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(cè)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(cè)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(cè)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(zhuān)門(mén)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(kāi)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(shuō)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(lái)進(jìn)行開(kāi)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(lái)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(kāi)關(guān)導(dǎo)通壓降帶來(lái)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(kāi)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(jiàn)表2和3)。

MODE用來(lái)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(jiàn)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(guò)串口往ADS7843發(fā)送控制字，轉(zhuǎn)換完成后再通過(guò)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(huà)(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(xiàn)

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(xiě)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(kāi)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(kāi)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(méi)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(shuō)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(yǔ)

在許多嵌入式系統(tǒng)中，CPU提供專(zhuān)門(mén)的模塊來(lái)支持液晶顯示和觸摸屏的輸入，使得接口非常簡(jiǎn)單。比如，MOTOROLA的MC68VZ328(稱(chēng)為 Dragon Ball)就提供專(zhuān)門(mén)的引腳來(lái)支持8位和4位的液晶顯示，對(duì)觸摸屏的支持通過(guò)SPI2借助ADS7843也很容易完成。