触摸屏的工作原理及典型应用

摘要 简要介绍触摸屏的结构及工作原理,并以Burr-Brown公司的触摸屏控制芯片ADS7843为例,介绍触摸屏应用的典型电路和操作。由于ADS7843内置12位A/D,理论上触摸屏的输入坐标识别精度为有效长宽的1/4096。
　 
关键词 触摸屏 ITO ADS7843 嵌入式系统

1  触摸屏的基本原理

　　典型触摸屏的工作部分一般由三部分组成,如图1所示：两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极。阻性导体层选用阻性材料,如铟锡氧化物（ITO）涂在衬底上构成,上层衬底用塑料,下层衬底用玻璃。隔离层为粘性绝缘液体材料,如聚脂薄膜。电极选用导电性能极好的材料（如银粉墨）构成,其导电性能大约为ITO的1000倍。

图1  触摸屏结构

　　触摸屏工作时,上下导体层相当于电阻网络,如图2所示。当某一层电极加上电压时,会在该网络上形成电压梯度。如有外力使得上下两层在某一点接触,则在电极未加电压的另一层可以测得接触点处的电压,从而知道接触点处的坐标。比如,在顶层的电极(X+,X－)上加上电压,则在顶层导体层上形成电压梯度,当有外力使得上下两层在某一点接触,在底层就可以测得接触点处的电压,再根据该电压与电极(X+)之间的距离关系,知道该处的X坐标。然后,将电压切换到底层电极（Y+,Y－）上,并在顶层测量接触点处的电压,从而知道Y坐标。

图2  工作时的导体层

2  触摸屏的控制实现

　　现在很多PDA应用中,将触摸屏作为一个输入设备,对触摸屏的控制也有专门的芯片。很显然,触摸屏的控制芯片要完成两件事情：其一,是完成电极电压的切换;其二,是采集接触点处的电压值（即A/D）。本文以BB(Burr-Brown)公司生产的芯片ADS7843为例,介绍触摸屏控制的实现。

2.1  ADS7843的基本特性与典型应用

　　ADS7843是一个内置12位模数转换、低导通电阻模拟开关的串行接口芯片。供电电压2.7~5 V,参考电压VREF为1 V~+VCC,转换电压的输入范围为0~ VREF,最高转换速率为125 kHz。ADS7843的引脚配置如图3所示。表1为引脚功能说明,图4为典型应用。

图3  ADS7843引脚

表1  引脚功能说明

图4  ADS7843的典型应用

2.2  ADS7843的内部结构及参考电压模式选择

　　ADS7843之所以能实现对触摸屏的控制,是因为其内部结构很容易实现电极电压的切换,并能进行快速A/D转换。图5所示为其内部结构,A2~A0和SER/为控制寄存器中的控制位,用来进行开关切换和参考电压的选择。

图5  ADS7843内部结构

　　ADS7843支持两种参考电压输入模式：一种是参考电压固定为VREF,另一种采取差动模式,参考电压来自驱动电极。这两种模式分别如图6(a)、(b)所示。采用图6(b)的差动模式可以消除开关导通压降带来的影响。表2和表3为两种参考电压输入模式所对应的内部开关状况。

图6  参考电压输入模式

表2  参考电压非差动输入模式（SER/DFR="1"）

表3  参考电压差动输入模式（SER/DFR="0"）

2.3  ADS7843的控制字及数据传输格式

　　ADS7843的控制字如表4所列,其中S为数据传输起始标志位,该位必为"1"。A2~A0进行通道选择（见表2和3）。MODE用来选择A/D转换的精度,"1"选择8位,"0"选择12位。SER/选择参考电压的输入模式（见表2和3）。PD1、PD0选择省电模式："00"省电模式允许,在两次A/D转换之间掉电,且中断允许;"01"同"00",只是不允许中断;"10"保留;"11"禁止省电模式。

表4  ADS7843的控制字

　　为了完成一次电极电压切换和A/D转换,需要先通过串口往ADS7843发送控制字,转换完成后再通过串口读出电压转换值。标准的一次转换需要24个时钟周期,如图7所示。由于串口支持双向同时进行传送,并且在一次读数与下一次发控制字之间可以重叠,所以转换速率可以提高到每次16个时钟周期,如图8所示。如果条件允许,CPU可以产生15个CLK的话（比如FPGAs和ASICs）,转换速率还可以提高到每次15个时钟周期,如图9所示。

图7  A/D转换时序（每次转换需24个时钟周期）

图8  A/D转换时序（每次转换需16个时钟周期）

图9  A/D转换时序（每次转换需15个时钟周期）

2.4  A/D转换时序的程序设计

　　ADS7843的典型应用如图4所示。假设μP接口与51单片机的P1.3~P1.7相连,现以一次转换需24个时钟周期为例,介绍A/D转换时序的程序设计。

; A/D 接口控制线
DCLK BIT P1.3
CS BIT P1.4
DIN BIT P1.5
BUSY BIT P1.6
DOUT BIT P1.7
; A/D 通道选择命令字和工作寄存器
CHX EQU 094H ;通道X+的选择控制字
CHY EQU 0D4H;通道Y+的选择控制字
CH3 EQU 0A4H 
CH4 EQU 0E4H
AD_CH EQU 35H ;通道选择寄存器
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转换子程序(AD_RUN)
; 输入: AD_CH-模式和通道选择命令字
; 输出: AD_RESULTH,L ;12 bit的A/D转换值
; 使用: R2 ;辅助工作寄存器
AD_RUN: 
　　CLR CS ; 芯片允许
　　CLR DCLK 
　　MOV R2,#8 ;先写8 bit命令字
　　MOV A,AD_CH 
AD_LOOP: 
　　MOV C, ACC.7 
　　MOV DIN,C ;时钟上升沿锁存DIN
　　SETB DCLK ;开始发送命令字
　　CLR DCLK ;时钟脉冲,一共24个
　　RL A
　　DJNZ R2,AD_LOOP
　　NOP
　　NOP
　　NOP
　　NOP
ADW0: JNB BUSY,AD_WAIT ;等待转换完成
　　SJMP ADW1
AD_WAIT: 
　　LCALL WATCHDOG
　　NOP
　　SJMP ADW0
　　CLR DIN 
ADW1: MOV R2,#12 ;开始读取12bit结果
　　SETB DCLK
　　CLR DCLK
AD_READ:
　　SETB DCLK
　　CLR DCLK ;用时钟的下降沿读取
　　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 ;最后是没用的4个时钟
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转换结果的数据格式

　　ADS7843转换结果为二进制格式。需要说明的是,在进行公式计算时,参考电压在两种输入模式中是不一样的。而且,如果选取8位的转换精度,1LSB=VREF/256,一次转换完成时间可以提前4个时钟周期,此时串口时钟速率也可以提高一倍。

结束语

　　在许多嵌入式系统中,CPU提供专门的模块来支持液晶显示和触摸屏的输入,使得接口非常简单。比如,MOTOROLA的MC68VZ328(称为Dragon Ball)就提供专门的引脚来支持8位和4位的液晶显示,对触摸屏的支持通过SPI2借助ADS7843也很容易完成。

参考文献

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