一種觸控顯示器測試觸控精準度的系統(tǒng)研究

王松濱

（1．中航華東光電有限公司，安徽 蕪湖 241002；2．國家企業(yè)技術中心，安徽 蕪湖 241002）

0 引言

隨著觸控屏技術和人機交互方式的進步，當人手指作為觸摸標記的感應式輸入時，其接觸屏幕上的圖形應用，屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)可以根據(jù)預先開發(fā)的應用程序驅動各種連接設備，從而取代機械式按鍵導光面板輸入，并借助顯示畫面響應預設的交互功能，進而提高觸控靈敏度和準確度，使人機交互采用觸控方式逐漸廣泛地應用到各種機載顯示器設備上。為了保證觸控顯示器在觸控時反饋平面位置坐標的精準度評價的客觀性，需要提出一種自動化水平較高的觸控精準度測試系統(tǒng)，用觸控仿真、量化計算的方式對人機交互方式觸控顯示器產(chǎn)品觸控精準度進行有效評估。

1 觸控精準度測試系統(tǒng)

目的：測試觸摸傳感器和模塊相對其目標位置報告觸摸位置的接近程度（偏差量）。

原理：利用機械臂系統(tǒng)的物理平面坐標精度去評價觸摸顯示器觸摸位置的偏差量。

機械臂系統(tǒng)搭載直徑合適的觸摸探頭（模擬人的手指觸摸面積，例如?5、?6、?7和?8等）。測試系統(tǒng)應跨越整個觸控區(qū)域并沿X，Y方向均勻分布，示例如圖1所示。

在圖1中，P（m，n）為平均擬合測試點（X、Y方向上分別擬合的坐標數(shù)量點，每個擬合點觸控測試采集不少于5次）。

擬合網(wǎng)格坐標計算如公式（1）[2]所示。

式中：d為水平和垂直方向平均擬合測試點的均勻間距。Xbest、Ybest是通過距離的導數(shù)等于0等到的，如公式（2）[2]所示。

對每個目標網(wǎng)格點（i，j）來說，通過上、下提升觸控探頭來收集P次觸摸得到的報告，以觸摸坐標。定義目標坐標和平均報告坐標的距離為精準度，示例如圖2所示。

在圖2中，P（m，n）i，j為觸摸探頭在某個P（i，j）目標網(wǎng)點，點擊P點K次（5次）分別得到K次坐標1、2、3、4和5，根據(jù)公式（3）計算得到平均報告坐標

目標坐標與平均報告坐標的標準偏差的最大值為評估觸控顯示器的精度，如公式（4）所示。

式中：i、j和k為目標點位（i，j）報告的第k個數(shù)據(jù)；P為目標點報告的數(shù)目（1、2、3、4和5）；為測試點平均報告坐標；Acci,j為目標坐標與平均報告坐標的偏差距離。

觸控精度測試系統(tǒng)框架圖如圖3所示。

機械機構的工作原理如下：機械臂和可放置觸摸傳感器的平臺如圖4所示，機械臂和平臺是可以調整的，以保證觸控探頭可以在觸摸屏上任意移動。

在測試中，有3種定位關系，即目標坐標、實際坐標和報告坐標。目標坐標是在觸控屏表面參考固定基準下擬合平面坐標系上的測試點坐標。實際坐標是參考同樣固定基準下測試中觸摸的實際位置，由于觸控探頭的安放誤差，因此其與目標坐標有差別。報告坐標是觸摸控制器報告的坐標位置。

測試時應將待測觸摸屏放置在平臺上并連接到電氣接口，選定相應直徑的觸控探頭連接到機械臂上，然后標定觸摸屏和測試平臺的坐標位置，以消除因基準坐標漂移而導致實際觸摸點位與目標點位之間的偏差。

該系統(tǒng)由3個模塊（機械臂、觸控探頭、觸摸測試控制系統(tǒng)）實現(xiàn)測試和評價觸控顯示器產(chǎn)品的觸控精度的功能。

1.1 機械臂模塊

主機通過網(wǎng)絡接口RJ45連接機械臂控制器運動[3]。

硬件：機械臂（ER3B-C10）是由機械本體組成的，機械本體由底座部分、大臂、小臂部分以及手腕部件等6 個部件組成。控制位移精度為0.1 mm，角度精度為0.1°。機械臂加載觸控探頭方式如圖5所示。

坐標系統(tǒng)管理：為了保證機械臂運動的準確度，引入坐標系統(tǒng)控制，該坐標系可以確定觸控探頭和觸控顯示器的觸控坐標位置。

控制設計：利用Delphi開發(fā)工具在機械臂控制器中預設被觸控屏上擬合預觸控測試的網(wǎng)絡點（水平方向和垂直方向各i、j個點）[4]；通過RJ45網(wǎng)口Modbus數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議標準，機械臂控制器作為客戶端（TCP Server），利用TclientSocket組件[5]控制發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，即主機控制模塊發(fā)送目標運動命令，機械臂被驅動后將數(shù)據(jù)反饋給主機，主機將數(shù)據(jù)解析成為坐標數(shù)據(jù)并被記錄、計算。

1.2 觸控探頭

觸控探頭用來仿真手指點擊觸控顯示器表面，機械臂將實時的觸摸頭坐標數(shù)據(jù)反饋給測試系統(tǒng)。

觸控探頭分為伸縮支架和觸摸頭（定位機構控制精度為±0.1 mm，角度精度為±0.1 °），如圖6所示。

1.3 觸摸測試控制系統(tǒng)

觸控測試系統(tǒng)主要包括主控工控機箱（IPC-610MB-30LDE）、主板（AIMB-701G2-CTA1）、256 G固態(tài)硬盤、CPU（I5-2400）、8 G內(nèi)存、2路RJ45網(wǎng)口、用于觸控反饋收集的RS232和RS422串行、64位Windows 7操作系統(tǒng)以及Delphi開發(fā)軟件等，控制流程如圖7所示。

主控測試軟件具備以下功能：1）校準模塊。使觸控測試系統(tǒng)的測試范圍與觸控屏的報告坐標范圍相匹配。2）機械臂控制模塊。觸控測試系統(tǒng)將根據(jù)被測試的觸控顯示器的面板尺寸擬合測試控制坐標網(wǎng)點P（m，n），將網(wǎng)點的坐標數(shù)據(jù)解析為控制位移指令，通過網(wǎng)口發(fā)送給機械臂控制系統(tǒng)，控制機械臂運動至擬合坐標點位。3）物理坐標模塊。接收網(wǎng)口反饋的機械臂的當前坐標數(shù)據(jù)，并將其解析為物理坐標數(shù)據(jù)，告知觸控測試系統(tǒng)觸頭的當前坐標位置。4）觸控報告坐標模塊。接收被測試的觸控顯示器通信端口報告的觸控坐標位置，將其解析為報告坐標數(shù)據(jù)并反饋給觸控測試系統(tǒng)。5）數(shù)據(jù)處理模塊。分析測試結果，根據(jù)公式計算目標坐標與平均報告坐標數(shù)據(jù)的偏差量，從而得到觸控精準度。

硬件：主控計算機工控機（IPC-610MB-30LDE）。主機根據(jù)測試時機要求，利用Delphi開發(fā)工具的串口控件（SPComm）實現(xiàn)串口讀取測試時觸控顯示器反饋的觸控坐標數(shù)據(jù)的功能。

2 測試

為了保證測試機構的精度要求，采用高精度激光跟蹤儀對用于機械臂（ER3B-C10）的觸控探頭的最大移動范圍（600 mm×400 mm）進行監(jiān)測，從而驗證觸控實際坐標精度和重復偏差度。

機械臂帶動觸控探頭的最大移動軌跡（圖8），重復逆時針采集（5次）觸控探頭的坐標精度誤差和重復誤差。

測得最大重復誤差和最大精度誤差見表1，最大重復誤差為0.026 mm，最大精度誤差為0.173 mm，可以判斷該機械臂坐標系統(tǒng)精度滿足做為觸控測試的精度要求，可以評測觸控顯示器的觸摸精準度。

表1 對機械機構誤差測量結果

3 結果與分析

根據(jù)觸控顯示器技術要求，給機械臂安裝?5 mm（近似手指觸控面積）的觸控探頭，該觸控精準度測試系統(tǒng)對SENSOR-15.4型觸控顯示器精準度進行測試，把顯示的前面板按水平和垂直方向尺寸分別擬合成9×9平均網(wǎng)點，設定每個擬合網(wǎng)點觸控5 次，系統(tǒng)坐標反饋測試坐標結果。經(jīng)過重復5 次測試并綜合觸控精準度偏差計算，結果見表2。

測試對該型號觸控顯示器的觸控精準度，對每個擬合點進行5次觸控測試，經(jīng)過計算可以得知被測觸控顯示器樣品的觸控精準度最大值為3.274 mm，滿足不大于4 mm的要求。精準度測量的偏離度為1.7%，可以滿足觸控位置精準度小于2%的客觀評估要求。

4 結論

對交互式觸控顯示器的觸控精準度測試系統(tǒng)進行測試和驗證，證明了該系統(tǒng)可以用于觸控精準度測量，其克服了檢測人員無法手動對觸控產(chǎn)品手動進行重復精準測控、測試數(shù)據(jù)量大、分析容易出錯以及無法量化觸控精準測試結果等主觀問題。該測試系統(tǒng)是控制機械臂帶動觸摸探頭與觸控顯示器進行交互仿真的，實現(xiàn)了精準度檢測的功能，可以完全替代人工測量，還可以準確地對觸控顯示器的觸摸精準度指標進行評價。