Touchscreen grandi e semplici

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Nel momento in cui aumentano le dimensioni dello schermo, il problema principale della tecnologia tattile capacitiva è mantenere le medesime prestazioni che gli utenti si aspettano da un telefono cellulare, ma su uno schermo più grande.

Anno dopo anno, le dimensioni dello schermo dei dispositivi elettronici consumer sensibili al tocco (touch enabled) continuano ad aumentare. I touchscreen si sono diffusi a macchia d'olio negli smartphone prima e successivamente nei tablet. Con l'avvento di Windows8, la tecnologia touchscreen è ora disponibile su ultrabook, notebook e PC"all-in-one".Nel momento in cui aumentano le dimensioni dello schermo, il problema principale della tecnologia tattile capacitiva è mantenere le medesime prestazioni che gli utenti si aspettano da un telefono cellulare ma su uno schermo più grande. Ciò si traduce nella necessità di eseguire la scansione di un numero maggiori di intersezioni su un'area più grande nel medesimo periodo di tempo. Il processore, inoltre, deve poter operare con un segnale più debole e in presenza di un livello di rumore maggiore cercando nel contempo di preservare la velocità, la precisione e la rapidità di risposta necessarie per garantire la miglior fruizione da parte dell'utilizzatore.
In tutti i dispositivi touchscreen la tendenza più evidente è l'aumento delle dimensioni dello schermo. Nel caso dei touchscreen di tipo capacitivo questo incremento non è solamente finalizzato all'ingresso in nuovi segmenti di mercato, ma anche a soddisfare le esigenze degli attuali settori di riferimento. Gli Oem che producono smartphone di fascia alta stanno passando dagli smartphone ai superphone: per prodotti di questo tipo le maggiori dimensioni dello schermo sono un elemento di differenziazione di fondamentale importanza. Nel mondo dell'elettronica consumer, le categorie di prodotto principali sono gli smartphone (con dimensioni dello schermo comprese tra 3 e 5"), i supephone o phablet (da 5 a 8"), i tablet (da 8 a 1,,6") gli ultrabook (da 11,6 a 15,6") e i notebook (che arrivano a 17"). I tablet sono considerati i dispositivi caratterizzati dai tassi di crescita più elevati nel segmento dei dispositivi mobili: entro il 2015 le vendite di tablet dovrebbero superare quelle dei Pc. I costruttori di Pc, dal canto loro, stanno spostando la loro attenzione verso progetti di tipo "touch friendly", come ad esempio i notebook convertibili che possono funzionare anche come tablet. Ovviamente gli utilizzatori si aspettano che i dispositivi dotati di schermo di più ampie dimensioni garantiscano prestazioni e tipologia di fruizione del tutto analoghe a quelle dei loro smartphone. Tutte queste azioni modificano le proprietà elettriche di un dispositivo. Tra gli "ingredienti" base che garantiscono una fruizione affidabile e caratterizzata da rapidità di reazione si possono annoverare i seguenti: sensibilità, possibilità di rilevare più oggetti tattili (come ad esempio uno stilo) in movimento, possibilità di riconoscere e rilevare il tocco delle dita in ambienti rumorosi, possibilità di riconoscere e rilevare il tocco delle dita in differenti condizioni ambientali e mantenere un consumo accettabile per non penalizzare la durata della batteria. La fruizione da parte dell'utilizzatore può essere definita come la modalità di reazione del dispositivo quando l'utente tocca lo schermo in diverse condizioni operative.

I touchscreen capacitivi

I touchscreen capacitivi funzionano mediante il pilotaggio di una tensione di trasmissione in un panello sensore presente sul dispositivo che crea una carica di segnale. Il segnale è ricevuto dal controllore del touchscreen che è in grado di determinare la capacità del sensore mediante la misura della variazione della carica del sensore. La corrente ricevuta dal chip è equivalente alla capacità del pannello moltiplicata per la tensione del circuito di pilotaggio (Q1 = C * VTX). Un apposito circuito (baseline) è in grado di eliminare la carica nominale del sensore non imputabile al tocco in modo che il sistema possa focalizzarsi sulla misura della variazione della carica del sensore ascrivibile al tocco delle dita. Ciò contribuisce a migliorare sensibilità, risoluzione e misura del tocco. L'aumento delle dimensioni dei touchscreen capacitivi comporta un incremento delle problematiche di natura tecnica da risolvere. Nel caso di schermi di ampie dimensioni il principale ostacolo è rappresentato dal fatto che la tensione di trasmissione deve coprire un'area più vasta e la resistenza e la capacità del sensore aumentano. Valori più elevati di resistenza e capacità parassite influenzano la costante di tempo RC, con una conseguente diminuzione della frequenza di trasmissione. La frequenza di funzionamento di trasmissione influenza diversi parametri tra cui assestamento del segnale, velocità di refresh e consumo di potenza. L'obbiettivo è determinare le condizioni che permettano di ottenere la massima frequenza di funzionamento capace di garantire la coerenza della risposta al tocco in tutto il pannello minimizzando tempo di scansione e consumi. Numerosi dispositivi elettronici consumer richiedono la presenza di controllori per touchscreen caratterizzati da una velocità di refresh superiore a 100 Hz (circa 10 ms). In talune applicazioni, come ad esempio i terminali Point Of Sale o le tavolette grafiche digitali, sono richieste velocità di refresh anche superiori per acquisire e riconoscere firme e tratti di penna eseguiti velocemente. Nel caso di schermi di ampie dimensioni è difficile garantire una elevata velocità di refresh in quanto il controllore deve eseguire lo sweep (ovvero la scansione) di un'area più grande, raccogliere i dati provenienti da tutte le intersezioni ed elaborare i dati acquisiti. I due elementi che influenzano in misura maggiore la velocità di refresh sono la velocità di scansione dello schermo e la velocità di elaborazione dei dati acquisiti mediante questo processo. Si tenga presente che uno schermo da 17" ha un numero di intersezioni 11 volte superiore rispetto a quelle di uno schermo da 5" a parità di caratteristiche del sensore (3.108 contro 275). Per garantire all'utente una fruizione simile a quella di uno schermo a 5" su uno schermo da 17" è quindi necessario effettuare un numero maggiore di scansioni e disporre di una maggiore potenza di elaborazione.

Il problema della scansione

Una tecnica che può contribuire a risolvere il problema della scansione prevede il ricorso a un controllore per touchscreen dotato di un numero di canali di ricezione sufficiente per eseguire lo "spazzolamento" dello schermo in un'unica passata. La maggior parte degli strati che compongono un touchscreen (stack-up) sono formati da pattern (in pratica schemi) di sensori che si trovano al di sotto del vetro di copertura disposti in un array di "celle unitarie" che si trovano lungo le direzioni x e y: x può essere il lato trasmissione e y il lato ricezione o viceversa. Il canale di ricezione acquisirà i dati e utilizzerà convertitori D/A per convertire la variazione della mutua capacità di ciascuna cella unitaria in dati digitali destinati all'host a cui spetta il compito di localizzare le coordinate di tocco del dito. Se il numero di canali di ricezione o quello dei convertitori D/A è insufficiente, saranno necessarie più scansioni (e quindi un tempo maggiore) per eseguire lo spazzolamento dell'intero pannello. Di consequenza sarà possibile acquisire un numero inferiore di campioni in un determinato periodo di tempo, penalizzando in tal modo la fruizione da parte dell'utente.

Il problema dell'elaborazione

Per risolvere il problema legato all'elaborazione è possibile equipaggiare il controllore per touchscreen con un processore più potente oppure trasferire alcuni compiti di elaborazione all'unità di elaborazione principale del sistema. Ciò significa inviare i dati relativi alla capacità all'host e far girare algoritmi sul processo grafico o applicativo. Una possibile soluzione potrebbe essere quella di utilizzare il controllore per touchscreen per effettuare la scansione del sensore, cercare il primo tocco e trasferire l'immagine al processore host. Quest'ultimo si occuperà di elaborare l'intero array, filtrare il rumore, identificare le coordinate del tocco e rilevare l'ID delle dita. L'uso dell'elaborazione parallela consente di effettuare un gran numero di calcoli complessi sfruttando processori multi-core operanti a frequenze di parecchi GHz che vengono utilizzati come host per il touchscreen e il display. Il sensore su un pannello touchscreen agisce alla stregua di un'antenna di ampie dimensioni in grado di "raccogliere" il rumore, sia ambientale sia del sistema, proveniente ad esempio da lampade fluorescenti, Lcd o caricabatterie.

Il problema delle interferenze

Poiché schermi più grandi si comportano come antenne di più ampie dimensioni, è più facile “raccogliere” il rumore e saturare in tal modo un canale di ricezione. Ciò influenza sensibilmente le prestazioni di rilevamento tattile provocando falsi tocchi, mancato rilevamento di tocchi oppure il blocco totale del touchscreen che non sarà quindi in grado di riportare alcun dato. Per affrontare in maniera efficace il problema delle interferenze il controllore per touchscreen deve essere in grado di incrementare il segnale o ridurre il rumore. Per ottenere un miglior rapporto tra segnale e rumore è possibile aumentare la tensione di trasmissione per aumentare l'intensità del segnale, utilizzare filtri hardware e digitali per ridurre il rumore o utilizzare la tecnica di "frequency hopping" per consentire l'allontanamento dalle frequenze più rumorose.
Il rapporto tra segnale e rumore aumenta in maniera lineare rispetto alla tensione di trasmissione. Questa può essere erogata da una pompa di carica o da un driver Vdda. Una pompa di carica può prelevare una tensione di alimentazione compresa fra 2,7 e 3 V, tipica di molti dispositivi elettronici consumer, e aumentarne il valore. Nel caso di schermi di ampie dimensioni il problema deriva dal fatto che una pompa di carica ha un'intensità di pilotaggio limitato per pannelli caratterizzati da elevata capacità. Per tale motivo è necessario aggiungere una pompa di carica o un alimentatore esterno, con conseguente aumento sia dei costi sia dei consumi di potenza. Nel caso l'intensità del segnale non sia sufficiente, l'altra opzione è minimizzare il rumore. In prima istanza è possibile utilizzare filtri per creare un'immagine capacitiva più “pulita”. Se questa metodologia non risulta efficace, è possibile ricorrere in seconda istanza alla tecnica di salto in frequenza (frequency hopping) al fine di individuare una frequenza meno problematica in termini di interferenza. Come menzionato all'inizio dell'articolo, pannelli più grandi sono caratterizzati da valori più elevati di capacità e resistenza che influenzano la costante di tempo RC dando luogo a una frequenza di trasmissione inferiore. Una frequenza minore complica la scansione del pannello al di fuori del range di rumore. Una frequenza di trasmissione più elevata, per contro, dà la possibilità al controllore per touchscreen di allontanarsi dalla sorgente di rumore. Una frequenza di trasmissione massima di 350 MHz (o anche maggiore) sarebbe la soluzione ideale ma è necessario tenere in considerazione la necessità di individuare il miglior compromesso tra Snr, velocità di refresh e consumo per ottimizzare ciascun dispositivo in base agli obiettivi dell'utilizzatore.

Il problema del consumo energetico

Nel momento in cui cresce l'esigenza di mobilità, il consumo di potenza diventa il principale elemento di scelta per i dispositivi elettronici portatili. Indagini di mercato evidenziano che la maggior parte degli utilizzatori ritiene che la durata della batteria sia una delle più importanti caratteristiche da tenere in considerazione nel processo di selezione. Solitamente i consumi aumentano negli schermi di ampie dimensioni a causa dell'incremento delle dimensioni dell'Lcd. Quest'ultimo è uno dei maggiori responsabili dei consumi dell'intero sistema. Un metodo per garantire una lunga durata della batteria è prevedere un pacco batterie più grande per il sistema. In questo modo cresce il peso di quest'ultimo, fatto questo che potrebbe avere ripercussioni negative sulla portatilità. Un'altra alternativa potrebbe essere quella di diminuire le prestazioni mediante la riduzione della velocità di refresh e della tensione di trasmissione, la disabilitazione di vari filtri digitali o la diminuzione del numero di alimentatori analogici e digitali. Anche in questo caso vi potrebbero essere riflessi negativi per la fruizione da parte dell'utilizzatore. Nel momento in cui peso e prestazioni tendono a rivestire un ruolo sempre più critico, la migliore soluzione per aumentare la durata della batteria è ottimizzare la potenza assorbita dai singoli componenti del sistema. Dal punto di vista del controllore, ciò significa prevedere schemi di gestione della potenza flessibili per il dispositivo. Il consumo di potenza complessivo dipende dallo stato o dal tasso di utilizzo del dispositivo. Un controllore per touchscreen "intelligente" ed efficiente in termini energetici disporrà di funzioni di gestione della potenza specifiche per ciascuno stato in cui si trova il dispositivo. Per ognuno di tali stati - attivo, a basso consumo e deep sleep - sarà disponibile uno schema in grado di ridurre il consumo di potenza. Tutto ciò viene gestito dai parametri di configurazione del controllore per touchscreen.

Un approccio a livello di sistema

Per garantire una fruizione ottimale all'aumentare delle dimensioni dello schermo è necessario adottare un approccio a livello di sistema. I touchscreen sono limitati da fattori fisici e se la tecnologia tattile vuole rimanere il punto di riferimento per i dispositivi elettronici consumer portatili integrazione e “ingegnosità” sono i fattori chiave. Sono stati sviluppati nuovi materiali per incrementare la velocità del pannello e sono state definite nuove architetture di elaborazione a livello di host per consentire il trasferimento di calcoli complessi. I continui miglioramenti a livello sia hardware sia software permettono di aumentare l'intensità del segnale e filtrare in maniera più efficace il rumore, mentre l'adozione di un approccio a livello di sistema per i consumi di potenza consente di aumentare la durata della batteria. Affrontare e risolvere tutte queste problematiche garantendo nel contempo una riduzione dei costi continua a rivelarsi una sfida impegnativa per i progettisti.

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