觸摸屏的工作原理及典型應(yīng)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(dǎo)體層、兩層導(dǎo)體之間的隔離層、電極。阻性導(dǎo)體層選用阻性材料，如銦錫氧化物（ITO）涂在襯底上構(gòu)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(dǎo)電性能極好的材料（如銀粉墨）構(gòu)成，其導(dǎo)電性能大約為ITO的1000倍。

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

2 觸摸屏的控制實(shí)現(xiàn)

　　現(xiàn)在很多PDA應(yīng)用中，將觸摸屏作為一個(gè)輸入設(shè)備，對(duì)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(diǎn)處的電壓值（即A/D）。本文以BB(Burr-Brown)公司生產(chǎn)的芯片ADS7843為例，介紹觸摸屏控制的實(shí)現(xiàn)。

2.1 ADS7843的基本特性與典型應(yīng)用

　　ADS7843是一個(gè)內(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換、低導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)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(zhuǎn)換電壓的輸入范圍為0~ VREF，最高轉(zhuǎn)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(yīng)用。

2.2 ADS7843的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及參考電壓模式選擇

　　ADS7843之所以能實(shí)現(xiàn)對(duì)觸摸屏的控制，是因?yàn)槠鋬?nèi)部結(jié)構(gòu)很容易實(shí)現(xiàn)電極電壓的切換，并能進(jìn)行快速A/D轉(zhuǎn)換。圖5所示為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，A2~A0和SER/為控制寄存器中的控制位，用來進(jìn)行開關(guān)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(dòng)模式，參考電壓來自驅(qū)動(dòng)電極。這兩種模式分別如圖6(a)、 (b)所示。采用圖6(b)的差動(dòng)模式可以消除開關(guān)導(dǎo)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(duì)應(yīng)的內(nèi)部開關(guān)狀況。

2.3 ADS7843的控制字及數(shù)據(jù)傳輸格式

　　ADS7843的控制字如表4所列，其中S為數(shù)據(jù)傳輸起始標(biāo)志位，該位必為"1"。A2~A0進(jìn)行通道選擇（見表2和3）。MODE用來選擇A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換，需要先通過串口往ADS7843發(fā)送控制字，轉(zhuǎn)換完成后再通過串口讀出電壓轉(zhuǎn)換值。標(biāo)準(zhǔn)的一次轉(zhuǎn)換需要24個(gè)時(shí)鐘周期，如圖7所示。由于串口支持雙向同時(shí)進(jìn)行傳送，并且在一次讀數(shù)與下一次發(fā)控制字之間可以重疊，所以轉(zhuǎn)換速率可以提高到每次16個(gè)時(shí)鐘周期，如圖8 所示。如果條件允許，CPU可以產(chǎn)生15個(gè)CLK的話（比如FPGAs和ASICs）,轉(zhuǎn)換速率還可以提高到每次15個(gè)時(shí)鐘周期，如圖9所示。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序的程序設(shè)計(jì)

　　ADS7843的典型應(yīng)用如圖4所示。假設(shè)μP接口與51單片機(jī)的P1.3~P1.7相連，現(xiàn)以一次轉(zhuǎn)換需24個(gè)時(shí)鐘周期為例，介紹A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序的程序設(shè)計(jì)。

; 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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shí)鐘上升沿鎖存DIN
SETB DCLK ;開始發(fā)送命令字
CLR DCLK ;時(shí)鐘脈沖，一共24個(gè)
RL A
DJNZ R2,AD_LOOP
NOP
NOP
NOP
NOP
ADW0: JNB BUSY,AD_WAIT ;等待轉(zhuǎn)換完成
SJMP ADW1
AD_WAIT:
LCALL WATCHDOG
NOP
SJMP ADW0
CLR DIN
ADW1: MOV R2,#12 ;開始讀取12bit結(jié)果
SETB DCLK
CLR DCLK
AD_READ:
SETB DCLK
CLR DCLK ;用時(shí)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(gè)時(shí)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(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)格式

　　ADS7843轉(zhuǎn)換結(jié)果為二進(jìn)制格式。需要說明的是，在進(jìn)行公式計(jì)算時(shí)，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(zhuǎn)換精度，1LSB=VREF/256，一次轉(zhuǎn)換完成時(shí)間可以提前4個(gè)時(shí)鐘周期，此時(shí)串口時(shí)鐘速率也可以提高一倍。

結(jié)束語

　　在許多嵌入式系統(tǒng)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(duì)觸摸屏的支持通過SPI2借助ADS7843也很容易完成。

參考文獻(xiàn)
1 MC68VZ328 Integrated Processor User's Manual
2 M68VZ328ADS Application Development System User's Manual. Revision 1.4. 2000
3 Burr-Brown IC Data Book
作 者：天津大學(xué) 陳世利 孫墨杰 栗大超 靳世久