（计算机应用技术专业论文）四线电阻式触摸屏测试系统的研究.pdf

摘要 目前，四线电阻式触摸屏由于其高性价比、易用性及对环境的低 要求等因素已经占据了绝大部分使用份额。其具有反应速度快、坚固 耐用、节省空间、易于交流等许多优点，已经成为最简单、方便、自 然的一种人机交互方式，在我国得到了广泛的应用。因此，有必要对 四线电阻式触摸屏测试的原理进行研究与探索以研制一种高效、准 确、稳定、易用的测试设备。 本文在对四线电阻式触摸屏的工作原理进行深入分析的基础上， 针对四线电阻式触摸屏测试精度要求高，触摸屏电压零点与极点漂移 校准困难等特点设计出一套精密的测试系统。系统在机械部件的支持 下，结合数据采集电路、步进电机、压力传感器和自主研发的系统测 控软件实现了测试功能。其达到了很高的测试精度和测试效率。 系统测控软件的开发以v s 2 0 0 5 为开发平台，开发语言为v c + + ， 充分利用了m f c 库，采用多线程技术、数据缓冲池技术、数据库技术。 其实现了上、下位机的对等通信，实时响应控制命令并显示测试曲线、 下位机状态以及测试参数和测试结果数据的有效管理，提供了友好的 用户界面。 测试过程中的噪声是影响测试精度和稳定性的关键原因。本文系 统地分析了测试过程中各种噪声来源，包括电阻分布异常导致的噪 声，测试数据整体偏移，触摸屏表面有灰尘或划痕导致的噪声。针对 不同的噪声源，论文采用了四点电压校准处理，纠偏处理，五次加权 滤波算法对其进行处理，提高了测试的抗干扰能力和测试精度。在线 性度测试中对同型号的每块触摸屏的有效边界进行自动检测，校准每 块屏的性能差异。本系统能够满足快速测试、完整测试等测试需求， 已在现场得到很好的应用。 关键字：四线电阻式触摸屏，电阻测试，线性度测试，噪声抑制 a bs t r a c t b e c a u s eo fi t sc o s t e f f e c t i v e ， e n v i r o n m e n ta n do t h e rf a c t o r s ，a t e a s y t o - u s ea n dl o wd e m a n d so nt h e p r e s e n t ，t h ef o u r - w i r er e s i s t i v et o u c h s c r e e nh a sa c c o u n t e df o rt h ev a s tm a j o r i t yo ft h eu s eo fs h a r e i th a s q u i c k l yr e s p o n s es p e e d ，s t u r d i n e s sa n dd u r a b i l i t y , a n ds p a c e s a v i n g ，e a s y t oe x c h a n g ea n dm a n yo t h e ra d v a n t a g e s s o ，i th a sb e c o m et h em o s t s i m p l e ，c o n v e n i e n ta n dn a t u r a lw a yah u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o na n d h a sb e e nw i d e l yu s e di no u rc o u n t r y t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d y t h ep r i n c i p l e so ft h ef o u r - w i r er e s i s t i v et o u c hs c r e e na n d d e v e l o ph i g h l y e f f i c i e n t ，a c c u r a t e ，s t a b l e ，e a s y t o u s et e s te q u i p m e n t b a s e do na n a l y s i so ft h e p r i n c i p l e o ff o u r - w i r er e s i s t i v et o u c h s c r e e n ，t h ed is s e r t a t i o nd e s i g n sas o p h i s t i c a t e dt e s ts y s t e mf o rt h es c r e e n t om e e tt h er e q u i r e m e n t so fh i g hp r e c i s i o no f t e s t i n g ，z e r ov o l t a g ea n d p o l e v o l t a g eo ft o u c hs c r e e nd r if t i n g b yt h es u p p o r to fm e c h a n i c a l c o m p o n e n t sa n dc o m b i n e dw i t hd a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t ，s t e p p i n gm o t o r , p r e s s u r es e n s o ra n ds e l f - d e v e l o p e dt e s t i n gs o f t w a r e ，t h es y s t e ma c h i e v e s t e s tf u n c t i o n i tr e a c h e da v e r yh i g ht e s ta c c u r a c ya n dt e s te f f i c i e n c y t h ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e mm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls o f t w a r e m a k e sf u l 1u s eo fm f c l i b r a r y , d a t ab u f f e rp o o lt e c h n o l o g ya n dd a t a b a s e t e c h n o l o g y v s 2 0 0 5i su s e da si t sd e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n dv c + + a s d e v e l o p m e n tl a n g u a g e t h es y s t e ma c h i e v e sp e e rt op e e rc o m m u n i c a t i o n f o ru p p e ra n dl o w e rc o m p u t e r , r e a lt i m er e s p o n s eo ft h ec o n t r o lo r d e r w i t h d i s p l a y i n gt e s t i n gc u r v e ，s t a t eo fl o w e rc o m p u t e ra n de f f e c t i v e m a n a g e m e n to ft e s t i n gp a r a m e t e r sa n dd a t eo ft e s t i n gr e s u l t s w h a t s m o r e ，i th a sf r i e n d l yu s e ri n t e r f a c e t h en o i s ei nt h ep r o c e s so ft e s t i n gi st h ek e yo ft h ea c c u r a c ya n d s t a b i l i t yr e a s o n so ft e s t i n g t h ed i s s e r t a t i o ns y s t e m a t i ca n a l y z e sav a r i e t y o fn o i s es o u r c e si nt e s t i n gp r o c e s s i ti n c l u d e st h en o i s ec a u s e db yt h e a b n o r m a ld i s t r i b u t i o no fr e s i s t o r , t h eo v e r a l lm i g r a t i o nt e s td a t a ，t h en o i s e c a u s e db yd u s to rs c r a t c h e s t h e n ，t h r o u g ht h en o i s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e d i f f e r e n t a n a l y s i s ，u s i n gf o u r - p o i n tv o l t a g e t oc o r r e c t a l g o r i t h m ， c o r r e c t i n ga l g o r i t h m ，t h ew e i g h t e df i v et i m e s t od e a lw i t h f i l t e r i n g a l g o r i t h m s t o i m p r o v e t h et e s t p r o c e s s a n dt e s tt h ea c c u r a c yo f a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y t h es y s t e ma u t o m a t i c a l l yd e t e c te f f e c t i v eb o r d e r a n dc a l i b r a t et h ed i f f e r e n c eo fe v e r ys c r e e ni nt h et e s t i n gp r o c e s s t h e s y s t e mc a l lm e e tt h en e e d sw e l lo f av a r i e t yo ft e s t sa tt h es c e n eo ft h e a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：f o u r - w i r er e s i s t i v et o u c hs c r e e n ，r e s i s t a n c et e s t ，l i n e a r i t y t e s t ，n o i s er e d u c e 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：鎏丝! 二 日期：2 车年三月4 日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学 位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 作者签名：迹导师签 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着计算机、通信、自动控制等科学技术的迅猛发展以及现代自动化工厂的 需求，工业生产也进入了一个崭新的发展阶段。测试技术作为工业生产的重要部 分也得到了长足发展。原有的许多测试技术已经不能满足现代自动化工厂的需 求。在保证测试精度的基础上，现代化生产对测试的智能化、易操作性以及高效 率也提出了越来越高的要求。 触摸屏由于其操作的便捷性已经成为一种全新的人机交互手段。特别是四线 电阻式触摸屏具有制造工艺简单，成本低廉，使用方便等特点，已经被广泛应用 于不同的电子设备i l 儿2 1 。本文针对当前触摸屏技术的发展水平以及市场的需求主 要讨论四线电阻式触摸屏。在四线电阻式触摸屏生产和使用的各个环节，需要对 触摸屏的各种指标进行测试。这些指标直接反映了四线电阻式触摸屏的使用特 性，对于触摸屏生产企业而言，四线电阻式触摸屏的相关指标测量能够在质量控 制、生产流程改进等环节起到至关重要的作用。对于触摸屏应用企业，触摸屏的 相关指标的测试也会影响到整个产品的性制3 1 。因此，对四线电阻式触摸屏的各 项指标的测试进行研究是很有必要的。 当前的四线电阻式触摸屏测试系统主要针对四线电阻式触摸屏的一些基本 参数的测量。其测量精度、操作简易度、测试效率均有待改善。同时，此类测试 系统并未进行测试数据的收集、处理以及管理等更高层次的工作。因此，有必要 对四线电阻式触摸屏的工作原理进行深入分析，结合工业生产特点研制精度高、 速度快、使用方便并具有数据收集、处理、管理的高级应用的测试系统。 1 2 相关技术的研究现状 四线电阻式触摸屏测试系统属于自动化测试仪器，主要应用于触摸屏技术研 究企业、生产企业以及应用企业对四线电阻式触摸屏的各项参数进行测量以保证 触摸屏的质量。其测试过程中主要涉及电阻测试以及电压检测。其中电阻包括触 摸屏的两个电阻涂层的电阻，其大小大致在几百到几千欧姆之间而两个电阻涂层 之间的绝缘阻抗阻值较大一般都超过几十兆欧姆。那么，本仪器电阻测试功能测 试范围比较宽，有一定难度。与本课题中电阻测试类似的研究成果和实际产品包 括各种电阻测试仪，在绝缘阻抗方面只要是绝缘电阻测试仪。例如国营建华仪表 厂，台湾的路昌等。其产品的测量量程广，一般在几兆欧姆到几g 欧姆之间，测 中南大学硕士学位论文第一章绪论 量误差在5 到1 0 ；国外方面，如德国b e h a 和g m c ，美国的e d & d 等，其产品性 能和精度较国内产品都更加优良。本文所设计的测试系统中对电阻的测试尝试了 一种新的绝缘电阻测量方法，使其达到较高的测量精度，而且全自动的测量流程 减少了测试人员的工作效率。 由于四线电阻式触摸屏测试系统属于专用仪器，市场需求量很小。国内外对 四线电阻式触摸屏测试的研究机构较少。现在市场上出现的只有深圳思鼎、深圳 文林，台湾亦佳等。其中，深圳思鼎和深圳文林现有的测试系统稳定性有待改进， 精度也有待提高。台湾亦佳的测试系统稳定性完全满足测试的需求，但由于采用 的设计结构的原因其测试效率稍低，且价格昂贵，是深圳思鼎和深圳文林相关测 试系统的两到三倍。 1 3 课题的来源、研究的目的和意义以及主要研究内容 1 3 1 课题的来源 本课题来源于比亚迪的“四线电阻式触摸屏测试系统”项目。 比亚迪第四事业部t p 厂是一个集触摸屏技术研究、设计、生产的机构。其 不仅为比亚迪其他事业部提供质量优良、价格合理的触摸屏产品，还是摩托罗拉、 诺基亚、西门子、华为等一批国际知名公司的电阻式触摸屏供货商。其主要产品 是四线电阻式触摸屏。比亚迪第四事业部t p 厂的四线电阻式触摸屏日产量高、 质量控制严格，要求高等特点就需要高效、准确、易用的测试系统对其产品进行 测试。为满足不断提高质量和改进制造工艺的需求，系统还必须对测试参数、测 试结果等数据进行有效的处理和管理。同时，为配合比亚迪自动化工厂建设工作 的推进，系统还必须留出标准的接口与比亚迪数据中心连接。 总之，比亚迪“四线电阻式触摸屏测试系统”项目的目的在于设计一种准确、 高效、易用、标准化、可扩展、灵活的测试系统。这正是本文的课题来源。 1 3 2 研究的目的和意义 本文试图通过对四线电阻式触摸屏的工作原理、测试原理进行深入地分析， 充分理解各测试参数的测试原理，然后结合测试中的实际难点和重点制定合理的 测试方法和测试流程。最终，设计一套符合课题研究目的的测试系统。 通过本课题的研究，可以为四线电阻式触摸屏的测试提供一个高效、稳定、 易用、可扩展的测试系统。这必将为四线电阻式触摸屏的制造和使用企业提供可 靠的测试手段，可以提高企业的生产效率和产品质量。本课题的研究具有一定的 经济和社会效益。 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 3 课题的主要研究内容 本课题的研究内容是四线电阻式触摸屏的测试，其目的是设计和开发适用于 当前现代化测试高效、稳定、准确、易用等要求的四线电阻式触摸屏测试仪。具 体内容如下： 1 四线电阻式触摸屏的工作原理分析并结合测试参数特征提出一整套测试方 案。分析四线电阻式触摸屏的工作原理，分析影响其工作性能的各关键因素， 以及这些关键因素对触摸屏的工作的影响方式以及影响程度，找出各个关键 因素的合理范围。根据理论分析设计对每个参数测试方法。 2 四线电阻式触摸屏测试系统的设计及实现。根据系统测试需求并结合实际测 试需要设计出可行的测试方案。本文主要完成系统设计以及软件系统的设计 与实现。硬件部分由另外人员完成，本文中将只进行必要的框架介绍不再进 行详细论述。根据系统的功能模块划分，设计合理的软件系统，提供友好的 操作界面，满足完整的功能需求，提供必需的软件接口，保留必要的可扩展 性能。功能模块程序的编写，包括p c 机通过u s b 与下位机( 采用a r m 7 作为 主控芯片) 通信模块、系统调试模块、触摸屏可用边界测定模块、绝缘阻抗 测试模块、x 和y 两相电阻测试模块、回零电阻测试模块、线性度测试模块、 数据管理模块等。 3 系统分析了测试过程中数据噪声来源，提出具有针对性的处理方法。本文针 对当前许多触摸屏测试系统存在测试过程中不稳定，精确度低等现状分析各 参数测试过程中可能的噪声来源，然后根据不同类型噪声的特点从软硬件层 面进行处理，最后取得了较好的效果。 1 4 设计性能指标 四线电阻式触摸屏属于专用仪器，其技术指标较多。根据设计要求和实际测 量的需要，本课题设计得系统所要求达到的技术指标如下： 1 x 、y 相电阻、回零电阻量程：4 0 0 0 欧( q )精度：- - + 2 2 绝缘阻抗电阻量程：1 0 0 兆欧( mq ) 精度：5 3 线性度测试精度及稳定性量程：l 精度：o 2 4 压力传感器量程：2 0 0 克( g ) 精度：0 5 5 测试速度量程：3 0 0 毫米秒( m m s ) 精度：0 1 6 测试位移精度精度：小于或等于0 0 8 毫米( 唧) 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 7 测试区域量程：3 0 0 x 3 0 0 毫米( 衄) 8 数据采集量量程：1 0 0 千采样点每秒( k s p s ) 其中，最终要的两个指标是线性度测试精度及稳定性，其体现了测试系统的 整体测试精度和测试的稳定性。另外，测试速度也是一个很重要的指标，其体现 了测试系统的测试效率。当然，测试效率还和测试流程有关。 4 中南大学硕士学位论文 第二章四线电阻式触摸屏测试原理分析 第二章四线电阻式触摸屏测试原理分析 本章首先深入分析四线电阻式触摸屏的工作原理，研究对触摸屏的使用具有 决定性影响的因素并提出合理的度量方式，并结合企业生产需求归纳出一个合理 的测试参数集合。最后根据测试参数的特征提出可行的测试方法。 2 1 四线电阻式触摸屏的介绍以及测试参数的讨论 2 1 1 四线电阻式触摸屏的工作原理 作为一种位置传感器，通过检测四线电阻式触摸屏电压变化解析出接触点实 现对位置变化的感知。在四线电阻式触摸屏的有效区域内压力点会引起触摸屏电 压的变化【4 1 。四线电阻式触摸屏的工作原理如下图： 图2 - 1 四线电阻式触摸屏的工作原理图 电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，这是一 种多层的复合薄膜，它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧 化金属( 透明的导电电阻) 导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑且防 磨损的塑料层、它的内表面也涂有一层涂层、在他们之间有许多细小的( 小于 1 1 0 0 0 英寸) 的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。工作时两层透明金属层每层 均增加5 v 恒定电压：一个竖直方向( y 方向) ，一个水平方向( x 方向) 。总共 需四根电缆。当有物体触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻 发生变化，在x 和y 两个方向( 如图一所示) 上产生信号，然后送触摸屏控制 器。控制器侦测到这一接触并计算出( x ，y ) 的位置，再根据坐标位置信息模 拟鼠标的方式运作。这就是电阻技术触摸屏的最基本的原理。四线电阻式触摸屏 具有如下特剧1 】【2 】【4 】： 1 具有与外界完全隔离的工作环境，不怕灰尘、水汽和油污。 2 可以用任何物体来触摸，不受电磁干扰，可以用来写字画画。 中南大学硕士学位论文第二章四线电阻式触摸屏测试原理分析 3 精度取决于a d 转换的精度，因此都能达到4 0 9 6 * 4 0 9 6 的分辨率。 4 高速解析、高速传输反应，电阻屏的响应延迟一般小于1 0 毫秒。 5 表面硬度处理，减少擦伤、刮伤及防化学处理。 6 具有光面及雾面处理。 7 一次校正，稳定性高。 8 外导电层的划伤对于四线电阻触摸屏来说是致命的。 2 1 2 测试参数的意义 根据四线电阻式触摸屏的工作原理可知，四线电阻式触摸屏要能正常工作需 要满足如下主要条件： 1 触摸屏的上、下两个导电涂层在没有接触点时必须绝缘，即两个导电层 之间的电阻要远大于两个导电层的电阻。在实际测试中，一般要求两导 电层之间的电阻在无接触点时需大于或等于1 0 兆欧姆。 2 两个导电涂层的电阻不能太大也不能太小。因为，在实际应用中均使用 5 v 作为四线电阻式触摸屏的工作电压，如果导电涂层电阻太小则会导 致其对连接线的电阻过于敏感，且功耗较大；如果导电涂层电阻太大则 不利于区分有无触点，而可能导致的误动作。在实际制造中，两个导电 涂层的电阻一般在几百到两千欧姆之间。 3 同批次的触摸屏产品由于制造中的一些差异可能导致其性能的不同，其 中有效区域既是一个重要的方面。那么在使用中，一片触摸屏必须具有 足够的有效区间才能保证正常的使用。 4 触摸屏两个导电涂层电阻的均匀性是一片四线电阻式触摸屏是否合格 的关键因素。其表现出来的特性即接触点与解析点之间的一致性是否良 好。本文使用线性度的概念来度量实际接触点与解析点之间的一致性。 5 四线电阻式触摸屏的透光度。在实际使用中一般需要整屏的透光度大于 或等于8 0 。 根据以上条件，本文研究的四线电阻式触摸屏测试系统需要测试参数如下： 1 绝缘阻抗：即触摸屏两个导电涂层之间的绝缘电阻。 2 x 向电阻：即触摸屏母板导电涂层的电阻。如图2 1 所示。 3 y 向电阻：即触摸屏塑料板导电涂层的电阻。如图2 1 所示。 4 触摸屏的有效区域：即触摸屏触摸点与解析点能线性对应的区域。 5 触摸屏线性度：即触摸屏的有效区域内触摸点与解析点的一致性。 6 中南大学硕士学位论文 第二章四线电阻式触摸屏测试原理分析 2 2 绝缘阻抗的定义、测试原理及测试方法分析 两个导电涂层之间的绝缘性是否正常对于四线电阻式触摸屏的检测而言非 常重要。其指标的正常与否将直接影响到触摸屏的正常使用。如果其测试不正常， 将导致x 、y 两向电阻、有效区域检测、线性度测试无法进行，也不能正常解析 接触点位置。 2 2 1 四线电阻式触摸屏绝缘阻抗的定义 两个密封的透明导电层以及相应引线构成四线电阻式触摸屏的基本结构。在 触摸屏的有效区域内没有接触点的情况下，两个导电层应该绝缘。理论电压应该 无穷大。然而，由于密封层气体不能完成被抽出，故其一般是一个比较大的电阻 ( 实际应用中一般在1 0 到1 0 0 兆欧姆之间) 。本文把两个导电层之间的电阻定义 为四线电阻式触摸屏的绝缘阻抗。检测绝缘阻抗是为了验证两个导电涂层在无加 压点的情况下是否构成开路。 2 2 2 绝缘阻抗测试原理及测试方法分析 绝缘阻抗阻值高，测试精度要求低。一般只要触摸屏的绝缘阻抗大于或等于 1 0 兆欧即算合格。根据这些特点，我们只需要选用一个大小合适的标准电阻与 触摸屏两个导电涂层之间的绝缘电阻串连，然后给串连电阻加上电压v 然后测 试标准电阻两端的电压值即可通过串联电阻之比等于电压分压之比即可得到绝 缘阻抗1 5 1 。测试原理如下图所示： 。 r b 4 图2 - 2 绝缘阻抗测试原理图 在测试时，把某个导电层的一根引线接入标准电阻心，尼另一端接地，另 一根引线悬空。另外一个导电层一端接2 4 v 电压，另一端悬空。通过分压理论 可知：娑：= 娑_ ，同时有：阼：2 4 一v b ，可得绝缘阻抗计算公式： r 6 r ，+ 亿+ 尺y 一一 兄：2 4 ，r 6 一r 一几一岛( 2 - 1 ) 。 7 中南大学硕士学位论文第二章四线电阻式触摸屏测试原理分析 在实际应用中，由于尼、母两向电阻值与绝缘阻抗相比均小于绝缘阻抗允 许的误差最大值，故可忽略不考虑。即直接把见、毋也算在绝缘阻抗中。如下 公式所示： r j 一- r j + 尼+ r j , = 2 _ 玢4 x r t , - r 6 ( 2 - 2 ) 这里需要特别说明： 1 式( 2 1 ) 中尼、毋已经包含触摸屏的端点电阻以及测试连接线电阻； 2 在实际测试时，由于触摸屏四根引线与测试仪接线处暴露在空气中，其 测试环境会对测试结果产生一定影响。特别是测试员手指接触引线接口 处会对测试结果产生很大影响。所以在实际测试时，测试员都必须戴绝 缘指套，且配戴接地引线消除静电影响【6 】【7 】。 2 3 双向电阻的定义、测试原理及测试方法分析 2 3 1 四线电阻式触摸屏双向电阻的定义 触摸屏双向电阻定义为触摸屏的两个透明导电层的电阻。如图2 1 中用见、 见标记。其仅仅包括透明导电层的电阻，而不包括连接引线部分的电阻。在实 际应用中，由于引线部分有阻抗，测试电路部分也有阻抗。然而，引线阻抗和电 路阻抗均在几欧姆到十几欧姆之间，尼、毋一般在几百欧姆之间，所以就把引 线阻抗和电路阻抗不做处理。但必须知道，实际测试得到的电阻包括引线电阻和 电路电阻。 2 3 2 双向电阻的测试原理及测试方法分析 其测试方法与绝缘阻抗测试原理一样，也是通过接入标准电阻兄，然后通 过电压分压公式即可计算出电阻尼、毋。其测试过程中有如下三点不同： 1 接入的标准电阻r 为5 0 0 欧姆。这是为了和尼、彤相近。 2 测试电彤压为5 伏。 3 测试分两次进行。第一次两个双向开关先把电阻尼接入，测试完成之后 再把电阻彤接入进行测试。 其测试原理与绝缘阻抗测试相似，计算方法相同，这里不再详细论述。其测 试原理图如下图所示： 8 中南大学硕士学位论文第二章四线电阻式触摸屏测试原理分析 图2 - 3 双向电阻测试原理图 2 4 触摸屏的有效区域测试分析 触摸屏由于边界封装工艺和电阻层的制造工艺等因素的影响导致触摸屏的 有效使用区域不尽相同。且触摸屏的四周电阻分布不均匀，线性度较差。在进行 线性度测试时需要提供其有效使用区域的信息。 由于无法直接检测电阻的分布特性，本文从电阻与电压对应的关系入手检测 电阻的非线性分布。从图2 1 触摸屏原理图中可知，可以通过检测电压的变化间 接检测电阻的变化。因两个电阻涂层，即x 、y 向电阻在电阻与电压关系上具有 相同的关系。这里选定x 方向为研究对象。同时，为了描述方便假定在接触点 给触摸屏加压时检测到x 向电压值小的一端为x 相零点。且由于电阻涂层均是 矩形区域，从与电阻增大的方向的垂直方向看，需要从每个点测试电阻增大的特 性曲线，由全部的曲线才能完整地描述整个矩形区域电阻涂层的电阻变化。我们 注意到，这些曲线可以抽象成同一个模型。所以，本文只需对一条曲线进行论述。 通过上述分析和电阻和电压关系可知，电阻涂层触摸屏加压点坐标与电压变化如 图2 4 所示： v v 4 。v y l m 二 ， 5 1 v x m “v x n 3v v 胁 ， v一 v 图2 - 4 加压点坐标与电压变化图图2 - 5 测试加压点以及测试顺序图 9 中南大学硕士学位论文第二章四线电阻式触摸屏测试原理分析 首先需要说明一点，图2 - 4 描述的是正常的触摸屏的接触点与电压分布曲线 图。触摸屏中间部分电阻分布有问题是边界检测的特殊情况，但一般不会影响到 测试的结果。因为中间部分的电压远远大于触摸屏两边边界由于制造工艺引起的 非线性电压值。这将在后面小节进行详细论述。图2 - 4 中只画出x 向，y 向与x 向基于同样的原理不在单独描述。 从图2 - 4 中可知，s m i n 、s m a x 即为x 向有效区域的最小坐标、最大坐标。 v m i n 、v m a x 即为x 向有效区域对应的电压最小值、最大值。 从上述分析以及触摸屏的电阻分布特性，从x 向涂层电阻矩形的中间位置 开始在x 向往零点方向和最大有效值方向分别找到s m i n 、s m a x ，即找到了x 向的有效区域。如图2 5 所示，从图中5 点出发往l 、2 ：3 、4 点分别采集加压 之后的电压值然后就得到了电压曲线的分布数据。根据测试点移动速度和数据采 集频率的关系即可得到如图2 4 所示的加压点坐标与电压变化图。然后，再找出 v m i n 、v m a x 。最后，通过v m i n 、v m a x 与s m i n 、s m a x 的关系就可以找到触 摸屏的有效区域。在找到电压与位置关系的曲线之后，如何找到v m i n 、v m a x 成了测试关键。 现在，市场上出现的两个公司的测试仪产品( 深圳思鼎、文林) 使用的方法 是用两个监测点之间的电压差值大于某个阈值即为到达边界。然而，这样的方法 对于测试中间部位电阻分布不均匀的触摸屏则会出现错误的结果。因为，两个检 测点之间的电压差值在正常情况下应该是一个常量。而且，两个检测点之间的距 离很小( 一般都小于0 1 毫米) ，必然导致电压差值也很小。所以，当测试中间 电阻分布不均的触摸屏时，其在中问部分两个测试点之间的电压差值就很有可能 超过设定的阈值，导致程序认为已经到触摸屏的有效边界而终止测试并给出错误 的结果。因此，这种通过检测点之间的电压差值判断是否到边界的方法只适用于 质量完好的触摸屏，具有一定得局限性。 本文根据上述触摸屏的电阻分布特性并在已有的测试方法上进行改进，提出 通过添加一个判断参数来修正中间区域电阻分布不均的触摸屏的边界测试问题。 测试步骤如下： 1 如图2 5 中所示，从5 点开始向触摸屏加压，往1 点方向移动并采集电 压数据。在采集数据的同时对数据进行分析。如果前后两点电压差值大 于阈值v 并且最后一点电压值小于设定的最小限定电压v x m i n ，那么停 止采集电压数据。这样最后一个测试点的坐标即为x 方向最小边界。 2 从5 点开始向触摸屏加压，往2 点方向移动并采集电压数据。在采集数 据的同时对数据进行分析。如果f j 后两点电压差值大于阈值v 并且最后 一点电压值大于设定的最大限定电压v x m a x ，那么停止采集电压数据。 l o 中南大学硕士学位论文第二章四线电阻式触摸屏测试原理分析 这样最后一个测试点的坐标即为x 方向最大边界。 3 从5 点开始向触摸屏加压，往3 点方向移动并采集电压数据。在采集数 据的同时对数据进行分析。如果前后两点电压差值大于阈值v 并且最后 一点电压值小于设定的最小限定电压v y m i n ，那么停止采集电压数据。 这样最后一个测试点的坐标即为y 方向最小边界。 4 从5 点开始向触摸屏加压，往4 点方向移动并采集电压数据。在采集数 据的同时对数据进行分析。如果前后两点电压差值大于阈值v 并且最后 一点电压值大于设定的最大限定电压v y m a x ，那么停止采集电压数据并 抬起测试笔头。这样最后一个测试点的坐标即为y 方向最大边界。 经过上述四个步骤即可得到触摸屏的有效区域。同时，由于增加了最小、最 大限定电压这样避免了触摸屏中间区域电阻分布不均造成的测试错误问题。 2 5 四线电阻式触摸屏线性度的定义、测试方法分析 2 5 1 四线电阻式触摸屏线性度的定义 触摸屏作为一种位置传感器，其线性度定义为，实际接触点与解析点之间的 相似性1 8 1 。在实际测试中，根据所选定参考直线【9 】的不同，可获得不同的线性度。 在不同衡量标准中，独立线性度【lo j 是衡量传感器线性特性的最客观标准。独立 线性度以最佳直线儿1 2 】作为参考直线。触摸屏的独立线性度定义为触摸屏的实 际平均输出特性曲线对最佳直线的最大偏差，以传感器满量程输出的百分比来表 示mj i l 4 l 。如下图所示： x , m i ax m “； 图2 - 6 线性度计算原理图 计算公式为： l 。= j 垒l 1 0 0 ，l ，= 垒兰巫坚一1 0 0 ( 2 3 ) x m “一j i n。j ，m “一j ，m i “ 中南大学硕士学位论文 第二章四线电阻式触摸屏测试原理分析 其中哦戤、匈，一分别为x 、y 向输出平均值与最佳直线间的最大偏差； 戤一i 。、缸一。分别为触摸屏x 、y 向的量程，它是测量上限( 高端) 和测量 下限( 低端) 的代数差。 2 5 2 触摸屏线性度测试原理及测试方法分析 ( 1 ) 测试点选择 在测试触摸屏线性度时，为了能够精确反映触摸屏的整体特性，需要选取尽 量多的测试点。然而，对于测试时间与效率而言，希望选取尽量少的测试点。因 此，在精度和效率之间需要选取一个平衡点【15 1 。在实际应用中，常用两个步进 电机作为驱动装置实现一个二维定位系统控制测试笔在触摸屏上打点，实现测试 点的输入。接触点分布如下图所示： ：。- 7 舀一一由一今一 图2 - 7 测试点分布示意图 如图2 - 7 所示，只要保证x 向两触点间距t ，y 向两触点间距0 满足如 下条件： i 牛1 0 0 t t 。一t m i 。 1( 2 - 4 ) 上一1 0 0 ，。 ( 2 5 ) ，ty、， b 一 l y m i n 式( 2 4 ) 、( 2 - 5 ) 中+ l x ，+ l y 为产品x 、y 向允许的最大非线性度。t 。一t 。i n 、 上，。戤一三删。为触摸屏x 、y 向最大有效区域。 这样一方面既可以保证测试精度符合要求，又能在二维空间中测试到最大偏 差厶。另一方面可以找到最少的测试点集合： p 易，p 2 ，见，见- 2 ，岛- l 见 ( 2 - 6 ) 其中任意元素尼由x 向位置坐标分量几和y 向位置坐标分量只，构成。可 1 2 中南大学硕士学位论文 第二章四线电阻式触摸屏测试原理分析 推知测试点集合p 中的测试点为一个w x h = r t 的矩阵分布，其中 w _ l ? 4 t t ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 由线性度测试定义与触摸屏的相关原理可知接触点集p 即为输入集，与之相 对应的测试输出集： 丁 ，l ，t 2 ，t 3 ，0 2 ，0 一l ，乙 由此得出，只需求出尸与丁中对应点对的最大偏差即可求出整块屏的线性 度。在此定义两个点集中对应点对的最大偏差“： a t - - m a x ( i p , 一圳) ，0 ( i ( n + l ( 2 - 9 ) ( 2 ) 接触点集合与电压点集合转换 数据集丁中每个对应的点可由检测到的电压数据计算得出。然而，要得到两 个数据集p 、t 元素最小偏差则需要先统一两个数据集相对零点，使两个数据集 的元素隶属于同一个相对坐标系。 为解决此问题本文提出一种方法，即把输入集p 转换成与之等效的测试电压 数据集。这样既可以统一输入集p 与输出集丁的坐标系，又减少了计算量提高了 测试效率。转换原理如图2 - 9 所示： 图2 - 8 测试区域定位图图2 - 9 电压与位置转换关系图 如图2 8 所示，触摸屏测试区域是由点1 、2 、3 、4 所决定的矩形区。由以 上分析可知测试点集合中的所有元素必然落在测试区域内，即1 、2 、3 和4 点必 是测试点集合中的元素，且其必为测试点集合中元素构成的矩阵中四个角的元 中南大学硕士学位论文第二章四线电阻式触摸屏测试原理分析 素。通过求取l 、2 、3 和4 点的x 、y 两向电压值，再经相关计算可得到测试点 集合中每个元素对应的电压值。即得到与表示接触点位置的测试点集合尸相等价 的表示输入点x 、y 向电压的输入集y h ，p 2 ，v 3 ，- 2 ，- l ， 。 具体测试步骤如下： 1 ) 给触摸屏y 向施加标准电压检测触摸屏l 点x 、y 向导通时( 即触摸屏l 点作为触点被按下) x 向的电压，然后颠倒测试触摸屏l 点x 、y 向导通时y 向电压。同理依次测试l 、2 、3 和4 点的x 、y 向电压值分别得到4 ( k ，巧，) 、 4 ( k ，v 2 y ) 、4 ( 圪，k y ) 、4 ( 圪，圪y ) 。 2 ) 通过4 、4 、4 和4 的值即可求出测试区域x 、y 向量程并计算出 y h ，p 2 ，v 3 ，- 2 小 中每个元素对应的x 、y 向电压值。记x 、y 向最大、 最小输出量分别为。、吃w 。i 。、一、删。则相应的x 向量程为 ，一一。；y 向量程为。一。；。在此，假定：k ， 嵋，、哆， v 4 ，、 k ， ，、， 圪，。由以下公式计算可得量程。公式如下： v x r m i 。= ( k ，+ ，) 2 ( 2 1 0 ) ，。缸= ( v 3 ，+ ，) 2 ( 2 1 1 ) v y o u t 嘶= ( k ，+ ，) 2 ( 2 - 1 2 ) v y o u t 懈= ( ，+ ，) 2 ( 2 - 1 3 ) 由式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 便可得到表示物理坐标的测试点集合尸中 元素在x 、y 向位置坐标与表示电压的输入集合y 中元素在x 、y 向电压坐标之 间的比例系数。假定x 、y 向位置与电压比例系数分别表示为咖。和咖，。则有： 机= ( ，一一m ；。) ( 厶一一厶。i 。) ( 2 1 4 ) d o = 【二m 戤一y 0 。t 。) 【0 。一l y 。i 。) ( 2 - 1 5 ) 集合v 中任意元素v 由x 向电压分量圪和y 向电压分量k ，构成。通过上述 讨论分析可得p 中任意元素只与v 中相对应元素v 转换公式如下： 圪= k ，+ ( 只一鼻，) 以 ( 2 1 6 ) ，= k ，+ ( 名一日，) 咖， ( 2 - 1 7 ) 这样当尸中元素只对应位置被压下时，即可以检测得到丁中与之相对应的元 素f 。即得到与p 等价的集合v 以及输出集合丁，再通过公式( 2 3 ) 即可计算得到 触摸屏的线性度。 1 4 中南大学硕士学位论文第三章总体设计 第三章总体设计 本章首先根据第二章的分析，结合具体测试需求得出具体的测试功能需求并 量化测试中各种性能要求。其次，结合当前技术发展水平对测试系统进行总体设 计。最后根据总体设计中模块划分对系统中各个模块进行分析介绍。 3 1 系统总体设计 四线电阻式触摸屏测试系统须要对四线电阻式触摸屏的线性度、双向电压、 绝缘阻抗等参量进行测试。其测试量形式多样，精度要求高，数据处理量大给测 试系统的研发带来较大困难。在最重要的线性度测试部分，测试点位移与电压变 化均很小，且容易受系统及外界环境的干扰，给精确测量带来很大困难。其在得 到电压数据时需要对触摸屏测试点加压，本系统中采用三个步进电机驱动测试笔 头完成在x 、y 、z 三个方向的位移以及压力提供。在设计中需要解决的技术难 点和关键技术如下所示： 1 步进电机三位坐标系统位移精度的保证 2 线性度测试时电压相对零点与位移相对零点的匹配精度保证 3 位移坐标点集合与电压点集合转换的精度保证 4 在高采样率下测试效率的保证，即大数据量的实时处理 5 测试误差分析以及噪声的处理 本文根据测试仪对测试精度、测试效率的需求以及对现有技术和设计生产成 本的综合考虑，提出通过个人电脑与嵌入式设备相结合来满足要求。 嵌入式设备( 另称：下位机) 负责如下工作： 1 步进电机二维坐标控制； 2 接触点压力控制； 3 电压数据采集； 4 压力传感器数据采集； 5 接收p c 机命令； 6 向p c 发送状态，测试数据； p c 机负责如下工作： 向下位机发送指令； 1 接收下位机发送的数据； 2 对接收到的数据进行处理并显示结果； 3 对测试参数与测试结果进行管理： 中南大学硕士学位论文第三章总体设计 4 向数据中心提供测试数据。 这样，利用嵌入式设备完成测试中机械控制和数据采集工作，然后把测试数 据发送给p c 机，再利用p c 机的强大数据处理功能对测试数据进行处理并向用 户提供易用的操作界面和直观的测试结果显示1 1 6 1 1 刀。根据上述需求，本文提出 系统框架如下图所示： 图3 1 系统框架图 图3 1 中下半部分实线框内为p c 端模块。左上角虚线框内为下位机模块。 右上角虚线框为数据管理中心模块。 其中，p c 端与下位机之间，p c 作为主机，下位机作为从机；p c 与数据中 心之间数据中心作为主机，p c 作为从机。 p c 端u s b 18 】f 1 9 1 通信模块提供与下位机的通信服务【2 0 】，网络通信模块提供与 数据中心的通信服务，数据管理模块提供对测试参数和测试结果的管理。三个应 用层模块，即测试模块、参数管理模块及系统调试模块，以u s b 通信模块和数 据管理模块提供的服务为基础实现对四线电阻式触摸屏的测试控制。数据管理模 块和网络通信模块配合为数据中心提供测试参数以及测试结果数据。 1 6 中南人学硕士学位论文第三章总体设计 下位机部分以u