觸摸屏的工作原理與應用

　　摘要：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*的材料（如銀粉墨）構成，其導電性能大約為ITO的1000倍。本文介紹了觸摸屏的工作原理與應用，供大家了解。
　　
　　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*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。
　　
　　2.1ADS7843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2.7~5V，參考電壓VREF為1V~+VCC，轉換電壓的輸入范圍為0~VREF，zui高轉換速率為125kHz。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。　　
　　2.2ADS7843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。　　
　　2.3ADS7843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。　　
　　2.4A/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
　　
　　DCLKBITP1.3
　　
　　CSBITP1.4
　　
　　DINBITP1.5
　　
　　BUSYBITP1.6
　　
　　DOUTBITP1.7
　　
　　;A/D通道選擇命令字和工作寄存器
　　
　　CHXEQU094H;通道X+的選擇控制字
　　
　　CHYEQU0D4H;通道Y+的選擇控制字
　　
　　CH3EQU0A4H
　　
　　CH4EQU0E4H
　　
　　AD_CHEQU35H;通道選擇寄存器
　　
　　AD_RESULTHEQU36H;存放12bitA/D值
　　
　　AD_RESULTLEQU37H
　　
　　;存放通道CHX+的A/D值
　　
　　CHXAdResultHEQU38H
　　
　　CHXAdResultLEQU39H
　　
　　;存放通道CHY+的A/D值
　　
　　CHYAdResultHEQU3AH
　　
　　CHYAdResultLEQU3BH
　　
　　;采集通道CHX+的程序段（CHXAD）
　　
　　CHXAD:MOVAD_CH,#CHX
　　
　　LCALLAD_RUN
　　
　　MOVCHXAdResultH,AD_RESULTH
　　
　　MOVCHXAdResultL,AD_RESULTL
　　
　　RET
　　
　　;采集通道CHY+的程序段（CHYAD）
　　
　　CHYAD:MOVAD_CH,#CHY
　　
　　LCALLAD_RUN
　　
　　MOVCHYAdResultH,AD_RESULTH
　　
　　MOVCHYAdResultL,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;12bit的A/D轉換值
　　
　　;使用:R2;輔助工作寄存器
　　
　　AD_RUN:
　　
　　CLRCS;芯片允許
　　
　　CLRDCLK
　　
　　MOVR2,#8;先寫8bit命令字
　　
　　MOVA,AD_CH
　　
　　AD_LOOP:
　　
　　MOVC,ACC.7
　　
　　MOVDIN,C;時鐘上升沿鎖存DIN
　　
　　SETBDCLK;開始發送命令字
　　
　　CLRDCLK;時鐘脈沖，一共24個
　　
　　RLA
　　
　　DJNZR2,AD_LOOP
　　
　　NOP
　　
　　NOP
　　
　　NOP
　　
　　NOP
　　
　　ADW0:JNBBUSY,AD_WAIT;等待轉換完成
　　
　　SJMPADW1
　　
　　AD_WAIT:
　　
　　LCALLWATCHDOG
　　
　　NOP
　　
　　SJMPADW0
　　
　　CLRDIN
　　
　　ADW1:MOVR2,#12;開始讀取12bit結果
　　
　　SETBDCLK
　　
　　CLRDCLK
　　
　　AD_READ:
　　
　　SETBDCLK
　　
　　CLRDCLK;用時鐘的下降沿讀取
　　
　　MOVA,AD_RESULTL
　　
　　MOVC,DOUT
　　
　　RLCA
　　
　　MOVAD_RESULTL,A
　　
　　MOVA,AD_RESULTH
　　
　　RLCA
　　
　　MOVAD_RESULTH,A
　　
　　DJNZR2,AD_READ
　　
　　MOVR2,#4;zui后是沒用的4個時鐘
　　
　　IGNORE:
　　
　　SETBDCLK
　　
　　CLRDCLK
　　
　　DJNZR2,IGNORE
　　
　　SETBCS;禁止芯片
　　
　　ANLAD_RESULTH,#0FH;屏蔽高4bit
　　
　　RET
　　
　　2./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。
　　
　　3、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DragonBall）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。