Конечно, это случается нечасто и, как правило, случайно, но экраны могут разбиться. Например, эта едва заметная трещина, размером меньше человеческого волоса, может навсегда лишить вас удовольствия читать любимую книгу о туманном Альбионе в удушливом московском подвале.
Как на самом деле работает сенсорный экран вашего смартфона?
Если вы когда-либо задавались вопросом, как работают сенсорные экраны, вы, вероятно, сталкивались с одной из таких «радиолюбительских» статей. Все они пишут одинаково и звучат следующим образом Когда вы касаетесь экрана пальцем, емкость настроенного конденсатора изменяется до определенной точки, которую регистрирует специальный датчик.
Меня всегда удивляют такие объяснения. Тот факт, что кто-то заменил слово «сенсорный экран» на «емкость конденсатора», никогда не улучшал моего настроения. Были ли все эти «техноблоггеры» в прошлом действительно электриками? Не правда ли, все это имеет смысл, объясняя такую интересную технологию простыми словами?
Затем мы видим новость о том, что Apple анонсировала iPhone X с экраном 120 Гц. Речь идет не о частоте обновления изображения (как в Galaxy S20), а о частоте опроса какого-то датчика. Конечно, я ищу ответы в интернете и нахожу то же самое объяснение: сенсор экрана iPhoneX обрабатывает движения пальцев в два раза быстрее. Другими словами, это занимает 8 миллисекунд вместо 16 миллисекунд.
Да, кажется, все работает правильно. Однако не совсем понятно, что еще мы читаем, что означает «обрабатывает движения пальцев в два раза быстрее», почему процессор может обрабатывать миллиарды функций в секунду, или же в секунду происходит всего 60 или 120 движений пальцев.
В любом случае, эта статья отличается от других. После ее прочтения у вас не останется неприятного «послевкусия» и вы действительно поймете, как все это работает и при чем здесь 120 Гц.
Принцип работы сенсорного экрана — настоящая драма на кончиках пальцев!
Поэтому важно сначала понять, что экран смартфона сам по себе является полностью бессознательным. На прикосновения также нет никакой реакции. В конце концов, то, что смартфон использует для отображения изображения, — это простой набор из миллионов крошечных цветных лампочек.
Для того чтобы реагировать на прикосновения, специальный «чувствительный слой» должен быть расположен в другом месте. Но как это выглядит и как именно работает?
Представьте, что вам нужно сделать чувствительной к прикосновениям только небольшую точку на экране. Для этого поместите две маленькие тарелки (оранжевую и синюю) над этой точкой.
Пропустите электрический ток через одну из пластин. Это означает, что там находится большое количество электронов (отрицательно заряженных частиц).
Природа всегда стремится к равновесию. Это означает, что внутри пластин и других объектов (например, пальцев) количество положительного и отрицательного заряда должно быть примерно одинаковым.
Однако на оранжевой пластине было так много электронов (отрицательно заряженных частиц), что она вытеснила их из батареи смартфона и вытолкнула. Они отскакивают друг от друга и пытаются объединиться с положительно заряженными частицами, но не могут.
На самом деле, поскольку мы предварительно отделили две пластины друг от друга, свободные электроны не могут перескочить на синюю пластину, где их с нетерпением ждут положительно заряженные частицы. Электрическое поле на оранжевой пластине продолжает отталкивать все «негативы» и притягивать «позитивы». Некоторые из них уже существуют на синей пластине.
Что произойдет, если вы прикоснетесь к этим пластинам пальцами или другими проводящими предметами?
Электрическое поле оранжевой пластины немедленно воздействует на палец, «частично переключая внимание» с положительного заряда в синей области на положительный заряд внутри пальца.
Ведь синяя пластина уже заполнена положительно заряженными частицами, и это «давление» очень велико, в то время как на палец «давления» нет. Положительные и отрицательные заряды свободно «плавают». Конечно, все это уменьшает количество положительно заряженных частиц в синей пластине, потому что влияние оранжевой пластины уменьшается и передается пальцу.
Это основы! Нам достаточно измерить эти нагрузки на пластины, и мы сразу видим, что рядом с ними есть лишние предметы — кто-то прикоснулся к экрану.
Чтобы сделать весь экран чувствительным, необходимо полностью покрыть его этими пластинами. Первый слой проводит ток, затем второй изолирующий слой, затем третий слой, который измеряет изменения нагрузки.
Все эти слои находятся прямо перед вами и перекрывают изображение, но их не видно, потому что все они сделаны из абсолютно прозрачных материалов. Например, в качестве изолятора может использоваться стекло, а сетка проводящих пластин изготавливается из оксида индия-олова. На экранах низкого качества сетки можно увидеть, если смотреть на экран под углом при ярком солнечном свете.
Что такое частота опроса сенсора. Или откуда в iPhone 120 Гц?
На фотографии выше очерчен глаз проводящего материала, но, конечно, я пропустил несколько размеров. Мы также не упомянули кое-что важное. Все оранжевые пластины соединены в ряды (ряды), а синие — в столбцы. Таким образом, на практике это выглядит примерно так
Зачем вы это делаете; ясно, что на экране сенсорный слой состоит не из 3 строк и 3 столбцов, а, например, из 80 строк и 40 столбцов, т.е. всего 3200 пересечений, анализирующих электрическое поле. Можете ли вы представить, какая схема потребуется для подключения каждого такого электрода к собственному источнику питания, чтобы можно было проанализировать 3200 областей на экране?
Вместо этого вы просто прикладываете напряжение ко всей строке и ко всему столбцу одновременно. Другими словами, соединены только строки и столбцы, поэтому схема будет выглядеть следующим образом
Но теперь возникает огромная проблема! Изменяйте напряжение в первом слое так, чтобы вокруг каждого сечения создавалось электрическое поле, и начинайте постоянно следить за изменениями электрического поля в каждом столбце. Опять же, все электроды (пластины) подключены к колонке.
При касании определенной точки система немедленно регистрирует изменение напряжения, но не в конкретной точке, а во всей колонке (колонка 7 на диаграмме).
Вы можете видеть, что экран распознает только то, что вы коснулись длинной линии, но не совсем, потому что он не анализирует конкретный проход электрода, а соединяет все в столбцы и строки.
Есть ли решение этой проблемы? Да, это просто! Прекратите подавать напряжение на всю решетку (весь экран) и позвольте свободным электронам «толкаться» только на первом столбце проводящей пластины. В результате электрическое поле будет генерироваться только вдоль одной линии.
Теперь, когда седьмой столбец «активирован», вы можете видеть, где именно находятся точки соприкосновения на первой линии и седьмом столбце. Как это произошло: электричество подавалось только на линию фронта, поскольку на всех остальных линиях электрическое поле отсутствовало.
Фактически, это решает проблему для первого ряда. Но как насчет других? Точно так же! Подайте напряжение на первый ряд, измерьте все столбцы, отключите ток в первом ряду и подайте напряжение на второй ряд. Колонки, с другой стороны, всегда подсчитывают изменения. Поэтому просто активируйте каждый ряд по очереди и проверьте столбцы. Достигнув последнего ряда, он возвращается к первому ряду.
Конечно, электроника создает «карту касания», полную картину того, где палец располагается на экране в каждом ряду. Ведь палец — это не тонкая ручка, но он всегда занимает большую площадь. Это означает, что электрическое поле (и емкость) изменяется на многих пересечениях одновременно. Таким образом, сохраняется значение напряжения каждой строки.
Теперь мы не увидим эту красоту, я буквально раздавил ее, и после некоторых опасений, я «разбил» такие крошки на два отдельных стакана, после чего основная часть экрана …
Содержание
До появления сенсорных экранов самым распространенным интерфейсом для ввода команд в электронные устройства были различные клавиатуры. Тот факт, что сенсорные экраны в принципе напоминают клавиатуры, может стать неожиданностью, хотя на первый взгляд они не имеют ничего общего с тачскринами. Давайте рассмотрим их конструкцию более подробно.
Клавиатуры представляют собой печатные платы с множеством рядов переключателей. Независимо от конструкции, мембранной или механической, при нажатии каждой клавиши происходит одно и то же. Компьютерная плата замыкает электрическую цепь под клавишей, компьютер регистрирует прохождение энергии к определенной точке цепи, «понимает», какая клавиша нажата, и выполняет соответствующую команду. Почти то же самое происходит с сенсорными экранами.
Существуют различные конструкции сенсорных экранов, большинство из которых являются устаревшими, неиспользуемыми или экспериментальными и никогда не появятся в устройствах массового производства. Прежде всего, я опишу реальную технологию — ту, с которой вы взаимодействуете каждый день, или, по крайней мере, ту, с которой вы можете столкнуться в повседневной жизни.
Резистивный сенсорный экран
Резистивные сенсорные экраны были изобретены в 1970 году и с тех пор мало изменились.
Эти экраны, оснащенные датчиками, имеют несколько дополнительных слоев поверх матки. Однако для них не требуется стол. Первые сенсорные устройства с сопротивлением не были экранами.
Нижний слой датчика состоит из стеклянной основы и называется слоем сопротивления. Он накладывается на прозрачное металлическое покрытие, которое часто передается от полупроводников, таких как оксид олова, например. Верхний слой сенсорного экрана, с которым пользователь взаимодействует, нажимая на экран, состоит из гибкой эластичной пленки. Это называется проводящим слоем. Между слоями остается слой воздуха или он равномерно заполнен мелкими изолирующими частицами. Четыре, пять или восемь электродов подключаются к сенсорному слою по краям и к датчику и микроконтроллеру. Чем больше электродов, тем выше чувствительность резистивного сенсорного экрана. Это связано с тем, что изменения в их напряжении постоянно контролируются.
Ниже показан экран с включенным долговечным сенсорным экраном. До сих пор ничего не произошло. Электричество свободно проходит через проводящий слой, но когда пользователь прикасается к экрану, верхняя мембрана прогибается, изолирующие частицы отделяются и касаются нижнего слоя сенсорного экрана, создавая контакт. После изменения напряжения на всех экранных электродах.
Контроллер с сенсорным экраном обнаруживает изменение напряжения и считывает показания электродов. Цены на 4, 5 и 8 варьируются. По разнице показаний между правым и левым электродами микроконтроллер вычисляет координаты x прикосновения, а по разнице напряжения между верхним и нижним электродами определяет координаты u и таким образом дает команду компьютеру. Точка касания на матрасе сенсорного слоя экрана.
Резистивные сенсорные экраны имеют длинный список недостатков. Например, они, как правило, не могут распознать два одновременных прикосновения. Плохо реагируют на холод. Из-за необходимости располагать слои между слоями сенсоров матрица таких экранов сильно теряет в яркости и контрастности, склонна отражать солнце и в целом хуже выглядит. Однако благодаря их устойчивости к инфекциям, возможности носить перчатки и, прежде всего, низкой стоимости, они продолжают использоваться в приложениях, где качество изображения является второстепенным вопросом.
Такие входы повсеместно присутствуют в недорогих устройствах массового потребления, таких как базы данных в общественных местах, и доступны на более ранних устройствах, таких как недорогие MP3-плееры.
Инфракрасный сенсорный экран
Распространенным, но важным вариантом сенсорного экрана является инфракрасный сенсорный экран. Он выполняет аналогичную функцию, но не имеет ничего общего с резистивными датчиками.
Инфракрасные сенсорные экраны состоят из светодиодов и светочувствительных картинок на противоположной стороне экрана. Светодиодные лампы освещают поверхность экрана невидимым инфракрасным светом, образуя своеобразную паутину или скоординированную паутину. Это напоминает охранные сигнализации, которые встречаются в шпионских фильмах и компьютерных играх.
Когда что-то касается экрана, прерываются два или более лучей света — палец, блестящая рука, стилус или карандаш. Фотоэлементы регистрируют это событие, а контроллер сенсорного экрана вычисляет, чего не хватает инфракрасным лучам, и использует это место для вычисления области экрана, где произошло прерывание. Остальное — сопоставление прикосновения с элементом интерфейса на экране в данном месте — является программным проектом.
Сегодня инфракрасные сенсорные экраны стоят на устройствах с нестандартными экранами, и добавление сенсорных уровней технически сложно или невозможно — например, электронные книги на базе E-link, такие как Amazon Kindle Touch и Sony eBooks. Кроме того, такие оснащенные датчиками устройства представляют интерес для военных благодаря своей простоте и простоте обслуживания.
Яндекс.Деньги 41001234893231 WebMoney (R296920395341 или Z333281944680) Иногда вы можете читать научно-технические новости моего канала в Telegram — Добро пожаловать).
Преимущества
Помимо низкой цены (такие экраны стоят примерно в два раза дешевле емкостных), точность резистивных экранов также немного зависит от состояния верхнего слоя, поэтому если он очень грязный или влажный, отклик сенсора остается практически неизменным.
Несмотря на возраст технологии, она по-прежнему обеспечивает самую точную сенсорную поверхность. На правильно откалиброванном экране действительно можно нажимать стилусом на определенные пиксели благодаря плотной полосатой сетке.
Недостатки
Из этого правила есть исключение: большинство экранов резисторов не распознают несколько касаний. Это означает, что экран понимает только одно касание (первое или самое сильное), что значительно сокращает возможности управления интерфейсом. Даже устройства с несколькими сенсорными технологиями имеют меньше точек соприкосновения, чем большинство обычных емкостных экранов.
Использование нескольких слоев снижает контрастность и яркость экрана. Коэффициент прохождения света составляет ~75%, что на ~15% ниже, чем в емкостных экранах. Таким образом, в устройствах с резистивным сенсором содержимое экрана сложнее рассматривать под прямыми солнечными лучами или при сильном искусственном освещении.
Использование двух слоев, разделенных небольшим зазором, является косвенной причиной низкой точности датчика. Держа стилус перпендикулярно экрану, можно добиться точности, но под углом точка, в которой нажимается стилус, не попадает на правильный пиксель, поэтому отклонение будет очень пиксельным (парализующий эффект).
Защитой резистивного экрана от случайного ввода является постоянное давление, которое преодолевает устройство для измерения команд. Поэтому резистивные экраны сложнее оснастить дополнительными защитными покрытиями, что только увеличивает предел активации. Помимо пластикового покрытия, необходимого для гибкости сенсорного слоя, резистивные экраны более чувствительны к повреждениям, особенно к царапинам, и даже могут разбиться при неправильном обращении (нажатии острыми предметами).
Несмотря на примерно 30 миллионов контактов на точку, экраны сопротивления повреждаются первыми и являются наименее надежными по этому показателю.
Вывод
Низкая стоимость и устойчивость к заражению (точнее, к сохранению точности ввода при заражении), в сочетании со всеми вышеперечисленными недостатками, обеспечили экранам сопротивления медленное исчезновение из общей тенденции. В некоторых позициях, таких как высокоскоростные платежные терминалы.
Особенностью резистивных устройств является использование обычного стилуса, который имеет меньшую поверхность и большую силу нажима, чем палец, что обеспечивает более точный ввод.
Стилус не является необходимым для небольших экранов (в основном для телефонов и КПК несколько лет назад), но может быть достаточно точного пальца для планшетов, хотя и не обязателен.
После того как несколько лет назад КПК были полностью вытеснены смартфонами и другими устройствами, стилус, казалось, навсегда покинул сцену, но сейчас он все чаще реинкарнирует в КПК, особенно в устройствах, находящихся между смартфонами и планшетами.
Поскольку резистивные экраны уже не так распространены, стилусы также немного изменились. Адаптированные к современным реалиям, они теперь выпускаются со специальными кончиками, которые распознаются емкостными дисплеями.
