Touch-Bediensysteme verdrängen rein mechanische Eingabesysteme

Anbieter zum Thema

ACTRON AG

Keysight Technologies Deutschland GmbH

SCHURTER AG

Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH

Kapazitive, induktive und resistive Berührsteuerungen

Beim Entwurf kapazitiver Berührungssteuerungen gilt es besonders auf die EMV-Festigkeit der Schaltung zu achten. Die Messeingänge bleiben praktisch offen, was gegen die Beschaltungsempfehlungen vieler gängiger Mikrocontroller verstößt. Die Detektion wird durch wechselnde Umwelteinflüsse wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit erschwert. Auch Wasser hat einen erheblichen Einfluss auf die Berührerkennung.

Diese Nachteile können jedoch durch einen angepassten Hardwareaufbau und entsprechende Software vermindert werden. Nichts ändern lässt sich an der Tatsache, dass die Bedienoberfläche ausschließlich mit Fingern oder speziellen Stiften betätigt werden.

Die induktive Berührerkennung nutzt minimale mechanische Bewegung induktiver Komponenten. Die Bewegung verändert einen Schwingkreis. Dies kann schon im ein- bis zweistelligen Mikrometer-Bereich erkannt werden. Derartige Lösungen werden vorrangig im Industriebereich eingesetzt, da sie sehr robust sind.

Durch die reversible mechanische Verformung der Berührungsfläche wird eine taktile Rückmeldung ermöglicht (Knackfrosch) und versehentliches Schalten nahezu ausgeschlossen. Zwar sind induktive Berührsensoren ebenfalls von Umwelteinflüssen betroffen, jedoch gegenüber dem kapazitiven Prinzip sind diese wesentlich geringer. Zudem kann der Taster mit einem Handschuh oder einem Stift betätigt werden. Auch metallische Oberflächen sind damit möglich, so kann ein elegantes und stabiles Bedienfeld entworfen werden. Die Nachteile dieses Prinzips liegen im grundsätzlich höheren Strombedarf und der Tatsache, dass keine Schieberegler oder Räder damit entwickelt werden können.

Hoher Verschleiß beim resistiven Touch

Resistive Berührsensoren sind häufig als Folienvorsätze für Bildschirme ausgeführt, aber auch Tasten, Schieberegler und Räder sind damit möglich. Über den Druck der Berührung lässt sich mittels Messung zweier Widerstände die Berührstelle ermitteln. Hier wird aus der Änderung des Widerstandswertes auf die Betätigung des Bedienfeldes geschlossen. Die Messung erfolgt mit einem A/D-Wandler und wird somit von sehr vielen Mikrocontrollern unterstützt. Der Unterschied liegt hier bei der maximalen Anzahl der Stützpunkte, die zur Berührerkennung dienen, und somit der Auflösung und Größe der Bedienfläche. Auch das resistive Prinzip reagiert unabhängig vom Auslöser der Betätigung. Der Nachteil dieser Technologie liegt darin, dass die Folie mit jedem Tastendruck verschleißt. Daher sollten Anwendungen, bei denen extrem häufig eine bestimmte Taste gedrückt wird, mit anderen Technologien realisiert werden.

Das System Multi-Touch - dank iPhone sehr populär

Das Multi-Touch-Verfahren ist dank des iPhones am populärsten. Mehrere Berührpunkte lassen sich gleichzeitig erkennen und auswerten. Dadurch sind mehr Möglichkeiten für zusätzliche Bedienmöglichkeiten gegeben. So kann der Anwender auf die am Bildschirm angezeigten Elemente tippen, sie verschieben oder mehrere gleichzeitig auswählen. Beliebt ist vor allem das Vergrößern und Drehen von Bildern, indem man lediglich zwei Finger voneinander weg bewegt oder sie umeinander rotiert. Das Verfahren wird mit unterschiedlichen Vorsätzen realisiert: Resistive Varianten kommen als Single- und Multi-Touch mit Mehrfingersteuerung zum Einsatz. Für eine Totalreflexion stehen optische Vorsätze zur Verfügung.

Mikrocontroller für Touchlösungen im Vergleich

Die vielfältigen Verfahren und Applikationen stellen ganz unterschiedliche Anforderungen an die eingesetzten Mikrocontroller. Auf dem Markt sind viele Modelle verfügbar, was die Auswahl nicht immer ganz einfach macht. Ein objektiver, herstellerübergreifender Vergleich ist deshalb für ein optimales Ergebnis unabdingbar. Die Übersicht stellt die wichtigsten Produkte vor.

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 ihnen lassen sich bis zu 18 einzelne Elektroden detektieren. Es können Knöpfe oder Schieberegler aufgebaut werden. Dabei sollte die Materialdicke vor dem elektronischen Sensor bei Glas vier und bei Acryl zwei Millimeter nicht übersteigen.

STM8S Touchboard: Das STM8S Touchboard von STMicroelectronics ist ein Standard STM8 Kern mit spezieller Hardware. Es verwendet das Schwingkreis-Prinzip.

Die Sensorsignalauswertung erfolgt in Echtzeit und belastet die CPU mit rund 20%. Basis für die R8C/33T-Modelle ist das Ladungstransfer-Prinzip, wohingegen die Controller der Familie 78K0 und 78K0R nach dem Schwingkreis-Wirkprinzip arbeiten. Eine intuitive Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine ermöglichen die inTouch800 Lösungen von Infineon. Die 8-Bit-Mikrocontroller der XC82x und XC83x Serien mit einem „T“, beispielsweise XC822T oder XC822MT bieten eine Hardware-Unterstützung für die kapazitive Berührsteuerung. Hierfür stehen bis zu acht unabhängige Kanäle zur Verfügung. Ihr Erkennungsverfahren ähnelt dem Schwingkreis-Prinzip. Der Touch Controller wird durch eine ROM Library unterstützt und vereinfacht die Entwicklung Dank leicht zu bedienender Funktionen.

Controller für die resistive und kapazitive Touch-Erkennung

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.

Bei den STM-Touch Modellen handelt es sich um Standard STM8 oder STM32 Kerne mit spezieller Hardware. Der STM32T ist spezialisiert auf die resistive Multi-Touch-Erkennung. Sowohl für den STM8L als auch für den STM8S stehen spezielle Softwarebibliotheken zur kapazitiven Touch Erkennung zur Verfügung. Während der STM8S das Schwingkreis-Prinzip verwendet, setzt die Low Power Variante STM8L auf das Ladungstransfer-Prinzip. Der STM8T141 ist auf die Erfassung eines einzigen Touchbuttons und der Detektion einer Annäherung auf Basis des Schwingkreis-Prinzips spezialisiert.

Microchip bietet seine Produkte unter dem Namen mTouch an. Aus jeder Familie der 8-, 16- oder 32-Bit-Standard-PIC-MCU oder der 16-Bit-dsPIC-DSCs gibt es Derivate, die spezielle Hard- und Software zur Touch-Erkennung nutzen. Abgedeckt werden kapazitiv, induktiv und resistiv. Die zuständige integrierte Peripherieeinheit ist die Change Time Measurement Unit, kurz CTMU. Im 8-Bit-Controller PIC16F707 sind beispielsweise zwei CTMUs integriert. Damit lassen sich 32 Touch-Kanäle bedienen. Für die Touchscreen-Lösung bietet Microchip spezielle Touchscreencontroller AR10x0. Für alle Derivate und Methoden stellt Microchip ausführliche Applikationsnoten und Entwicklungskits zur Verfügung.

Touchscreens sind ein Ersatz für Schalter aller Art

Einen Ersatz für Schalter aller Art bietet der Touch Sensor Controller (TSC) von Fujitsu. Beim FMA1127 kommt ein rein digitales Verfahren zum Einsatz, das viele Nachteile der analogbasierten Verfahren vermeidet. So wird ein Großteil der Umwelteinflüsse schon in der Hardware neutralisiert. Außerdem kann er Kapazitätsänderungen im zweistelligen Femtofarad-Bereich detektieren und mit 0,2 ms sehr schnell darauf reagieren. Eine detektierte Berührung kann der FMA1127 über eine I²C-Schnittstelle an den Host Mikrocontroller senden.

* * Thomas Beeh ist Produktbereichsleiter Mikrocontroller bei Rutronik Elektronische Baulemente.

(ID:26320090)

Touchsysteme