Touchscreen vs. Button Interface Design:Kapazitive und resistive Touchscreens und Haptik

Erfahren Sie mehr über einige der wichtigsten Grundlagen, um zu verstehen, wie sich Schnittstellentechnologien entwickelt haben.

In einem All About Circuits/Moore's Lobby-Podcast mit dem Titel Episode 10:NASA Astronaut Matthew Dominick on Critical Engineering in Aerospace Technology war ein Thema unter vielen, das Dave Finch und der Astronaut Matthew Dominick angesprochen haben:wichtig im Cockpit eines Kampfjets?

Diese Frage soll in der folgenden Diskussion historisch und technisch ausführlich beantwortet werden. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die folgenden Konzepte:

• Mechanische Tasten-/Tastaturschnittstellen
• Touchscreens (resistiv und kapazitiv)
• Haptisches Feedback (insbesondere vibrierende Haptik)

Dadurch erhalten wir die grundlegenden konzeptionellen Informationen, die wir benötigen, um die Bedeutung der Displaytechnologie in Luft- und Raumfahrtanwendungen besser zu verstehen.

Mechanische Tasten-/Tastaturschnittstellen

Diese Art von Legacy-Benutzerschnittstelle stellt dem Benutzer eine taktile Reaktion bereit, die in Form einer mechanischen Reaktion sein kann. Diese Arten von Tastaturen sind besser für Benutzer geeignet, die Handschuhe tragen. Physische Tastaturen sind in der Regel genauer, da die Tasten stärker voneinander isoliert sind als die meisten Touchscreens; dies hilft, Fehler bei der Aktivierung benachbarter Tasten zu vermeiden.

Mechanische Tastatursysteme sind kostengünstiger als Touchscreens und in der Regel leichter (normalerweise nur um ein paar Gramm), da weniger Technologie im Display benötigt wird als bei einem Touchscreen.

Touchscreen-Technologien

Touchscreens können ein mechanisches Gefühl vermitteln, aufleuchten oder einen Ton ausgeben, wenn sie gedrückt werden, aber während des Tippens oder Drückens dieser Tasten nacheinander können Benutzer versehentlich benachbarte Tasten viel einfacher berühren als bei einer mechanischen Tastatur. Touchscreens sind normalerweise flach und haben keine echten Barrieren, die benachbarte Tasten voneinander trennen, wie bei einer mechanischen Tastatur.

Ihr Vorteil gegenüber einer mechanischen Tastatur ist ihre höhere Zuverlässigkeit in schmutzigen oder rauen Umgebungen. Einige mechanische Tastaturen haben eine flexible Membrankonstruktion, die die Tasten schützt und diese Art von Zuverlässigkeitsproblemen verhindert, indem Schmutz und Ablagerungen ferngehalten werden.

Ihr Hauptnachteil ist, dass sie machthungriger sind; dies ist in einem batteriebetriebenen System nachteilig. Außerdem kann es bei direkter Beleuchtung zu Sehproblemen kommen.

Zwei der beliebtesten Arten von Touchscreens sind resistive und kapazitive.

Widerstandsfähiger Touchscreen

Diese Architektur erfordert zwei klare leitfähige Schichten (Glas- oder Acrylsubstrat und eine Polyester-Deckschicht), die durch isolierende Punkte getrennt sind. Wenn ein Finger die oberste Schicht berührt, kommt es zu einem Kontakt zwischen den beiden Schichten. Die Berührung wird verfolgt, indem zuerst ein Spannungsgradient an die Schichten nacheinander entlang einer X- und Y-Achse angelegt wird (wobei die gegenüberliegende Schicht als Spannungssonde verwendet wird). Ein Controller bestimmt die X- und Y-Position des Kontakts basierend auf dem Spannungspegel, der von der geprüften Schicht gemeldet wird.

Abbildung 1. Eine resistive Touchscreen-Konstruktion. Bild mit freundlicher Genehmigung von Wilson Hurd

Diese Art von Design ist kostengünstig und verbraucht wenig Energie. Es ist unempfindlich gegenüber Flüssigkeiten. Er muss möglicherweise gelegentlich kalibriert werden und ist anfälliger für Beschädigungen und Verschleiß.

Kapazitiver Touchscreen

Vergleichen Sie das obige resistive Touchscreen-Konzept mit einem kapazitiven Touchscreen. Bei diesem Design wird die Spannung an den Ecken des Bildschirms angelegt. Elektroden am Rand des Bildschirms erzeugen ein elektrisches Feld über die leitfähige Oberfläche, das es ermöglicht, einen Finger auf dem Bildschirm zu verfolgen, indem die Kapazitätsänderung gemessen wird, die durch die Stromaufnahme der leitfähigen Oberfläche des Fingers verursacht wird.

Abbildung 2. Eine kapazitive Touchscreen-Konstruktion. Bild mit freundlicher Genehmigung von Wilson Hurd

Diese Art von Design verwendet eine solide Glasscheibe mit hervorragender optischer Leistung, keine mechanischen Bewegungen mit hoher Ausdauer und verfügt über Multi-Touch- und Gestenfunktionen. Benutzer können ihren bloßen Finger, Handschuhe oder einen aktiven Eingabestift verwenden. Die Architektur hält extremen Umwelteinflüssen stand, ist hochpräzise, ​​aber anfällig für EMI.

Um einen tieferen Einblick in dieses Konzept zu erhalten, lesen Sie Robert Keims Einführung in die kapazitive Berührungserkennung.

Haptisches Feedback

Haptisches Feedback ist ein weiteres Mittel der bidirektionalen Kommunikation zwischen Mensch und Computer und umfasst sensorisches Feedback, um die Benutzererfahrung zu verbessern. Berührung, Sicht und Ton verbessern die Benutzeroberfläche und geben dem Benutzer Vertrauen und Bestätigung, dass die Touchscreen-Taste gedrückt wurde. Physisches Feedback ist für die Zuverlässigkeit in Situationen wie in militärischen Kampfflugzeugen unerlässlich, in denen der Pilot seine Umgebung kontinuierlich visuell scannen muss.

Vibrierende Haptik

Eine Möglichkeit, einem Benutzer die Gewissheit zu geben, dass die Schaltfläche, die er berührt, tatsächlich die gewünschte Reaktion auslöst, ist die Haptik. Der haptische Effekt kann über Stehwellengeneratoren und Drucksensoren auf einem herkömmlichen Touchscreen überlagert werden; Bei einer Berührung wird eine Schallwelle erzeugt, die dem Benutzer das Gefühl gibt, eine Taste zu drücken und eine positive Rückmeldung auf einer herkömmlichen Tastatur zu erhalten. Dies ist besonders bei militärischen Kampfflugzeugen kritisch und kann Raumfahrzeugsysteme verbessern.

Abbildung 3. Die Basisarchitektur für ein vibrierendes haptisches System in einem Touchscreen. Bild mit freundlicher Genehmigung von Catelani, Ciani, Barile und Liberatori über IEEE Xplore

Im nächsten Artikel werden wir darüber sprechen, wie diese Technologien vom PalmPilot auf das Display der F-18 Super Hornet angewendet wurden, was Matthew Dominick in der Moore's Lobby-Episode besprochen hat.