西门子6ES7361-3CA01-0AA0型号规格

作为用户输入设备的正在快速普及。从某些需求（如苹果公司的iphone）可以看出，一个出众的用户接口将带来极具竞争力的市场优势。不过对其他应用而言，还需要克服其他一些问题，如安全方面的问题、娱乐分心问题或者其他可用性问题。

来自工业、商业以及消费类等所有市场领域的用户都在不断追求更好的人机接口。目前，触摸激活接口方面的是触觉反馈，它可以向用户提供立即和正确无误的确认。该功能被用来改善用户性能和满意度。此外，产品设计师通过提供直观的触觉提示可以将功能复杂度降到低。本文将讨论如何为产品的触摸激活接口添加触觉反馈（触觉技术）。

目前现状

能够提供触觉的触摸接口系统依赖于执行器产生触感。执行器和控制技术的发展使得目前的执行器能够支持各种从很小到很大的触摸面板和触摸屏上的触摸反馈，产品范围覆盖了从手机到宽屏触摸监视器等各种产品。另外，支持触觉系统所需的处理器负荷相当小，触摸输入技术事实上已经非常普及，机电解决方案也都是现成的。

工作原理

对用于触摸激活控制的触觉技术的通常解释是，按键或开关的全程动作必须完全复制才有效。但实际上，人类手指的感知灵敏性并不这样低。大量的研究发现，如果结合适当的加速度，人类手指的神经元可以检测非常小的运动。在1.5g以上的加速度条件下，仅有0.1mm的运动就能被人类感知为确认响应。

不过，1.5g这个低水平的加速度，还不足以产生佳的触觉效果。通过产生一个加速度和一个具有较强刺激的位移可以产生更有效的触觉效果。通过本文所示的“相图（phase portraits）”可以看到这些加速度和位移。在成功地将触觉技术通过机械方式集成进触觉接口器件后可以产生相图。

解决方案

触觉反馈系统架构中通常包括：（1）执行器，可以是直流电磁型，或者是体积较大、必须正确安装到触摸屏中的定制器件，（2）触觉控制软件，可以安装在一个控制板上，或嵌入到产品的主处理器中，（3）一个触觉效果库，（4）一个从主程序调用触觉效果的可编程接口。上述几部分中任何一个的错误实现都会导致整个设计的失败。

执行机制

好的方法是使用为产生触觉效果专门设计的执行器，因为重新改变一个通用电机和螺线管的用途极具挑战性。为触觉应用设计的执行器将来自控制器的触觉信号转换成特定相图所描述的机械运动。很明显，除了提供一个好的动态响应外，所选的执行器需要满足严格的功率、效率和可靠性指标。

在手机中常用的两种执行器也非常适用于小型触摸平面产品（对角线长度在7英寸以下）。它们分别是偏心旋转块电机（erm） （照片中所示）和线性谐振执行器（lra），其中有个块状物在两个磁极之间振动。屏幕较大的产品，如那些从7英寸到36英寸带触摸接口的产品，就需要较大的执行器。immersion a100 和a300就是这样两种产品。

图1：a300执行器的位移和时间关系

图2：a300执行器的加速度与时间关系

图3：a300中加速度与位移的关系（相图）

图4：erm电机利用一个偏心块来为小型设备提供触觉效果。照片中显示的是sanyo公司的微型直流电机

图5：a100触觉执行器

图6：a300触觉执行器

图7：执行器的正确定位和安装将使运动能够有效地传递到用户的指尖上

应该对所有执行器进行优化，以便在位移很小的同时能产生较大的力，还要仔细选择这些执行器来满足性能和寿命方面的要求。设计所要求的执行器的类型和数量取决于触摸屏或面板的体积、重量和实现方案。

为了产生触觉效果而误用简单的螺线管和电机常易导致不良的实现。由于使用了不合适的执行器性能，延迟或者很慢的执行器加速、位移过大或者缺少对位移的**控制都是常见的一些问题。

执行器安装不良也是触觉系统中的常见问题。如果实现得不好，不仅是触摸接口本身，连整个系统都会谐振。在手持设备中可能问题还不大，但在固定设备中则不然，过强的谐振所产生的效果不亚于地震，而不再是友好的确认指示。如果安装设置将接口压迫到其加速度和位移被抑制在检测点之外的程度，还会发生其他极端的结果。

执行器的正确安装会将位移有效地转移到用户的指尖上。触摸屏显示器被安装在一个底座上，然后进行柔性密封。触觉执行器可以提供显示器和底座之间的主要附属装置，从而允许触摸面“悬浮”，这样可将大的能量转移到指尖上。

控制系统

对执行器的正确控制是通过软件和电路实现的，软件和电路主要用来处理触摸输入，并向执行器提供正确的指令。

控制指令应该 对相关的执行器技术和理想的相图进行优化，这种相图应能正确确认用户的输入，同时又不干扰用户的注意力。提供这样的响应要求选择一个具有合适驱动输出能力和0.25mips冗余处理能力的处理器，还要为目标执行器选用一个合适的放大器。整个通信路径 （从用户输入到触觉响应启动） 的延时应该小于30ms。

触觉效果库

触觉效果库应该包括各种效果，从而能使用户清楚地分辨各种触摸屏控制的感觉，并且可以将众多的功能分开来。好的方法是，触觉开发系统能够为用户接口设计师提供一个方便体验效果的方法，以便他们能从触觉效果库中选用好的效果。

编程接口

通过简化的api从主程序中调用触觉效果有助于软件的集成。软件开发工具也很有用。immersion公司提供了这样的开发工具，它向设计师提供了几种编程选择，包括bbbbbbs activex控制、源代码形式的交叉平台api以及对定制接口的通信支持。还包括样本代码以及一个如何将触觉反馈加到主程序中的完整过程描述。

的新型触觉接口能够在触摸激活控制方面向用户提供更加熟悉的、动人和满意的用户体验。所幸的是，如今触觉系统在技术上已经成熟，机电集成也得到了很好地普及。这一新兴技术的关键要素是执行器集成、安装、触觉控制和编程。在按照本文的指导方针进行设计时，我们会发现在触摸激活控制感觉以及直觉、满意度以及自然的用户交互方面，触觉系统具有明显的优势

操作只用屏幕点触方式简便快捷达到操作目的,这是世界上电脑能广泛普及运用的总趋势之一. 只要有点菜单操作概念,就可即学即用. 现对这一技术的几种原理及其应用作以综述.

技术主要就是快速准确地处理随机触摸点坐标的技术,一旦立即解决这一首要问题,剩下的问题就与鼠标作用过程相同.

目前成熟的触摸屏技术有4 种,即红外线式、五线电阻式、表面声波式、式,其原理分述如下.

1 红外线式触摸屏

在屏幕前框架的左边( y 轴) 和下边( x 轴) 分别装有红外线发射管,各自的对边又装有对应的接收管(如图1) ,管的排列密度与其分辨率有关. 工作时在屏幕前形成纵横交叉的红外线矩阵,用户的手指触摸点将阻挡经过该点的横竖两方向的红外线,通过接收管,计算机便由此参数计算出触摸点的位置,再执行对计算机的操作目的.

红外触摸屏的矩阵电路及微处理器控制电路都装在屏前的框架内,并通过键盘接口直接与主机通讯,不需独立. 其价格低,安装简易,但由于发射、接收管排列有限,分辨率不高,且怕外界红外光的干扰及不防水防尘、框架易碎等缺点, 主要应用于室内站台等简单操作的地方.

2 五线电阻触摸屏

它是在四线电阻触摸屏的基础上创造出来的新的专利技术,克服了四线式寿命短、清晰度不高的缺点.

四线电阻技术是一块与显示屏紧贴的玻璃为基层其外表面涂有一薄层透明氧化铟ino ,作为电阻层,其水平方向加有5v 到0v 的直流工作电压,形成均匀连续的电压分布. 在该导电层上再盖有一层外表面经防刮硬化处理而内表面也涂有相同氧化金属层的保护层,其垂直方向也加有5v 到0v 的直流连续分布电压. 两电阻层之间用约千分之一英寸的许多透明绝缘隔离点隔开(如图2) . 按摸屏幕时,两电阻层在触点位置就有一个接通,经过模拟量电压模数(afi d) 转换,控制器就能计算出触点的x , y 坐标值. 由于四线电阻触摸屏的外电阻涂层频繁受压,易造成裂损而改变涂层电压分布不均致使触点位置计算不准而报废的缺点,又创造了五线电阻技术.

五线电阻触摸屏的新特点是把外层电阻层只用作导体层,作为五线中其中一线,即使有裂损,只要不断裂开,对侦测计算不受影响,这无疑大大增强了使用寿命.而在内层电阻涂层中则把四线电阻技术中纵横电压分布场技术创造性巧妙的应用在同一涂层中,其结构分布如图3. 在由金属氧化物构成的细密条的x 轴上形成正向电压差,经过中值点又形成反向电压差,构成同面四线模式. 内外涂层仍用绝缘透明隔离点隔开. 当按压时内外涂层间有一触点接通,致使左侧向下电压的上端某处有不同阻值的分压产生, 据此控制器计算出该触点的水平坐标值. 内涂层上每一触点都有不同对应的x 轴坐标值. 触点y 轴方向的坐标则是由控制器测定从内涂层经触点流入外涂层(五线之一) 的电流值确定出的. 五线电阻触摸屏除使用寿命大大超过四线式35 倍,达3500 万次外,其透光率和清晰度也很高,由于工作在与外界封闭隔离状态,不怕污染,环境适应性好.它的另一个突出特点是分辨率很高,能分辨很尖细触针的触动,但怕锐器的硬戳.

3 表面声波技术触摸屏

该技术为美国技术, 它是利用机械超声波矩阵波面的动态传播在显示屏上进行触点定位的.

在显示屏左上角和右下角分别固定有垂直向下发射和水平向左发射的超声波换能发射器(如图4) .其各自同方向的屏边及对边都刻有45°用于反射波导向的由疏到密间隔非常精密的反射条纹(其参数与波长有关) . 沿着对边传导波的末端--—即显示屏的右上角又分别对应安装着超声波x 轴y 轴接收换能器. 工作时,由表面声波屏的控制器产生5. 53mhz 的高频电信号送经换能发射器分别发出相互垂直的超声波,形成动态超声波矩阵波面,当这一工作面上有触点时将吸收通过该点的声能,换能器接收到这一改变后通知控制器确定出该触点的坐标值[2 ] .目前,表面声波触摸屏的突出特点是,它能感知第三轴( z 轴) 坐标. 由于其分辨率、精度和稳定性非常高,能对手指触点的压力大小产生的信号衰减量分辨清晰,故可轻松得到数据. 这一自由度值可用于特殊控制,如医用三维立体断层扫描仪中对连续深层图象的浏览和选择等.

表面声波屏由于没有氧化金属涂层,其清晰度非常好;它的强化玻璃屏有很高的防刮擦能力,但怕其它频率很近和倍频的超声、强声和振动,也怕屏幕的污染,故适合室内办公室、研究室等范围.

4 电容技术触摸屏

其结构为简单. 它是在紧贴显示屏前的双夹层玻璃中涂有一层透明的氧化、金属导体层,四角引出四个电极受控于控制器. 通过引线,夹层导体中有高频电流流动(如图5) . 由于人体电场的存在, 触摸点手指与屏幕内涂层构成一个微小的耦合电容,而高频电流对于通过小电容是很容易的. 这样, 对称四电极上的高频电流通过触点小电容被分流. 这个被破坏了对称的变化量由控制器侦测到. 由于流入四电极的电流与手指触点到四角的距离成反比,故可计算出触点坐标值.

电容技术触摸屏灵敏度极高, 能感知轻微快速的触碰(响应时间快为3ms) ,所以它不怕污染和带手套触摸等,但它怕外界强电场干扰 .

以上各类触摸屏性能优劣比较如表1.

触摸屏技术在中国出现时间虽然不长,但它的普及应用速度却大大超过世界发达国家,颇受喜爱,有极可观的发展前景,这与中国过去经济不发达英语、计算机普及缓慢的国情,和当前中国经济高速腾飞增长地迫切需要是分不开的. 占世界人口1/4 以上的这样一个大市场,尤其是城市,无论宾馆、商场、交易厅、机场、码头和地铁等人流拥挤的公共区,还是科技教育、人事组织、工商管理、企业财会、党政管理、行政业务等都有大量需求.

微机触摸屏技术使用对年龄的覆盖面很宽,例如,为培下一代的高素质起点,发展幼教事业,激发和诱导幼儿及青少年学习科学知识的兴趣;普及兴办老年大学,以及老一代在岗领导人使用现代化管理手段都有一定意义.

就地域性覆盖面来说,农村和边远山区,落后地区及边疆海岛,凡有经济增长的点域,都渐行微机触摸技术的管理模式来支持交流和发展.

触摸屏是市场增长的刺激、思维的更新 必然创造出的新的多媒体交互设备,符合稳定、准确、高速的效率. 它的应用大大简化了计算机输入模式,手指轻触即能操作计算机,查询资料,分析数据,优化方案,选择决策,预测未来.

触摸屏赋予了多媒体系统崭新的面貌,极富吸引力. 多媒体技术层出不穷,双双比翼,为现代人提供更好的方便需求.