Touch-Bediensysteme verdrängen rein mechanische Eingabesysteme

Touchsysteme Touch-Bediensysteme verdrängen rein mechanische Eingabesysteme

26.04.2011Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Eingabesysteme verlagern sich zunehmend von rein mechanischen Bauteilen hin zu Berührungssteuerungen. Hier konnten sich drei Systeme etablieren: kapazitiv, induktiv und resistiv.

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Renesas R8C: Die 8 Bit Mikrocontrollerfamilie R8C/33T von Renesas verfügt über eine spezielle on-Chip Hardware und eine Sensor Control Unit zur kapazitiven Touch-Erkennung, mit denen bis zu 18 einzelne Elektroden detektiert werden können.

Kaum ein elektronisches Gerät kommt ohne Bedienelemente aus. Doch Taster und Schieberegler erfuhren in den letzten Jahren einen starken Wandel, weg von mechanischen Bauteilen hin zu Berührungssteuerungen. Durch die technische Entwicklung können nun individuell gestaltete Bedienoberflächen preisgünstig hergestellt werden. Da keine mechanischen Elemente mehr benötigt werden, kann das Gehäuse stabil und verschleißfrei entworfen werden. Durch die einheitliche Oberfläche, ist es zudem leicht zu reinigen.

Fand man Touch-Technik früher nur als Touchscreens auf Computermonitoren, so dringt sie immer mehr auch in Bereiche der Gerätesteuerungen vor. Jedoch anders als bei den Touchscreens geht es bei der Berührungssteuerung mit Mikrocontroller meist um den Ersatz von Tastern, Rädern und Schiebereglern, also eine deutlich kleinere Fläche mit weniger Detektionspunkten. Die Vorteile gegenüber den mechanischen Bauteilen liegen auf der Hand: Die neuen Bedienelemente sind widerstandsfähiger gegen Umwelteinflüsse, besitzen keine mechanischen Bauteile, die verschleißen, und können platzsparend integriert werden. Viele Hersteller von Mikrocontroller haben diesen Trend erkannt und bieten spezielle Lösungen an.

Die drei wichtigsten Prinzipien der Berührungssteuerung

Die Bezeichnung „Berührungssteuerung“ ist ein Überbegriff, Berührungen können auf vielfältige Art erkannt werden. Für eingebettete Systeme haben sich folgende Prinzipien etabliert: kapazitiv, induktiv und resistiv. Jede von ihnen hat ihre eigenen Vor- und Nachteile.

Kapazitiver Toch: Ein elektrisches Feld wird durch einen Finger oder einen leitenden Gegenstand verändert. Sensoren erkennen, wo die Berührung stattfindet.

Das wohl häufigste Prinzip ist die kapazitive Berührungssteuerung. Der Sensor besteht aus einer Elektrode, die als Kupferfläche auf der Leiterplatte aufgebracht ist. Es ist weit verbreitet, da es einfach und kostengünstig zu realisieren ist. Vor allem im Lebensmittelbereich und bei medizinischen Anwendungen erfordert die Hygiene möglichst leicht zu reinigende, geschlossene Bedienoberflächen. Mit kapazitiven Berührungssensoren lassen sich Bedienelemente wie Knöpfe, Schieberegler und Räder aufbauen.

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Drei wichtige Touch-Techniken im Überblick

Auf dem Markt konnten sich drei Systeme durchsetzen: kapazitiv, induktiv und resistiv. Am bekanntesten ist die kapazitive Berührmethode, die vor allem in mobilen Endgeräten verwendet wird, wie beispielsweise dem iPhone oder den Smartphones. Die Berührung erfolgt mit dem Finger. Hintergrund: Die Seiten des Touchscreens sind mit Streifen beschichtet, die um jeweils 90° gedreht sind. Auf diese Streifen wird ein elektrischer Strom gelegt. Die Kreuzungspunkte funktionieren ähnlich wie ein Kondensator und erzeugen ein elektrisches Feld. Durch die Berührung ändert sich das elektrische Feld, da die menschliche Haut ebenfalls Strom leitet. Die exakten Koordinaten lassen sich durch die Feldänderung bestimmen und somit die Position des Fingers.

Das ältere Verfahren ist der resistive Touch. Hier spielen Folien eine entscheidende Rolle, die sich aber nicht berühren. Da die Folien unter Spannung stehen, überträgt sich diese beim Berühren auf die darunter liegende Folie. Anhand der weitergeleiteten Spannung kann wieder die Koordinate ermittelt werden.

Bei der induktiven Berührerkennung wird ein Schwingkreis verändert. Das kann im ein- bis zweistelligen Mikrometer-Bereich sein. Allerdings wird hier ein speziell gefertigter Stift benötigt, um das Display steuern zu können.

Die Funktionsweise basiert darauf, dass der berührende Finger die Kapazität des Kondensators verändert. Die Messverfahren lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen:

Ladungstransfer: Zwei Kondensatoren, ein unbekannter Elektroden- und ein „Eimerkondensator“ werden mit bekannten Werten geladen. Bei der anschließenden Parallelschaltung fließt ein Teil der Ladung des Eimers in den Elektrodenkondensator. Aus der danach gemessenen Spannung über den Kondensatoren, lässt sich auf die Kapazität des Elektrodenkondensators schließen. Alternativ kann das Laden und Umfüllen des Eimerkondensators in den Elektrodenkondensator so lange wiederholt werden, bis die Spannung über dem Elektrodenkondensator einen bestimmten Pegel überschreitet. In diesem Fall ist die Anzahl der Umladungen das Maß für die Kapazität des Elektrodenkondensators.

RC-Schwingkreis: Eine Betätigung verändert die kapazitive Komponente eines Schwingkreises oder Zeitglieds. Durch die Ermittlung der Schwingfrequenz oder durch wiederholtes Anregen des Schwingkreises werden Ein-/Ausschwingvorgänge angestoßen, ausgemessen und aus dem Messergebnis auf die Betätigung des Bedienelements geschlossen.

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