機載顯示系統中觸摸屏的設計與研究

趙小珍

（長沙湘計海盾科技有限公司，湖南長沙 410000）

觸摸屏作為最新的輸入設備，是目前最簡單、方便、自然而舒適的輸入裝置，具有反應速度快、節省空間、堅固耐用、易于交流等諸多優點。觸摸屏由于存在這些優點，引起各國普遍重視，并投入大量的人力、物力和財力進行研發，因此不斷出現了新型觸摸屏。觸摸屏呈現專業化、立體化、大屏幕化、高度集成化、高可靠性等趨勢發展。作為最新的人機交互方式，觸摸屏已經滲透到人們生活的方方面面，并且已經應用到機載顯示系統中。在許多機載座艙顯示系統中，比如，控制顯示單元（CDU）是重要的信息輸入設備[1]。為了提高這些設備的可用性和靈活性，可以增加多點觸摸屏。這樣做的優點有：1）在相同的顯示區域，輸入接口可重新配置，并且降低研發費用；2）結合多點觸摸，可以進行高級繪圖接口設計，提高人機交互效率。這樣，繪圖軟件的應用也將越來越多。

觸摸屏的種類比較多，按照工作原理的不同，觸摸屏可以分為表面聲波觸摸屏、電阻觸摸屏、電容觸摸屏和紅外觸摸屏4 種[2]。表面聲波觸摸屏和紅外觸摸屏由框架或透明玻璃構成，光透過率高、清晰且不容易被損壞，但占用顯示屏上的空間，使得外觀不美觀。表面聲波觸摸屏的表面如果有水滴、塵土，則會變得遲鈍。紅外觸摸屏受外界光的影響，抗干擾能力較差。電阻觸摸屏和電容觸摸屏由多層復合的薄膜構成，不占用顯示屏的空間，但是光透過率低。由此可見，目前市場存在諸多類型的觸摸屏，但這些觸摸屏具有各自的優缺點[3]。針對這些優缺點，文中主要對3 種類別的觸摸屏，即電阻觸摸屏、紅外觸摸屏、電容觸摸屏，提出改進、改良設計措施或方法，最終能夠滿足機載顯示環境要求。

1 觸摸屏原理及分析

觸摸屏的基本原理都是用手指或其他物體觸摸安裝在顯示終端的觸摸屏時，所觸摸的位置（以坐標形式）由觸摸屏控制器檢測，并通過接口輸出，從而確定輸入信息。

觸摸屏系統一般包括觸摸屏控制器（驅動卡）和觸摸檢測裝置兩個部分。其中，觸控屏控制器（驅動卡）的主要作用是從觸摸點檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉換成觸點坐標，再送給CPU，它同時能接收CPU 發來的命令并加以執行。觸摸檢測裝置一般安裝在顯示器的前端，主要作用是檢測用戶的觸摸位置，并傳送給觸控屏控制板[4]。

1.1 電阻觸摸屏

電阻觸摸屏是現今市場上最為常見的一種觸摸屏，它是由多層復合薄膜組成的。電阻觸摸屏基本構成包括導電基板玻璃（ITO Glass）、導電聚酯膜（ITO Film）、透明隔離物、粘接膠（Adhesive）等。導電基板玻璃與導電聚酯膜之間為透明絕緣顆粒，用于將兩者的導電面隔離。

電阻觸摸屏的工作原理：當電阻觸摸屏的屏幕被觸摸時，觸摸點處的聚酯膜發生形變，上部導電層與玻璃基板的導電層接觸，此處產生的電壓為位置的模擬值，控制器將這些模擬量數字化并計算出該點坐標值，再送至CPU 處理[4]。電阻觸摸屏工作原理如圖1 所示。

圖1 電阻觸摸屏工作原理

1.2 紅外觸摸屏

紅外觸摸屏的基本原理是借助紅外發射管、接收管之間的紅外光線束在屏表面形成縱橫交錯的光線網和穩定的光電探測信號，當觸摸物（如手指等）接近屏面時，部分特定光線束被遮擋使光電信號發生依賴于觸摸位置的變化，從而由改變后的信號分布和特定的算法計算出遮擋物位置[5]。

紅外觸摸屏由紅外發送LED、紅外接收LED 組成，如圖2 所示。

圖2 紅外觸摸屏燈板構成示意圖

紅外觸摸屏是在緊貼屏幕前密布X、Y方向上的紅外線矩陣（如圖3 所示），通過不停地掃描是否有紅外線被物體阻擋檢測并定位用戶的觸摸信息[6]。

圖3 紅外線矩陣示意圖

紅外觸摸屏的光透過率高，工作信號較穩定，能夠抵抗電流、電壓和靜電等的干擾，而且安裝簡單，成本低。但不足之處是，觸摸屏暴露在太陽光下，會受到太陽光的干擾[7]。

1.3 電容觸摸屏

電容式觸摸屏經歷了由早期的“外表面”電容式觸摸屏，再到中期應用廣泛的“內表面”電容式觸摸屏，發展至今熱議的投射電容觸摸屏。

電容觸摸屏是現在最受關注的一種觸摸屏。它是在玻璃表面鍍上一層或多層透明的特殊金屬導電物質，形成X軸、Y軸電極矩陣。當手指觸摸到金屬層上時，手指與金屬層形成的耦合電容引起電流微弱變化，通過掃描X軸、Y軸電極矩陣，檢測觸摸點電容量的變化，計算出手指所在位置，從而確定觸摸位置。由于電容隨溫度、濕度、磁場變化大，故其穩定性較差，往往會產生漂移，一般不適宜在強磁場的環境下使用[8]。常規電容觸摸屏結構如圖4 所示。

圖4 常規電容觸摸屏結構圖

了解到各種類型觸摸屏的工作原理，為了滿足軍用特殊環境的應用要求，針對不同類型的觸摸屏，必須對觸摸屏進行改造、改良或改進設計，才能滿足使用要求。

2 電阻觸摸屏改進

2.1 問題分析

從前文對電阻觸摸屏的原理分析可知，常規電阻觸摸屏在特殊環境下存在觸摸屏表面霧度大、鏡面反射大、電磁兼容效果差、線性度差、表面抗刮性能弱等問題，極大地影響了電阻觸摸屏在機載顯示系統中應用。

2.2 電阻觸摸屏的改進方法

為了提高電阻觸摸屏的使用性能及可靠性，滿足軍用環境的要求，針對上述問題，為了降低反射率，在電阻觸摸屏表面增加一層減反鍍膜玻璃，并且在減反玻璃與聚酯膜之間帖覆一層偏振片，從而減小鏡面反射率和霧度。為了提高屏蔽效能，在玻璃下表面鍍涂一層低阻值的ITO，進而提高電磁屏蔽效能。為了提高表面抗刮性能、硬度及抗霉菌鹽霧能力，在聚酯薄膜表面粘接一層減反玻璃，這使得其結構組成更為復雜。功能較齊全的改良電阻觸摸屏組成如圖5 所示。

圖5 改良電阻觸摸屏組成圖

2.3 改進效果測試

對改造、改進后的電阻觸摸屏進行測試，其主要技術參數數據如表1 所示。

表1 電阻觸摸屏改進前后技術參數對比表（以10.4寸為例）

另外，將該電阻觸摸屏安裝在整機產品上，進行了EMC 測試和高溫70 ℃的觸摸力度測試。其中測試點分布如圖9 所示，測試數據如表2、表3 所示。

表3 紅外觸摸屏改進前后技術參數對比表（以21.5寸為例）

圖9 產品測試示意圖

表2 EMC測試數據

由表3 的數據分析可知，在常溫、高低溫情況下，觸摸屏的觸摸力度略有不同，但是觸摸屏的操作力度均在規定范圍內，可以滿足機載顯示系統的要求。

改良后的電阻觸摸屏解決了觸摸屏表面霧度大、鏡面反射大、電磁兼容效果差、線性度差、表面抗刮性能弱等問題，目前已經應用到某型號戰機上，飛行員反映，該類型的電阻觸摸屏功能基本正常，圖像顯示清晰、操作精確，可以與傳統的按鍵導光板相媲美。

3 紅外觸摸屏改進

3.1 問題分析

紅外觸摸屏應用在機載顯示系統中，不存在電磁屏蔽、減反等問題，但存在夜視兼容問題。衡量一個發光體是否滿足夜視兼容性的兩個主要指標是NVIS 的輻亮度（NR）和色度，其標準可參照GJB 1394-92《與夜視成像系統兼容的飛機內部照明》[9]。

3.2 紅外觸摸屏的改進方法

針對紅外觸摸屏存在夜視兼容的問題，目前至少有兩種方法可以解決。方法一：通過加裝濾色片、紅外觸摸掃描核心算法和降低微光夜視環境下發射燈的驅動電流，可以實現夜視兼容要求。方法二：開發長波長的發射管和接收管（如1 300 nm 以上），并設計與之相對應的控制電路、采集電路、邏輯運算電路等，從根本上解決紅外觸摸屏的夜視兼容問題。但方法二需要一定的時間和可靠性驗證，不能立即投入工程化應用。

目前，文中采用方法一進行改進。改進后的紅外觸摸屏燈板示意圖如圖6 所示，實物對比圖如圖7所示。

圖6 改進后紅外觸摸屏燈板示意圖

圖7 改進前后紅外觸摸屏實物對比

3.3 改進效果測試

下面對改造、改進后的紅外觸摸屏進行測試，其主要技術參數數據如表3 所示。

將改進后的紅外觸摸屏安裝在整機產品中，白場測量的輻射亮度為2.09×10-9W/cm2·sr；其他顏色（紅場）測量的輻射亮度為6.72×10-9W/cm2·sr，滿足GJB1394-92 規定輻亮度要求。此外，在常溫、高低溫情況下，觸摸屏各項性能均能滿足規定要求，能夠滿足機載顯示系統的使用要求。

改良后的紅外觸摸屏通過加裝濾色片、紅外觸摸掃描核心算法和降低微光夜視環境下發射燈的驅動電流，在夜航飛行時，解決了夜視兼容問題，目前已裝備在某型號殲擊機上。通過飛行員試飛，可以完成正常模式的操作，尤其在夜航飛行時，基本滿足夜視兼容要求。

4 電容觸摸屏改進

4.1 問題分析

電容觸摸屏存在電磁屏蔽、減反、可靠性差等問題。對于減反問題，同電阻觸摸屏，通過鍍ITO 膜就可以解決[10]。電磁屏蔽可以利用ITO膜解決，但是，會使得反射增大，如何降低反射是目前亟待解決的技術問題[11]。另外，在電磁環境中，電容觸摸屏如何可靠地工作，也是必須關注的焦點。除了以上主要問題外，在應用電容觸摸屏時，還需要關注以下幾個方面的問題：1）如何解決環境光照射情況下，指紋殘留增加的反射問題。2）在動態環境下（強烈振動和加速情況）觸摸屏的操作精度問題。3）觸摸屏人機工效設計問題[12-13]。

另外，在設計電容觸摸屏時，還需要注意：1）設備機殼采用金屬框設計，保持人體與大地相連通，有放電回路。2）電容觸摸屏內部增加裸露GND 金屬面積，利于釋放多余電荷[14]。

4.2 電容觸摸屏的改進方法

針對電容觸摸屏存在電磁屏蔽、減反和可靠性的問題，通過在電容觸摸屏前端鍍ITO 膜解決反射問題，在觸摸屏后端鍍ITO 膜解決電磁屏蔽問題。

改造后的電容觸摸屏結構如圖8 所示。

圖8 改造后的電容觸摸屏結構

4.3 改進效果測試

下面對改造、改進后的電容觸摸屏進行測試，其主要技術參數數據如表4 所示。

表4 電容觸摸屏改進前后技術參數對比表（以21.5寸為例）

針對電容觸摸屏的設計和研究，后續將此改進后的電容觸摸屏安裝在整機產品中，在常溫、高低溫情況下，測試觸摸屏各項性能均能滿足主機要求，最終達到整機裝備的要求[14]。

改良后的電容觸摸屏解決了電磁屏蔽、反射大的問題。針對可靠性問題，目前還未裝備到機載顯示設備中，只是做了相關測試和電磁環境試驗。其中，光學參數中，反射指標可以滿足機載環境的要求，電磁兼容已完成了空軍標準的RS103、RE102、CS112、CS114、CS115、CS116 試驗，后續還要完成國軍標要求的其他項目以及±15 kV 靜電放電試驗，甚至更嚴苛軍種的電磁兼容試驗[16]。這樣，完全通過試驗后才能應用到機載顯示系統中。

5 結論

綜上所述，改良后的電阻觸摸屏已經被廣泛應用，觸摸屏功能基本正常，圖像顯示清晰，操作精確；紅外觸摸屏可以正常操作，尤其在夜航飛行時，基本滿足夜視兼容要求；對于電容觸摸屏，光學參數、反射指標可以滿足機載環境的要求。針對電容觸摸屏設計和研究，后續會將改進后的電容觸摸屏安裝在整機產品中，考核其可靠性，使其滿足整機系統要求。

隨著觸摸技術的演進，觸摸屏的應用已經愈來愈廣泛和多元化，從手持裝置到家電產品，甚至應用到座艙顯示，觸摸技術幾乎無所不在，觸摸屏具有反應速度快、節省空間、堅固耐用、易于交互的特點，必然會將人機交互推向一個新的時代。此外，可以預見，觸摸屏今后也必然會大規模應用在機載顯示系統、手持顯示設備以及便攜顯示產品中。