声波的传递，虽然控制器能分辨出来，但尘土积累到一定程度，信号会衰减得非常厉害。此时触摸屏会变得迟钝，甚至不能工作。因此，表面声波触摸屏一方面推出防尘型触摸屏，一方面建议定期清洁触摸屏表面。

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