Multitouch Displays mit Infrarot

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Auswertung der Rohdaten durch Multitouch-Hardware

Damit sind die Randbedingungen bestimmt, um die Geschwindigkeitsanforderungen an die Multitouch-Hardware berechnen zu können. Für jeden der 282 Sender fällt je Empfänger ein Informationsbit an, welches zur Auswertung an einen Rechner übertragen werden muss. Insgesamt sind es also für unser 82-Zoll-Beispiel 282 Bit * 282 Bit = 79.524 Bit, die für 50 Hz Abtastrate alle 20 ms anfallen. Das ergibt eine Rohdatenrate von 79.524 Bit * 50 Hz = 3.976.200 Bit/s ~ 3,8 MBit/s.

Für die einzelne Lichtschranke bedeutet das, dass sie innerhalb von 20 ms / 282 = 70 µs eingeschwungen und ausgewertet sein muss. Um eine zuverlässige, jitterfreie Auswertung zu ermöglichen, muss dabei mit möglichst großer Präzision vorgegangen werden. Außerdem gibt es noch weitere Bedingungen, die das Design eines Multi-Touches für große Displays zwischen 24- und 82 Zoll zur Herausforderung werden lassen. Dabei soll der Touch möglichst unauffällig auf einen bestehenden Monitor gesetzt werden können. Der Touch selbst muss also klein sein, um auch bei platzkritischen Verhältnissen optimal integriert werden zu können. Gleichzeitig darf die Lösung nicht zu teuer werden, denn selbst Displays in dieser Größe sind inzwischen in hoher Qualität zu relativ niedrigen Preisen verfügbar. Citrons Lösung liegt im modularen Aufbau des Multi-Touches. Die Basisfunktionalität wird in einem sogenannten Scan-Modul zusammengefasst (Bild 2).

Geeignete Ansteuerung des Scan-Moduls mit programmierbarer Logik

Je nach Displaygröße wird eine unterschiedliche Zahl dieser Module rund um den Bildschirm angeordnet. Ein Interface-Modul übernimmt die Ablaufsteuerung und die Koordinierung der Datenübertragung zum Rechner. Dort erfolgt die Auswertung und das Tracking der Berührungspunkte (Bild 3). Zusammengefasst muss das Scan-Modul kompakt, schnell und präzise, einfach und zuverlässig zu fertigen und preiswert sein.

Mit dieser Anforderungsliste begann die Suche nach einer geeigneten Hardware für die Steuerung des Scan-Moduls. Nach ersten Versuchen mit Mikrocontrollern war schnell klar, dass die Umsetzung der Ablaufsteuerung damit zwar einfach und schnell zu realisieren war, dass aber andererseits die Controller entweder zu langsam, das Gehäuse zu groß, oder der Baustein zu teuer war. Allerdings hat Citron bereits seit vielen Jahren Erfahrung im Design programmierbarer Logik, so dass hier noch eine weitere Realisierungsmöglichkeit zur Verfügung stand. Im einfachsten Fall müssen auf dem Scan-Modul nur drei 8-Bit-Schieberegister realisiert werden. Das ließe sich noch problemlos mit billigen TTL-Gatter oder ein einfaches CPLD lösen.

Diese Schieberegister werden im Touch durch die Verkettung der Module zu einem bis zu 40*8 Bit = 320-Bit-Schieberegister zusammengeschaltet. Die physikalischen Ausmaße dieses Schieberegisters sind allerdings mit rund 5,6 m beim 82-Zoll-Modell für Elektronikbausteine sehr groß. Entsprechend sorgfältig muss die Übertragungsmimik der Daten und Takte ausgelegt werden. Hier empfiehlt sich der Einsatz von differentiellen Signalisierungstechniken wie LVDS. Damit es aber noch steckbar und damit modular bleibt, darf die Anzahl der elektrischen Signale nicht zu groß werden. Daher werden auf den Scan-Modulen die Schieberegister durch Multiplexer auf einen Ein- oder Ausgang zusammengeschaltet. Welche Schieberegister gerade geladen oder geschoben werden, steuert ein Controller (Bild 4)

Citron-Multitouch-Scan-Modul: Komplexe Multitouch- Logik mit wenig I/Os im kleinen Gehäuse

Damit überschreitet die erforderliche Logik die Kapazität einfacher CPLDs. Komplexere Bausteine besitzen aber immer auch eine entsprechend größere Anzahl I/Os und sind daher in entsprechend großen Gehäusen verpackt. Benötigt wurde eine komplexe Logik mit wenig I/Os in einem kleinen Gehäuse. Hier kommen nun die Actel FPGAs der ProASIC3 nano Reihe, die über MSC bezogen wurden, ins Spiel. Diese Bausteine sind ausreichend komplex, um die beschriebene Logik aufnehmen zu können. Sie sind in kleine, einfach zu verarbeitende Gehäuse gepackt und sie sind preiswert. Alles zusammen ließ sie zum idealen Baustein für die zentrale Steuerung des Citron-Multitouch-Scan-Moduls werden.

Das interne 1k ROM jedes Bausteins eignet sich, um modulspezifische Informationen wie Seriennummer und Version aufzunehmen. Damit ist eine sichere und eindeutige Identifizierung jedes einzelnen Scan-Moduls sowohl im Prüffeld als auch im fertigen Gerät jederzeit möglich. Insbesondere Medizinapplikationen profitieren von der daher möglichen Rückverfolgbarkeit der Multi-Touche und ihrer Komponenten.

Selbst im kleinsten Vertreter der Actel ProASIC3 nano-Familie, dem A3PN010, war nach Implementierung der Basisfunktionen noch genügend Kapazität vorhanden, um einen Controller für einen redundanten Datenpfad einrichten zu können (D_IN2 und D_OUT2 in Bild 4). Damit bleibt selbst bei einem völligen elektrischen Ausfall eines Moduls die Funktion des Gesamtgerätes erhalten. Ein unschätzbarer Vorteil überall dort, wo es auf hohe Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit ankommt.

Wichtiges Kriterium war die Langzeitverfügbarkeit der Actel-Bausteine. Nur der größere Baustein A3PN030 war in ausreichenden Stückzahlen verfügbar. Der A3PN010 wäre zwar ausreichend gewesen, sollte aber erst später auf den Markt gebracht werden. Dank der kompatiblen Gehäuse war es jedoch kein Problem, auf derselben Leiterplatte zuerst den A3PN030 zu verbauen und später auf den preiswerteren A3PN010 umzustellen. Ansonsten hätte sich die Auslieferung der ersten dreaMTouche empfindlich nach hinten verschoben. Auch hier hat sich Actel und dessen Distributor MSC wieder als exzellenter Partner für Citron erwiesen.

Inzwischen ist sowohl die Actel ProASIC3 nano-, als auch die Citron dreaMTouch-Familie gewachsen. Mittlerweile sind die Infrarot-Multi-Touche in den Größen 24-, 32-, 46- und 65 Zoll verfügbar.

* *Thomas Thanner ist Leiter der Systementwicklung bei Citron in Augsburg. Volker Schäfer ist Produktmanager Actel und Ina Susanne Rao ist Diplom-Technikredakteurin bei MSC in Stutensee.

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