觸摸屏的應用與工作原理

摘 要：簡要介紹觸摸屏的結構及工作原理，并以Burr-Brown公司的觸摸屏控制芯片ADS7843為例，介紹觸摸屏應用的典型電路和操作。由于ADS7843內置12位A/D，理論上觸摸屏的輸入坐標識別精度為有效長寬的1/4096。

　　關鍵詞：觸摸屏 ITO ADS7843 嵌入式系統

　　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。