Сенсорные панели NORITAKE для жестких условий эксплуатации

Продукция Noritake традиционно обеспечивает отличные технические параметры с гарантированным качеством и надежностью, поэтому высоко ценится разработчиками по всему миру. Компания постоянно расширяет номенклатуру своей продукции, стремясь удовлетворять запросы потребителей, эксплуатирующих продукцию в жестких условиях применения. Одним из таких, сравнительно новых направлений компании является сектор сенсорных емкостных панелей, а также интегральных дисплейных VFD-модулей c сенсорной панелью. Об этой продукции и пойдет речь в статье.

Существует немало приложений, в которых необходимо использовать технологическое оборудование или аппаратуру для работы в сложных условиях, характеризующихся следующими факторами:

• расширенный диапазон рабочих температур;
• наличие атмосферы с агрессивными газами, аэрозолями, соляным туманом;
• сильная запыленность и т. п.

В этом случае необходимо тщательно защищать от действия агрессивных факторов и персонал, и оборудование. Обычно, когда в соответствии с требованиями техники безопасности или климатическими условиями (сильный мороз) операторы работают в защитных перчатках, необходимо обеспечивать управление оборудованием таким образом, чтобы специалисты могли трудиться, не снимая перчаток (рукавиц). Использование механических переключателей или кнопок в этом случае сильно затруднено и дает низкую надежность и ресурс.

В современном оборудовании, предназначенном для эксплуатации в жестких условиях, в последнее время используется интерфейс сенсорных панелей. Новые сенсорные технологии, разработанные ведущими производителями, обеспечивают интерфейс человек-машина для операторов, работающих в перчатках из любого материала. Практически во всех сенсорных интерфейсах подобного типа применяется технология емкостных сенсорных панелей.

Компания Noritake Itron разработала несколько базовых сенсорных технологий для таких приложений, которые и реализованы в ключевых продуктах компании:

• емкостные сенсорные панели управления NORITAKE серии Touch Swith;
• металлизированные емкостные сенсорные панели серии MPCT;
• интегральные дисплейные VFD-модули c сенсорной панелью MPCT.

Эти продукты и будут последовательно рассмотрены ниже.

История компании Noritake Itron

Noritake выросла из торговой компании, которая была первоначально организована братьями Моримура в Нью-Йорке в 1876 году. Эта торговая компания импортировала фарфоровую посуду, сувениры, бумажные фонари и другие изделия. Компания Noritake была основана в 1904 году. Предшественник компании Noritake был основан в одноименной деревне — маленьком предместье города Нагоя в Японии. Цель первой фабрики состояла в том, чтобы создать фарфор для столовой посуды, подходящий для экспорта. Сегодня Noritake является признанным лидером в производстве фарфоровой посуды для сервировки стола. Предприятие имеет фабрики и филиалы во всем мире. Посуда Noritake продается клиентам более чем в 100 странах и используется в гостиницах, ресторанах и авиалиниях по всему миру.

Подразделение Noritake Itron (www.noritake-itron.com) было выделено в 1966 году в самостоятельную компанию, специализирующуюся на производстве средств отображения информации на базе технологии вакуумно-люминесцентных индикаторов. Технологию производства вакуумно-люминесцентных индикаторов разработал сотрудник компании Noritake Itron доктор Тадаши Накамура.

Преимущества индикаторов и графических модулей, изготовленных по вакуумно-люминесцентной технологии, по сравнению с жидкокристаллическими индикаторами определяют следующие технические характеристики:

• малое время отклика: 2 мкс;
• широкий рабочий температурный диапазон: –40…+85 °C (есть исполнения с максимальной рабочей температурой +105 °C);
• низкая деградация яркости за 100 000 ч работы;
• наработка на отказ MTBF: более 1 000 000 ч;
• вибро- и ударостойкость.

Компания выпускает также TFT ЖК графические модули, индикаторные OLED-модули, а также сенсорные панели на базе емкостных технологий для использования в жестких условиях эксплуатации.

Изделия Noritake Itron нашли применение в самых разнообразных сферах: военной технике, авиации, медицине, транспорте, промышленности, общественной безопасности.

Сенсорная технология Touch Switch

В технологии реализован самый простой емкостный способ чувствительности прикосновений руки оператора к сенсорной площадке. На рис. 1 показан принцип работы данной сенсорной технологии. Тело оператора образует с проводящей пластиной сенсорной площадки (Touch Switch) конденсатор. Диэлектриком конденсатора является пластина толстого защитного стекла. В качестве оптического сигнала для обратной связи с оператором используется светодиодный встроенный индикатор. Переключатель замкнут (состояние On) — светодиод горит, и наоборот. Переключатель может работать в триггерном режиме. Каждое прикосновение изменяет состояние переключателя на противоположное. Сигнал состояния кнопки передается контроллером сенсорных кнопок в систему приема команд устройства.

Рис. 1. Принцип работы сенсорных емкостных кнопок Touch Switch

На рис. 2 показана структура модуля сенсорных кнопок Touch Switch.

Рис. 2. Структура интегрального модуля сенсорных емкостных кнопок Touch Switch

Принцип работы понятен из рисунка. Контроллер обеспечивает сканирование емкостей сенсорных полей и определяет изменение емкости конденсаторов как факт прикосновения. Сигнал команды передается по интерфейсу в управляемое устройство. Для сообщения оператору о факте срабатывания кнопки зажигается сигнальный светодиод под полем соответствующей кнопки.

При сканировании используется задающий генератор. Изменение емкости вызывает отклонение частоты, которая измеряется контроллером.

Это самая простая и очень надежная технология, нашедшая широкое применение во многих устройствах и приборах. Стекло устойчиво к действию агрессивных средств (растворы, газы, загрязнения), легко моется и обеспечивает защиту при грубом или неосторожном действии оператора (рис. 3).

Рис. 3. Заказной модуль сенсорных кнопок по емкостной технологии Touch Switch

Соединение с управляющим устройством выполняется через FPC гибкий печатный шлейф.

Сенсорные панели стандартных размеров Touch Switch c массивами сенсорных кнопок

В большинстве случаев разработка сенсорных емкостных кнопок с произвольными размерами может обходиться заказчику довольно дорого, и он предпочтет использовать сенсорные панели стандартных размеров с наборами заказных кнопок. Нужный рисунок на стекле сенсорных полей кнопок определяет сам клиент. Noritake Itron производит три типа стандартных размеров сенсорных кнопок Touch Switch: A, B и C.

Заказные сенсорные панели Noritake

Размер, число кнопок и тип интерфейса могут быть определены заказчиком. Типы интерфейсов: открытый коллектор, управление светодиодом, асинхронный последовательный интерфейс (команды и статус кнопки). Типовые размеры для заказа: А, В, С (рис. 4).

Рис. 4. Общий вид сенсорных модулей стандартных типов

Размеры печатных плат модулей и размеры сенсорных панелей:

• тип А: печатная плата 112×51 мм, размер панели 98×49 мм;
• тип В: печатная плата 112×64 мм, размер панели 98×63 мм;
• тип С: печатная плата 154×51 мм, размер панели 152×36,7 мм.

На рис. 5 показана реализация сенсорных кнопок с нанесенным по заказу пользователя рисунком по защитному стеклу.

Рис. 5. Варианты реализации сенсорных панелей по технологии Touch Switch

Проекционно-емкостная сенсорная технология Projected Capacitive Touch (PCT)

Название технологии — проекционно-емкостная — не совсем точно отражает ее суть. Скорее всего, это связано с выбором подходящей аббревиатуры при патентовании. Название лишь акцентирует тот факт, что ее сенсорная структура незаметна для глаза. Реально это сетчатая структура. Используется микропроволочная координатная сетка с шагом 250 мкм и толщиной проволочек всего 10 мкм. Очевидно, что при такой апертуре сама структура сетки практически не видна. А вот сплошная, хотя и практически прозрачная пленка ITO (In₂O₃) имеет коэффициент пропускания вместе со стеклом менее 85%. В настоящее время технологию Projected Capacitive Touch использует ряд компаний, производящих индикаторы и дисплейные панели с сенсорными экранами, в том числе Noritake Itron.

Эта технология сенсорного ввода обеспечивает большую по сравнению с поверхностно-емкостной технологией чувствительность, точность и линейность, что позволяет расширить область применения сенсорных панелей. В частности, большая чувствительность и точность проекционно-емкостных панелей позволяет установить перед фронтальной поверхностью сенсорной панели дополнительное защитное антивандальное стекло и при этом полностью сохранить функциональность устройства. Ни одна другая сенсорная технология в настоящее время не позволяет это сделать.

Сенсорный экран представляет собой триплексную структуру, состоящую из двух стеклянных тонких подложек из незакаленного стекла и ламинированного между ними слоя сетки тонкопленочных медных проводников. Ширина проводников 10 мкм, шаг сетки 250 мкм. Общая толщина триплекса 3 мм. С фронтальной стороны триплекса нанесена антибликовая пленка. Сетка проводников является системой датчиков (антенной), которые через гибкий шлейф присоединяются к плате управляющего контроллера. Плата контроллера осуществляет сканирование сеточной емкостной структуры, обнаруживает касание поверхности, определяет координаты точки касания, конвертирует их в цифровые значения и передает их через интерфейсы RS‑232 или USB в хост-контроллер. Прикосновение пальца оператора к лицевой стороне стекла вызывает изменение емкости системы проволочных проводников, которое фиксируется управляющим контроллером, а координаты передаются в материнскую плату. Хост реализует визуальную обратную связь, перемещая изображение курсора на дисплее в точку касания. Проекционно-емкостные экраны не имеют дрейфа калибровки и калибруются только один раз при установке на дисплей.

Технология MPCT (Metallised Projective Capacitive Touch) сенсорных панелей компании Noritake

Традиционно в качестве материала для сетки электродов используется медная или серебряная пленка. Для сетки Noritake используется проводящий материал с черной поверхностью, которая гарантирует отсутствие паразитного отражения света. Технология предусматривает рабочий ресурс электродов более 100 лет.

Конструкция сенсорной панели позволяет значительно облегчить условия ее эксплуатации и сопряжение с дисплеем. Например, использовать пластиковые защитные фронтальные экраны. Проекционная емкостная технология обеспечивает достаточную чувствительность при применении защитных экранов из стекла толщиной до 8 мм или пластика толщиной до 4 мм.

Необязательно давить на сенсорную поверхность. Чувствительность обеспечивает факт выбора сенсорной площадки легким касанием поверхности и при малой толщине защитного материала, на расстоянии нескольких миллиметров в проекции сенсорной кнопки.

Испытания показали уверенное срабатывание кнопок через акриловый защитный экран в перчатках из любого материала: латекса, нейлона, резины, кожи, хлопчатобумажной ткани.

Сенсорные панели не требуют оптического сопряжения с поверхностью используемого дисплея (optical bonding). Допускается воздушный зазор до 0,5 мм, не нарушающий условия работы и оптические свойства системы «панель-дисплей».

Загрязнения с экрана удаляются обычной водой: надо просто его ополоснуть и наклонить устройство, чтобы вода могла стечь.

Компания Noritake производит MPCT сенсорные панели трех стандартных размеров: 4,3, 5,7 и 7″. На рис. 6 показаны топологии сенсорных экранов.

Рис. 6. Топология стандартных сенсорных панелей MPCT

Сенсорные панели имеют соединительные FPC печатные шлейфы.

Контроллер сенсорной мультитач-панели PCT

Контроллер обеспечивает сканирование рабочего поля сенсорной емкостной панели по технологии PCT, определение координат точек касания, программную фильтрацию ложных сигналов помех и передачу сигналов в управляющий процессор исполнительного устройства. Контроллер имеет следующие характеристики:

• размер платы: 33×26×2,8 мм;
• интерфейс: Async/I²C (на выбор);
• питание: 3,3–5 В.

Предусмотрен встроенный алгоритм фильтрации шума и выделения координат касания. Поддерживается чувствительность для работы в перчатках. На рис. 7 показан общий вид платы контроллера сенсорной мультитач-панели PCT.

Рис. 7. Плата контроллера для сенсорных панелей MPCT

Области применения MCPT сенсорных панелей Noritake Itron (рис. 8):

• пищевая промышленность;
• нефтегазовая промышленность;
• фармакологическое производство;
• торговые терминалы;
• терминалы продажи билетов;
• транспорт;
• оборудование для морского транспорта;
• автоматизация зданий;
• кухонные приборы;
• приборы пожарной безопасности;
• охранная сигнализация;
• управление энергетическими установками.

Рис. 8. Сенсорная панель с тактильными полями для работы в перчатках

Модули катодолюминесцентных дисплеев серии GU-D с емкостной сенсорной панелью

Оптимальным интегральным решением для приложений, в которых требуется расширенный графический интерфейс пользователя, является применение модулей серии GU-D Noritake Itron. На рис. 9 показан общий вид графического VFD-модуля серии GU-D с сенсорной панелью.

Рис. 9. Общий вид графического VFD-модуля серии GU-D с сенсорной панелью

Основные достоинства модулей GU-D:

• широкий диапазон рабочих температур: –40…+85 °C;
• широкий угол обзора: практически 170°;
• высокий относительный контраст обеспечивает считывание информации при ярком внешнем освещении (ярком солнечном свете);
• высокая надежность;
• высокий ресурс работы.

Основные функции:

• отображение символьной информации;
• отображение графической информации;
• командный интерфейс через сенсорную панель;
• режим рисования;
• назначение пользовательских окон;
• загрузка пользовательского знакогенератора;
• программирование полей сенсорных кнопок;
• интерфейс программирования макрокоманд;
• подстройка чувствительности сенсорной панели;
• порты ввода/вывода.

На рис. 10 приведена структурная схема дисплея серии GU-D.

Рис. 10. Структура дисплейного VFD-модуля серии GU-D c сенсорной панелью

Особенности технологии сенсорной панели в модулях GU-D

Использование металлической прозрачной пленки в сенсорных панелях по технологии РCT обеспечивает высокую чувствительность и низкий уровень шумов. Это гарантирует высокую избирательность и надежность срабатывания при работе через толстое защитное стекло, а также при работе оператора в перчатках. На рис. 11 показано сравнение уровней рабочих сигналов для сенсорных панелей по стандартной технологии (с пленкой ITO) и по технологии Noritake с металлической пленкой.

Рис. 11. Чувствительность сенсорной панели с металлической пленкой гораздо выше по сравнению с технологией на базе пленки ITO

Командный интерфейс через сенсорную панель

На рис. 12 показан принцип командного управления посредством интерфейса массива сенсорных кнопок. На индикаторе высвечиваются номера программных переключателей SW1–SW16. Прикосновение пальца оператора к выбранному полю вызывает срабатывание переключателя, например SW05 (рис. 13, 14).

Рис. 12. Принцип работы с сенсорными массивами программных командных кнопок для управления переключателями оборудования

Рис. 13. Графический VFD-модуль GR128x64F-B900 с сенсорной панелью обеспечивает и работу со стилусом

Рис. 14. Работа в режиме виртуальной клавиатуры