觸摸屏的基本原理及應用

1 觸摸屏的基本原理

典型觸摸屏的工作部分一般由三部分組成，如圖1所示：兩層透明的阻性導體層、兩層導體之間的隔離層、電極。阻性導體層選用阻性材料，如銦錫氧化物(ITO)涂在襯底上構成，上層襯底用塑料，下層襯底用玻璃。隔離層為粘性絕緣液體材料，如聚脂薄膜。電極選用導電性能極好的材料(如銀粉墨)構成，其導電性能大約為ITO的1000倍。

觸摸屏工作時，上下導體層相當于電阻網絡，如圖2所示。當某一層電極加上電壓時，會在該網絡上形成電壓梯度。如有外力使得上下兩層在某一點接觸，則在電極未加電壓的另一層可以測得接觸點處的電壓，從而知道接觸點處的坐標。比如，在頂層的電極(X+,X－)上加上電壓，則在頂層導體層上形成電壓梯度，當有外力使得上下兩層在某一點接觸，在底層就可以測得接觸點處的電壓，再根據該電壓與電極(X+)之間的距離關系，知道該處的X坐標。然后，將電壓切換到底層電極(Y+,Y－)上，并在頂層測量接觸點處的電壓，從而知道Y坐標。

2 觸摸屏的控制實現

現在很多PDA應用中，將觸摸屏作為一個輸入設備，對觸摸屏的控制也有專門的芯片。很顯然，觸摸屏的控制芯片要完成兩件事情：其一，是完成電極電壓的切換；其二，是采集接觸點處的電壓值(即A/D)。本文以BB (Burr-Brown)公司生產的芯片ADS7843為例，介紹觸摸屏控制的實現。

2.1 ADS7843的基本特性與典型應用

ADS7843是一個內置12位模數轉換、低導通電阻模擬開關的串行接口芯片。供電電壓2.7~5 V，參考電壓VREF為1 V~+VCC，轉換電壓的輸入范圍為0~ VREF，最高轉換速率為125 kHz。ADS7843的引腳配置如圖3所示。表1為引腳功能說明，圖4為典型應用。


2.2 ADS7843的內部結構及參考電壓模式選擇

ADS7843之所以能實現對觸摸屏的控制，是因為其內部結構很容易實現電極電壓的切換，并能進行快速A/D轉換。圖5所示為其內部結構，A2~A0和SER/為控制寄存器中的控制位，用來進行開關切換和參考電壓的選擇。

ADS7843支持兩種參考電壓輸入模式：一種是參考電壓固定為VREF，另一種采取差動模式，參考電壓來自驅動電極。這兩種模式分別如圖6(a)、(b)所示。采用圖6(b)的差動模式可以消除開關導通壓降帶來的影響。表2和表3為兩種參考電壓輸入模式所對應的內部開關狀況。


2.3 ADS7843的控制字及數據傳輸格式

ADS7843的控制字如表4所列，其中S為數據傳輸起始標志位，該位必為1。A2~A0進行通道選擇(見表2和3)。

MODE用來選擇A/D轉換的精度，1選擇8位，0選擇12位。

SER/選擇參考電壓的輸入模式(見表2和3)。PD1、PD0選擇省電模式：

00省電模式允許，在兩次A/D轉換之間掉電，且中斷允許；

01同00，只是不允許中斷；

10保留；

11禁止省電模式。

為了完成一次電極電壓切換和A/D轉換，需要先通過串口往ADS7843發送控制字，轉換完成后再通過串口讀出電壓轉換值。標準的一次轉換需要24個時鐘周期，如圖7所示。由于串口支持雙向同時進行傳送，并且在一次讀數與下一次發控制字之間可以重疊，所以轉換速率可以提高到每次16個時鐘周期，如圖8所示。如果條件允許，CPU可以產生15個CLK的話(比如FPGAs和ASICs),轉換速率還可以提高到每次15個時鐘周期，如圖9所示。


2.4 A/D轉換時序的程序設計

ADS7843的典型應用如圖4所示。假設μP接口與51單片機的P1.3~P1.7相連，現以一次轉換需24個時鐘周期為例，介紹A/D轉換時序的程序設計。

; A/D 接口控制線

DCLK BIT P1.3

CS BIT P1.4

DIN BIT P1.5

BUSY BIT P1.6

DOUT BIT P1.7

; A/D 通道選擇命令字和工作寄存器

CHX EQU 094H ;通道X+的選擇控制字

CHY EQU 0D4H;通道Y+的選擇控制字

CH3 EQU 0A4H

CH4 EQU 0E4H

AD_CH EQU 35H ;通道選擇寄存器

AD_RESULTH EQU 36H ;存放12 bit A/D值

AD_RESULTL EQU 37H

; 存放通道CHX+的A/D值

CHXAdResultH EQU 38H

CHXAdResultL EQU 39H

; 存放通道CHY+的A/D值

CHYAdResultH EQU 3AH

CHYAdResultL EQU 3BH

; 采集通道CHX+的程序段(CHXAD)

CHXAD: MOV AD_CH,#CHX

LCALL AD_RUN

MOV CHXAdResultH,AD_RESULTH

MOV CHXAdResultL,AD_RESULTL

RET

; 采集通道CHY+的程序段(CHYAD)

CHYAD: MOV AD_CH,#CHY

LCALL AD_RUN

MOV CHYAdResultH,AD_RESULTH

MOV CHYAdResultL,AD_RESULTL

RET

; A/D轉換子程序(AD_RUN)

; 輸入: AD_CH-模式和通道選擇命令字

; 輸出: AD_RESULTH,L ;12 bit的A/D轉換值

; 使用: R2 ;輔助工作寄存器

AD_RUN:

CLR CS ; 芯片允許

CLR DCLK

MOV R2,#8 ;先寫8 bit命令字

MOV A,AD_CH

AD_LOOP:

MOV C, ACC.7

MOV DIN,C ;時鐘上升沿鎖存DIN

SETB DCLK ;開始發送命令字

CLR DCLK ;時鐘脈沖，一共24個

RL A

DJNZ R2,AD_LOOP

NOP

NOP

NOP

NOP

ADW0: JNB BUSY,AD_WAIT ;等待轉換完成

SJMP ADW1

AD_WAIT:

LCALL WATCHDOG

NOP

SJMP ADW0

CLR DIN

ADW1: MOV R2,#12 ;開始讀取12bit結果

SETB DCLK

CLR DCLK

AD_READ:

SETB DCLK

CLR DCLK ;用時鐘的下降沿讀取

MOV A,AD_RESULTL

MOV C,DOUT

RLC A

MOV AD_RESULTL,A

MOV A,AD_RESULTH

RLC A

MOV AD_RESULTH,A

DJNZ R2,AD_READ

MOV R2,#4 ;最后是沒用的4個時鐘

IGNORE:

SETB DCLK

CLR DCLK

DJNZ R2,IGNORE

SETB CS ;禁止芯片

ANL AD_RESULTH,#0FH ;屏蔽高4 bit

RET

2.5 A/D轉換結果的數據格式

ADS7843轉換結果為二進制格式。需要說明的是，在進行公式計算時，參考電壓在兩種輸入模式中是不一樣的。而且，如果選取8位的轉換精度，1LSB=VREF/256，一次轉換完成時間可以提前4個時鐘周期，此時串口時鐘速率也可以提高一倍。

結束語

在許多嵌入式系統中，CPU提供專門的模塊來支持液晶顯示和觸摸屏的輸入，使得接口非常簡單。比如，MOTOROLA的MC68VZ328(稱為 Dragon Ball)就提供專門的引腳來支持8位和4位的液晶顯示，對觸摸屏的支持通過SPI2借助ADS7843也很容易完成。