一種自適應(yīng)電阻式觸摸屏控制器的設(shè)計

摘要：提出一種電阻式觸摸屏控制器的設(shè)計方案。針對電阻式觸摸屏x，y向總電阻存在型號差異和個體差異的特點，為了避免傳統(tǒng)測量方法中人工確定觸模屏阻值參數(shù)的問題，提出一種x，y向總電阻的測量方法。該方法通過軟硬件的配合，自動測量觸摸屏x，y向總電阻，實現(xiàn)針對不同型號或個體觸摸屏的自適應(yīng)壓力電阻計算。該方法適用于已封裝好的電子產(chǎn)品，可避免產(chǎn)品組裝前對觸摸屏的測試工作，有效地節(jié)約產(chǎn)品的開發(fā)成本和生產(chǎn)時間。
關(guān)鍵詞：電阻式觸模屏；自適應(yīng)；電阻測量；壓力電阻

0 引言
    觸摸屏是電子產(chǎn)品中常用的一種輸入設(shè)備，通常與液晶屏搭配使用，用來取代傳統(tǒng)的鍵盤輸入，廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品與工業(yè)控制中。觸摸屏通常附著在液晶顯示屏表面，通過微處理器對觸摸屏的控制，實現(xiàn)觸摸屏對液晶屏圖像界面的直接操作。電阻式觸摸屏由于成本低，無專利技術(shù)的原因，是嵌入式設(shè)備應(yīng)用最為廣泛的一種觸摸屏。本文提出一種電阻式觸摸屏控制器的設(shè)計方法，為業(yè)界主流低端手機(jī)基帶芯片MTK6223D提供觸摸屏控制的功能擴(kuò)展；同時針對電阻式觸摸屏x，y方向總電阻測量的問題，提出一種自適應(yīng)的觸摸屏x，y向電阻測量方法，既提高壓力電阻的計算精度，又可避免人工測量電阻式觸摸屏的電阻參數(shù)，有效節(jié)約手機(jī)開發(fā)成本和生產(chǎn)時間。

1 電阻式觸摸屏結(jié)構(gòu)
    電阻式觸摸屏根據(jù)引出信號線的數(shù)量，可以劃分為4線、5線、6線、7線、8線等類型，其中以4線電阻式觸摸屏最為常見，結(jié)構(gòu)最為典型。本文討論的電阻式觸摸屏，均指四線結(jié)構(gòu)電阻式觸摸屏。
1．1 基本結(jié)構(gòu)
    電阻式觸摸屏在玻璃或丙烯酸基板上覆蓋有兩層透平、均勻?qū)щ姷腎TO層，分別作為X電極和Y電極，它們之間由均勻排列的透明格點分開絕緣。其中下層的ITO與玻璃基板附著，上層的ITO附著在PET薄膜上。X電極和Y電極的正負(fù)端由“導(dǎo)電條”分別從兩端引出，且X電極和Y電極導(dǎo)電條的位置相互垂直。引出端X-，X+，Y-，Y+一共4條線，這也是4線電阻式觸摸屏名稱的由來。當(dāng)有物體接觸觸摸屏表面并施以一定的壓力時，上層的ITO導(dǎo)電層發(fā)生形變與下層ITO發(fā)生接觸，進(jìn)而2個導(dǎo)電層間在該位置的電壓和電阻發(fā)生變化?？刂破鳈z測電壓變化后，在x和y 2個方向上產(chǎn)生信號，讀取觸點位置在x，y方向上的電壓值后，同該x，y方向上的參考電壓進(jìn)行比較，計算出觸點的坐標(biāo)。這是電阻式觸摸屏的基本工作原理。
1．2 坐標(biāo)的估算
    計算電阻式觸摸屏觸點的x，y坐標(biāo)分為如下兩步(見圖1)：
    (1)計算y坐標(biāo)，在Y+電極施加驅(qū)動電壓Vref，Y-電極接地，X+作為引出端測量得到接觸點的電壓，由于ITO層均勻?qū)щ?，觸點電壓與Vref電壓之比等于觸點y坐標(biāo)與屏高度之比。
    (2)計算x坐標(biāo)，在X+電極施加驅(qū)動電壓Vref，X-電極接地，Y+作為引出端測量得到接觸點的電壓，由于ITO層均勻?qū)щ?，觸點電壓與Vref電壓之比等于觸點x坐標(biāo)與屏寬度之比。測得的電壓通常由ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再進(jìn)行簡單處理就可以作為坐標(biāo)值，判斷觸點的實際位置。

2 觸摸屏控制器的設(shè)計
    本文采用的觸摸屏控制系統(tǒng)由基帶芯片MFK6223D、觸摸屏控制器和觸摸屏3部分組成，如圖2所示。MTK6223D是聯(lián)發(fā)科技(MTK)的一款低端GPRS／GSM基帶芯片，該芯片將ARM7控制模塊、DSP模塊、射頻模塊和電源管理等集成到一起，采用Nucleus Plus操作系統(tǒng)，是目前業(yè)界一款主流的低端手機(jī)基帶芯片。但是MTK6223D沒有提供對觸摸屏的支持，為進(jìn)一步強(qiáng)化手機(jī)的功能，MTK6223D需要搭配觸摸屏控制器芯片，實現(xiàn)功能更為強(qiáng)大的手機(jī)設(shè)計。本文提出的觸摸屏控制器主要實現(xiàn)對觸摸屏信號的模／數(shù)轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)值計算，壓力電阻阻值計算和抬筆落筆中斷判斷4項功能，并通過AMBA總線向手機(jī)基帶芯片上傳數(shù)據(jù)。

2．1 觸摸屏控制器
    觸摸屏控制器分為模擬信號處理和數(shù)字控制電路2個部分，如圖3所示。模擬信號處理部分負(fù)責(zé)模／數(shù)轉(zhuǎn)換、測量x，y方向坐標(biāo)與量化等工作。數(shù)字控制電路負(fù)責(zé)控制測量流程和計算壓力電阻阻值等功能，同時數(shù)字控制電路也要向基帶芯片提供中斷報告和總線訪問機(jī)制。

2．1．1 模擬信號處理
    模擬信號處理如圖4所示。

    模／數(shù)轉(zhuǎn)換部分的主要工作是將觸摸屏傳來的模擬信號量化成數(shù)字信號，同時將向數(shù)字控制部分提供相應(yīng)接口。SP5368觸摸屏控制器使用逐次逼近模數(shù)信號轉(zhuǎn)換器(SAR ADC)，將模擬信號轉(zhuǎn)化為8位的數(shù)字信號，共有256個量化級別，基本滿足分辨率在320×240以下觸摸屏的測量精度。
    模擬信號的測量分為差分測量和單端測量兩種模式，如圖5所示。差分模式的測量精度較高，但是功耗較高。單端模式的功耗較小，但是測量精度較低，同時存在部分碼值多余的現(xiàn)象。在實際應(yīng)用場合，應(yīng)視需求的不同，選擇合適的測量方式。

2．1．2 數(shù)字控制電路
    數(shù)字控制電路主要的功能有2項，一個是控制驅(qū)動電路，完成對觸摸屏觸點坐標(biāo)和壓力電阻的采集，另一個是計算觸點壓力值，向上位機(jī)(上層系統(tǒng))提供抬筆和落筆兩種類型的中斷。其數(shù)字電路的示意圖如圖6所示。

2．2 壓力電阻阻值的計算與分析
    觸摸屏控制器除了向操作系統(tǒng)提供觸點x，y方向坐標(biāo)外，另一項功能是向系統(tǒng)報告抬筆中斷和落筆中斷。在電阻式觸摸屏結(jié)構(gòu)中，觸摸屏的抬筆中斷或落筆中斷，是通過判斷壓力電阻阻值的變化產(chǎn)生的。
    壓力值反映了觸摸屏2層導(dǎo)電薄膜之間電阻值RTouch的變化，壓力越大，RTouch就越小，壓力越小，RTouch就越大。計算壓力值，實際上就是計算觸點位置的RTouch。通過對觸點壓力的計算，系統(tǒng)可以判斷擠壓動作是抬筆動作還是落筆動作。電阻式觸摸屏壓力計算的基本原理分三步，如圖7所示。
    (1)X-接地，X+接電源，Y+接ADC得到觸點的X坐標(biāo)；
    (2)X-接地，Y+接電源，X+接ADC得到Z1點的位置Z1；
    (3)X-接地，Y+接電源，Y-接ADC得到Z2點的位置Z2。
    然后，結(jié)合xy方向的總電阻值就可以求出：
   
    計算出壓力電阻RTouch后，需要同閾值電阻RTup，RTdown(RTdown<RTup)進(jìn)行比較，如果RTouch小于RTdown，則認(rèn)為觸摸屏產(chǎn)生落筆動作，如果RTouch大于RTup，則認(rèn)為產(chǎn)生抬筆動作。如果RTdown閾值設(shè)得太小，則需使用很大力量才能觸發(fā)落筆動作，這樣會讓使用者產(chǎn)生寫字費力的感覺，同時過度用力擠壓觸摸屏也會減少觸摸屏壽命，破壞觸摸屏物理結(jié)構(gòu)；如果RTup設(shè)的過大，會在畫線過程中產(chǎn)生頻繁抬筆動作，則會讓使用者產(chǎn)生寫字不連續(xù)，無法劃出連續(xù)直線的現(xiàn)象。
2．3 自適應(yīng)的電阻測量方法
    由于市場上觸摸屏品牌眾多，各廠家的觸摸屏參數(shù)存在差異，所以觸摸屏x，y方向總電阻RREF會隨著觸摸屏型號的不同發(fā)生變動。對于同一型號觸摸屏，由于制作工藝的問題，RREF也會出現(xiàn)上下浮動。在觸摸屏的壓力電阻計算中，RREF是一項主要的計算參數(shù)，因此在實際的電子產(chǎn)品開發(fā)中，針對不同觸摸屏，測量并修正觸摸屏x，y方向的總電阻RREF是一項十分重要的工作。但是在產(chǎn)品成型之前，如果對每一個觸摸屏個體進(jìn)行單獨的RREF測量和記錄是一項耗時并且浪費成本的工作。目前業(yè)界通用的做法是每種型號的觸摸屏采用統(tǒng)一的參數(shù)，并不對每個觸摸屏進(jìn)行單獨的測量。
    針對上述問題，為了更加精確地計算壓力電阻，筆者提出了一種計算電阻式觸摸屏RRE的方法。該方法只需要對已封裝在產(chǎn)品中的觸摸屏進(jìn)行簡單的點擊測試，然后結(jié)合軟件算法，即可計算出觸摸屏的RREF。另外，由于該方法和觸摸屏校正采用的點擊方式非常相似，因此該測量過程可以和觸摸屏校正同步完成。所以，該方法可以在沒有消耗時間和成本的前提下，完成對觸摸屏個體的RREF計算與修正，同時具備較好的測量精度。為便于討論，下面僅討論x方向RREF的測算，y方向同理。其基本步驟如下：
    (1)在差分模式下，點擊觸摸屏任意一條對角線方向的2個頂角A和B，獲取觸摸屏有效面積內(nèi)x方向上電壓量化值Xmin_d，Xmax_d(量化值為1～256的區(qū)間)。在差分模式下，觸點電壓量化值是觸點處電阻同觸摸屏總電阻的量化值比值，如圖8所示可得到以下關(guān)系。
   
    (2)點擊觸摸屏任意一條對角線方向的2個頂角A和B，獲取單端模式下觸摸屏有效面積內(nèi)x方向上電壓極值的量化值Xmin_s、Xmax_s(量化值為1～256的區(qū)間)。不同于差分模式，單端模式引入了A／D轉(zhuǎn)換電路中MOS場效應(yīng)管開關(guān)。對于芯片廠商而言，MOS場效應(yīng)管參數(shù)和其電壓參數(shù)都是已知的。故在這種情況下，觸點電壓量化值是觸點處電阻同觸摸屏總電阻與MOS管電阻之和的比值。如圖9所示可得到以下關(guān)系。
   

    (3)由式(6)，式(7)可以得到NMOS場效應(yīng)管RN與R3的關(guān)系，其中VDS是NMOS管的漏極電壓。

    結(jié)合MOS場效應(yīng)管的漏極電流公式，對于一個已知的數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片，Vss，μN，Cox，W，L，VGS和Vth均為已知參數(shù)；聯(lián)立式(9)、式(10)，可以推出通過MOS管的漏極電流為：
   
    又因為IR=VDD且，結(jié)合式(3)，(4)，進(jìn)而最終求出x方向的總電阻Rref。
   

3 MTK驅(qū)動層
    MTK為其開發(fā)的系列基帶芯片提供定制的嵌入式操作系統(tǒng)，該嵌入式操作系統(tǒng)是基于Nucleus Plus搶占式多任務(wù)系統(tǒng)內(nèi)核擴(kuò)展而成，并通過宏定義開關(guān)對不同型號的基帶芯片提供支持。MTK定制軟件平臺的觸摸屏驅(qū)動以任務(wù)(Task)的形式存在，任務(wù)的函數(shù)人口是位于touch_pan-el_main．c中的tp_task_main函數(shù)，觸摸屏任務(wù)通過輪詢的方式監(jiān)測觸摸屏的狀態(tài)信息，進(jìn)而完成對不同狀態(tài)的事件響應(yīng)。
   
    MTK6223D基帶芯片自身并不支持觸摸屏功能，所以基于MTK6223D的嵌入式平臺通過宏定義開關(guān)封閉了平臺對觸摸屏相關(guān)功能的支持，但觸摸屏的相關(guān)代碼和架構(gòu)仍然得到了保留。在MTK6223D搭配觸摸屏的手機(jī)設(shè)計方案中，觸摸屏功能通過外界觸摸屏控制器得到實現(xiàn)，觸摸屏的底層驅(qū)動是在MTK原有架構(gòu)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而成。MTK嵌入式操作系統(tǒng)將觸摸屏的狀態(tài)信息保存在TouchPanelDataStruct結(jié)構(gòu)體中。當(dāng)嵌入式系統(tǒng)收到來自觸摸屏控制器的中斷時，中斷函數(shù)完成對Touch_Panel_PenState_enum中state變量的更新，然后tp_task_main函數(shù)通過對state變量的判斷，確認(rèn)觸摸筆屏處于UP狀態(tài)還是DOWN狀態(tài)，同時讀取觸摸屏的當(dāng)前坐標(biāo)。
   
    

4 結(jié)語
    該文研究了電阻式觸摸屏的工作原理，提出一種和基帶芯片MTK6223D搭配使用觸摸屏控制器的設(shè)計與實現(xiàn)，并根據(jù)實際生產(chǎn)設(shè)計需求，提出一種自適應(yīng)的測量觸摸屏總電阻阻值的方法。該測量方法通過軟件和觸摸屏硬件控制器配合完成，并可與觸摸屏校正同步實現(xiàn)。該方法具有較高的測量精度，不用在產(chǎn)品組裝前，對觸摸屏元器件進(jìn)行單獨測量，有效地節(jié)約了產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)的時間和成本，對于嵌入式產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)具有較為實際的意義。