Touchscreen versus knopinterfaceontwerp:capacitieve en resistieve touchscreens en haptiek

Leer over enkele van de belangrijkste basisprincipes om te begrijpen hoe interfacetechnologieën zijn geëvolueerd.

In een podcast All About Circuits/Moore's Lobby getiteld Episode 10:NASA Astronaut Matthew Dominick on Critical Engineering in Aerospace Technology, was een van de vele onderwerpen die Dave Finch en astronaut Matthew Dominick aan de orde stelden:Waarom is het ontwerp van een touchscreen versus een knopinterface zo ongelooflijk? belangrijk in de cockpit van een straaljager?

Deze vraag zal in de volgende discussie in historisch en technisch detail worden beantwoord. In dit artikel zullen we ons concentreren op de volgende concepten:

• Mechanische knop/toetsenbordinterfaces
• Touchscreens (resistief en capacitief)
• Haptische feedback (specifiek trillende haptiek)

Dit geeft ons de conceptuele basisinformatie die we nodig hebben om het belang van beeldschermtechnologie in ruimtevaarttoepassingen beter te begrijpen.

Mechanische knop/toetsenbordinterfaces

Dit type legacy gebruikersinterface biedt een tactiele reactie aan de gebruiker die de vorm kan hebben van een mechanische reactie. Dit soort toetsenborden zijn beter geschikt voor gebruikers die handschoenen dragen. Fysieke toetsenborden zijn meestal nauwkeuriger omdat de toetsen meer van elkaar zijn geïsoleerd dan de meeste touchscreens; dit helpt fouten bij het activeren van aangrenzende toetsen te voorkomen.

Mechanische toetsenbordsystemen zijn minder duur dan touchscreens en zijn doorgaans lichter (meestal slechts een paar gram) vanwege minder technologie die op het scherm hoeft te zitten in vergelijking met een touchscreen.

Touchscreen-technologieën

Aanraakschermen kunnen een gecreëerd mechanisch gevoel geven, oplichten of een geluid produceren wanneer ze worden ingedrukt, maar tijdens het achtereenvolgens typen of indrukken van deze toetsen, kunnen gebruikers per ongeluk aangrenzende toetsen veel gemakkelijker aanraken dan bij een mechanisch toetsenbord. Touchscreens zijn meestal vlak en hebben geen echte barrières tussen aangrenzende toetsen, zoals bij een mechanisch toetsenbord.

Hun voordeel ten opzichte van een mechanisch toetsenbord is hun grotere betrouwbaarheid in vuile of ruwe omgevingen. Sommige mechanische toetsenborden hebben een constructie met een flexibel membraan dat de toetsen beschermt en dit soort betrouwbaarheidsproblemen voorkomt door vuil en vuil buiten te houden.

Hun voornaamste nadeel is dat ze meer op macht belust zijn; dit zal nadelig zijn in een batterijgevoed systeem. Bovendien kunnen ze problemen hebben met het zien van direct licht.

Twee van de meest populaire soorten touchscreens zijn resistief en capacitief.

Resistief touchscreen

Deze architectuur vereist twee heldere geleidende lagen (glas- of acrylsubstraat en een polyester bovenblad) gescheiden door isolerende stippen. Wanneer een vinger de bovenste laag aanraakt, veroorzaakt dit contact tussen de twee lagen. De aanraking wordt gevolgd door eerst een spanningsgradiënt aan te brengen op de lagen achtereenvolgens langs een X- en Y-as (waarbij de tegenoverliggende laag wordt gebruikt als een spanningssonde). Een controller bepaalt de X- en Y-positie van het contact op basis van welk spanningsniveau wordt gerapporteerd door de getaste laag.

Figuur 1. Een resistieve touchscreen-constructie. Afbeelding gebruikt met dank aan Wilson Hurd

Dit soort ontwerp is goedkoop en er wordt weinig stroom verbruikt. Het is ondoordringbaar voor vloeistoffen. Het kan af en toe gekalibreerd moeten worden en is vatbaarder voor beschadiging en slijtage.

Capacitief touchscreen

Vergelijk het bovenstaande resistieve touchscreen-concept met een capacitief touchscreen. In dit ontwerp wordt de spanning toegepast op de hoeken van het scherm. Elektroden rond de rand van het scherm creëren een elektrisch veld over het geleidende oppervlak, waardoor een vinger op het scherm kan worden gevolgd door de capaciteitsverandering te meten die wordt veroorzaakt door de trekstroom van het geleidende oppervlak van de vinger.

Figuur 2. Een capacitieve touchscreen constructie. Afbeelding gebruikt met dank aan Wilson Hurd

Dit type ontwerp maakt gebruik van een massief glazen paneel met uitstekende optische prestaties, geen mechanische beweging met een hoog uithoudingsvermogen en heeft multi-touch- en gebarenmogelijkheden. Gebruikers kunnen hun blote vinger, handschoenen of een actieve stylus gebruiken. De architectuur is bestand tegen extreme omgevingen, is zeer nauwkeurig, maar gevoelig voor EMI.

Voor een meer diepgaande blik op dit concept, bekijk Robert Keim's intro over capacitieve aanraakdetectie.

Haptische feedback

Haptische feedback is een ander middel voor bidirectionele communicatie tussen mensen en computers en omvat sensorische feedback om de gebruikerservaring te verbeteren. Aanraking, zicht en geluid zullen de gebruikersinterface verbeteren en de gebruiker het vertrouwen en de bevestiging geven dat de touchscreen-knop is ingedrukt. Fysieke feedback is essentieel voor de betrouwbaarheid in situaties zoals in militaire jachtvliegtuigen waar de piloot voortdurend visueel de omgeving moet scannen.

Vibrerende haptiek

Een manier om een ​​gebruiker het vertrouwen te geven dat de knop die ze aanraken daadwerkelijk de gewenste reactie activeert, is met haptiek. Het haptische effect kan via staande golfgeneratoren en druksensoren worden gesuperponeerd op een conventioneel aanraakscherm; wanneer er een aanraking is, is er een gegenereerde geluidsgolf die de gebruiker het gevoel geeft op een knop te drukken en een positieve feedback te ontvangen op een conventioneel toetsenbord. Dit is vooral van cruciaal belang in militaire jachtvliegtuigen en kan de systemen van ruimtevaartuigen verbeteren.

Figuur 3. De basisarchitectuur voor een vibrerend haptisch systeem in een touchscreen. Afbeelding gebruikt met dank aan Catelani, Ciani, Barile en Liberatori via IEEE Xplore

In het volgende artikel zullen we het hebben over hoe deze technologieën zijn toegepast vanaf de PalmPilot op het scherm in de F-18 Super Hornet, die Matthew Dominick besprak in de Moore's Lobby-aflevering.