До некоторого времени я и сам считал, что тачскрины и тачпады построены на основе матрицы перекрещивающихся проводников, подобно пленочной клавиатуре. Однако появление сенсорных экранов с размерами 17 и более дюймов с высоким разрешением заставило в этом усомниться — сколько же нужно сделать выводов от матрицы и сколько входов должен иметь в таком случае считывающий информацию контроллер! Контактные выводы в наше время обходятся в массовом производстве сильно дороже, чем кремниевые чипы. Несмотря на то что существуют и «матричные» системы (о них чуть позже), основной рынок все же не за ними. На самом деле все гениальное — просто. И не нужно лезть в цифру, когда с головой хватает аналоговых решений. Итак, самая простая, но до сих пор чаще всего применяемая технология координатных сенсорных датчиков носит название резистивной матрицы.
Для разных типов резистивных матриц сегодня выпускается достаточное количество специализированных контроллеров (даже тип разъема и порядок разводки сигналов самой матрицы вполне устоялся, хоть и не принят как стандарт). Коммутация шин производится ключами на полевых транзисторах. Преобразованием и оцифровкой сигналов занимается 4—6-канальный АЦП (обычно интегрирующий, на основе таймера, порядка 12 бит разрешения, с быстродействием около 100 тысяч отсчетов в секунду); «лишние» каналы заняты измерением опорного напряжения и температуры, сильно влияющих на точность. Кроме того, контроллер содержит и один из вариантов последовательного интерфейса (больших скоростей передачи здесь не требуется, так что начиналось все с RS-232, а в последнее время применяется SPI или USB). Для примера привожу структурную схему контроллера AD7873 от Analog Devices.
На две поверхности (нижняя обычно стеклянная, а верхняя пленочная) напылен сплошной тонкий слой проводящего материала (столь тонкий, что прозрачность его зачастую превышает 90%). Поверхности обращены проводящим слоем друг к другу. Дабы проводники не замыкались самопроизвольно, на одну из поверхностей наносится «сетка» точечных полимерных изоляторов. В свободном состоянии слои не касаются друг друга ни в одной точке. Когда же к верхней (пленочной, то есть легко деформируемой) поверхности прикладывается некоторое усилие, происходит замыкание проводников и… Если вы думаете, что с такой конструкции можно снять только двоичный сигнал замкнуто/не замкнуто, то ошибаетесь. Проводящий слой имеет вовсе не нулевое сопротивление, и при замыкании образуется эквивалент резистивного делителя, с которого можно снять аналоговый сигнал, пропорциональный координате точки замыкания.
Один из первых способов построения резистивных матриц — 4-выводной (4-wire). Вдоль вертикальных сторон верхней поверхности, по ее краям, наносятся металлизированные дорожки с очень малым сопротивлением. Такие же две дорожки наносятся и на нижнюю поверхность, но уже по горизонтальным сторонам. Соответственно четыре вывода в разъеме матрицы подключены к этим четырем дорожкам. Никаких сложных математических расчетов параметров четырехполюсника здесь не требуется. Для измерения горизонтальной координаты на вертикальные шины подается заранее известная разность потенциалов — одна замыкается на «землю», вторая — на плюсовой выход опорного источника напряжения. Горизонтальные же шины соединяются вместе и служат средней точкой получившегося резисторного делителя. Для измерения вертикальной координаты производится соответствующая перекоммутация. Кроме того, с подобного датчика легко снимается дискретный сигнал факта нажатия.
Разумеется, зависимость координат от сопротивления нелинейна, это компенсируется как аппаратно (специальной формой «шин» по краю плоскости, к которой подключены выводы), так и программно — калибровкой. В зависимости от размера тачскрина и необходимой точности используется от 4 до 24 точек калибровки. Обойтись совсем без программной калибровки в таких матрицах не удается, поскольку кроме теоретических нелинейностей есть еще и практические — отклонения толщины напыленного резистивного слоя и его старение (особо актуальное для легко деформируемой верхней плоскости). Описанная матрица сегодня применяется в тачскринах с диагональю до 8—10 дюймов.