Wischen statt drehen

Fachbeitrag in IoT Design 4+5/2018

Vor zehn Jahren setzte Apple mit dem ersten iPhone einen Meilenstein. Die Eigenschaften der neuartigen Touchscreen-Technologie „Projected Capacitive Touch Screen“ - kurz PCAP genannt - in Verbindung mit einem brillanten Display bestimmen seitdem den Stand der Technik. Warum sollte diese nicht auch auf die Türkommunikation übertragbar sein? Hy-Line Computer Components hat sich zur Aufgabe gemacht, nicht nur PCAP-Komponenten, sondern funktionsfähige Lösungen zu entwickeln, die in der Serie tadellos funktionieren.

Warum muss ich meine Heizung und meine Türsprechstelle altmodisch mit Drehknöpfen und Schaltern bedienen, wenn ich beim Telefonieren auf die Wählscheibe verzichten kann? Eben hatte ich noch das Smartphone in der Hand, und jetzt die vergilbte Kunststoffoberfläche mit den abgegriffenen Tasten – das geht doch besser. Nehmen wir also in Gedanken unser Smartphone auseinander und analysieren, was darin steckt. Hinter der Glasoberfläche befindet sich eine PCAP-Sensorfläche und darunter das Display, auf dem eine moderne Benutzeroberfläche für die Kommunikation mit dem Anwender sorgt. Die PCAP-Technologie bringt neue Freiheitsgrade: Das gesamte Bedienkonzept eines Gerätes ändert sich, da es durch Software bestimmt werden kann.

Klicken, wischen, zoomen – die Erwartungshaltung des Anwenders ist von der Erfahrung mit dem Smartphone geprägt. Gesten sind bekannt und werden für die Bedienung vorausgesetzt. Diese neuen Funktionen verlangen die Unterstützung durch einen ausreichend leistungsfähigen Prozessor mit Betriebssystem. Die Applikationssoftware führt den Anwender durch Menüs und Dialoge. Designer und Konstrukteure werden gefordert: Durch Smartphones beeinflusst, erwarten Anwender außerdem ein schickes Design mit viel Glas und möglichst ohne Ränder. Die neu gewonnenen Freiheiten so einzusetzen, dass sie sich in ein technisch und kommerziell erfolgreiches Produkt umsetzen lassen, gehört zu den Herausforderungen. Die PCAP-Technologie ist die erste, bei der die technische Funktion des Sensors von dem Design (im Sinne guten Aussehens) getrennt ist. Möglich ist dies, weil Sensor und Deckglas voneinander getrennt sind und erst bei der Integration in das Gesamtgerät zusammen gefügt werden.

Konzeption und Gerätedesign

Die Diagonale des PCAP-Sensors wird im Normalfall auf die des Displays abgestimmt, während sich die Abmessungen des Deckglases an den Gehäuseabmessungen orientieren können. So kann z. B. die gesamte Gerätefront einschließlich anderer Bedienelemente in Glas ausgeführt und das Display mit Sensor zentral angeordnet sein. Durch diese Möglichkeiten rückt das Deckglas in den Blickpunkt. Über die reine Schutzfunktion hinaus wird es zum Gestaltungsmerkmal. Damit es sich harmonisch einfügt, kann es vielseitig gestaltet werden; im Folgenden mögen nur ein paar Varianten aufgezählt werden. Da das Deckglas größer als die aktive Sensorfläche ist, wird der überstehende Rand bedruckt. Im Siebdruckverfahren können nicht nur verschiedene Hintergrundfarben, sondern auch Firmenlogo und Beschriftungen mehrfarbig aufgebracht werden. Besondere Technologien ermöglichen einen aus dem Automobil bekannten „Black-Panel-Effekt“, bei dem Bedien- oder Anzeigeelemente erst dann sichtbar werden, wenn sie aktiv sind. Auch eine Kamera für die Türfreisprechfunktion kann nahezu unsichtbar integriert werden. Die Bedruckung selbst befindet sich auf der Rückseite des Glases und ist somit vor Einflüssen wie Kratzern und Flüssigkeiten geschützt. Im Außenbereich ist Glas ein ideales Material, das auch gegen Vandalismusangriffe beständig ist. Die Oberfläche des Glases kann optisch veredelt werden, um störende Reflektionen des Umgebungslichts auf ein Minimum zu reduzieren. Ein weiterer Aspekt ist die Haptik: Der Finger des Bedieners gleitet gerne auf einer angerauten Oberfläche: man mache sich den Unterschied zwischen der Oberfläche einer Fensterscheibe und eines Mousepads bewusst. Hinter dem Deckglas, aber oberhalb des Displays befindet sich der Touch-Sensor. In ihn sind Elektroden integriert, die die Berührung des Deckglases durch den Finger registrieren. Ein Touch-Controller, der entweder auf einer separaten Controller-Leiterplatte oder als Chip-On-Flex aufgebaut ist, wertet Änderungen in den Kapazitäten der Elektroden aus und rechnet sie in Koordinaten um. Störsignale werden erkannt und ausgeblendet. Dadurch werden gleichzeitig hohe Empfindlichkeit, entsprechend leichter Berührung, ermöglicht und selbständige Auslösungen durch Störsignale verhindert.

Abb. 1: Deckglas mit COF-Controller
Abb. 1: Deckglas mit COF-Controller

Herausforderung für Entwickler

Abb. 2 Touchsteuerung für das Smarthome
Abb. 2 Touchsteuerung für das Smarthome

Da die im Sensor auszuwertenden Kapazitätsänderungen nur sehr klein sind, ist das System empfindlich auf äußere Einflüsse, die von elektrischen Feldern ausgehen. Bereits bei der Integration, also dem Einbau von Display, Sensor und Frontglas in das Gerätegehäuse, müssen bestimmte Regeln berücksichtigt werden, um die Auswertung über die gesamte Oberfläche gleichmäßig zu ermöglichen. So sind Störquellen aus der Systemelektronik, wie z. B. Schaltregler, von den empfindlichen Verbindungen zwischen Controller und Sensor möglichst auf Abstand zu halten, und der Display-Ausschnitt im (Metall-) Gehäuse nicht zu klein zu wählen. Hilfestellung erhält der Entwickler im Workshop PCAP und Glas, den Hy-Line regelmäßig in verschiedenen Städten veranstaltet. Sind die Bedingungen zur Integration erfüllt, wird die Controller-Firmware erstellt. Im Labor werden die Eigenschaften parametriert, z. B. die Zahl der gleichzeitigen Berührungen (von einem Finger bis hin zu über zehn), die Dicke des Frontglases und ob eine Bedienung mit Handschuhen gewünscht wird. Beim Einsatz im Freien kann die Unterdrückung von Touch-Ereignissen, die durch stehendes oder fließendes Wasser ausgelöst werden, oder eine Erkennung und Unterdrückung des aufgelegten Handballens gefordert sein. Um dies richtig einzustellen, gehört ein tiefes Verständnis der Funktionsweise des Controllers ebenso wie die Erfahrung aus bereits realisierten Projekten hinzu. Das fertige, abgestimmte PCAP-System arbeitet ohne weiteren Abgleich und langfristig stabil in der Serienproduktion.

Fazit

Projiziert-kapazitive Touch-Systeme stellen anfangs höhere Anforderungen an das Design und die Integration. Im fertigen Gerät zeigen sich die Vorteile gegenüber anderen Touch-Lösungen durch angenehme Bedienbarkeit, eine tadellose Optik, Resistenz gegenüber vielen Umwelteinflüssen und Kompatibilität zu zeitgemäßen Bedieneroberflächen. Die individuelle Gestaltung der Glasoberfläche ermöglicht Freiheit im Design und eine Anpassung an mechanische und optische Anforderungen. Durch das Fine Tuning sind die Systeme langzeitig stabil und arbeiten zuverlässig. Viele Merkmale, wie z. B. die Anzahl der gleichzeitig erkennbaren Touch-Ereignisse oder Unterdrückung unerwünschter Auslösungen sind durch die individuelle Parametrierung der Firmware des Touch-Controllers realisierbar.

 

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