ADS7846在電阻式觸摸屏設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

　1 前言

　　其實(shí)不管在任何設(shè)計(jì)中，人性化都是非常重要的一環(huán)。信息技術(shù)的發(fā)展，為人們帶來了觸摸屏的福利。由于觸摸屏可以使操作簡單直觀，因此越來越多的手持產(chǎn)品，公共服務(wù)類設(shè)備采用觸摸屏。觸摸屏有電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、表面聲波式觸摸屏、紅外線觸摸屏等多種。電阻式觸摸屏是目前應(yīng)用比較廣泛的一種，有4線、5線、7線等幾種。

　　2 電阻式觸摸屏的工作原理

　　2.1 電阻式觸摸屏結(jié)構(gòu)

　　典型觸摸屏的工作部分一般由3部分組成，如圖1所示，這一個(gè)電阻式觸摸屏的橫截面，兩層透明的電阻性導(dǎo)體層（玻璃）、兩層導(dǎo)體之間的隔離層（隔離玻璃珠）、以及電阻性涂層。電阻性導(dǎo)體層必須選用阻性材料，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。

　　2.2 電阻式觸摸屏原理

　　電阻式觸摸屏是一種傳感器，它將矩形區(qū)域中觸摸點(diǎn)（X,Y）的物理位置轉(zhuǎn)換為代表X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的電壓。當(dāng)觸摸屏表面受到的壓力（如通過筆尖或手指進(jìn)行按壓）足夠大時(shí)，頂層與底層之間會產(chǎn)生接觸。所有的電阻式觸摸屏都采用分壓器原理來產(chǎn)生代表X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的電壓。如圖2所示，分壓器是通過將兩個(gè)電阻進(jìn)行串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)的。上面的電阻（R1）連接正參考電壓（VREF），下面的電阻（R2）接地。兩個(gè)電阻連接點(diǎn)處的電壓測量值與下面那個(gè)電阻的阻值成正比。為了在電阻式觸摸屏上的特定方向測量一個(gè)坐標(biāo)，需要對一個(gè)阻性層進(jìn)行偏置：將它的一邊接VREF，另一邊接地。同時(shí)，將未偏置的那一層連接到一個(gè)ADC的高阻抗輸入端。當(dāng)觸摸屏上的壓力足夠大，使兩層之間發(fā)生接觸時(shí)，電阻性表面被分隔為兩個(gè)電阻。它們的阻值與觸摸點(diǎn)到偏置邊緣的距離成正比。觸摸點(diǎn)與接地邊之間的電阻相當(dāng)于分壓器中下面的那個(gè)電阻。因此，在未偏置層上測得的電壓與觸摸點(diǎn)到接地邊之間的距離成正比。

　　3 ADS7846的基本特性與典型應(yīng)用

　　3.1 基本特性

　　ADS7846是ADI公司生產(chǎn)的一種4線式觸摸屏控制器，目前廣泛應(yīng)用于電阻式觸摸屏輸入系統(tǒng)中。ADS7846數(shù)字轉(zhuǎn)換器在一個(gè)12位逐次逼近式比較寄存器（SAR）ADC架構(gòu)上集成了用于驅(qū)動(dòng)觸摸屏的低通阻抗開關(guān)。這些器件不使用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，當(dāng)以大于125kp/s的吞吐率運(yùn)行時(shí)的最大功耗小于1.4mW。它們還帶有10keV到12keV的模擬輸入ESD保護(hù)，增強(qiáng)了抗ESD能力，以避免關(guān)鍵的內(nèi)部系統(tǒng)元件損壞。使用單2.2V到5.25V的電源工作。AD7846串行接口的一次完整操作需要24個(gè)DCLK.，前8個(gè)脈沖接收8位的命令，并在第6個(gè)脈沖的上升沿開始采樣，從第9個(gè)脈沖開始進(jìn)入轉(zhuǎn)換階段，輸出12位采樣值，轉(zhuǎn)換結(jié)束進(jìn)入空閑階段。直到24個(gè)DCLK結(jié)束，CS置高電平，一次測量結(jié)束。

　　3.2 電阻式觸摸屏的接口電路與坐標(biāo)值獲取

　　圖3為ADS7846與PhilipsARM7芯片LPC2210的接口電路。

　　ADS7846芯片通過片內(nèi)模擬電子開關(guān)的切換，將X+（Y+）端接正電源VCC，X-（Y-）接地，將X+（Y+）和X-（Y-）端以差動(dòng)形式接到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。

　　當(dāng)用筆點(diǎn)擊觸摸屏的不同位置時(shí)，由于輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的電壓不同（見前面的分壓原理），經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后就得到筆觸點(diǎn)的輸出值，該輸出值與筆觸點(diǎn)的位置成近似線性關(guān)系。因此ADS7846就可以得到筆觸點(diǎn)在觸摸屏上的相對位置。

　　3.3 誤差產(chǎn)生的原因及消除方法

　　對坐標(biāo)值精度產(chǎn)生影響的原因主要有：

      ①觸摸屏本身電阻材料的均勻性，由于材料均勻性的問題，可能導(dǎo)致電壓分壓的不均勻，必然影響輸出的精度。

      ②觸摸在按下和釋放過程中的抖動(dòng)問題。

　?、跘DS7846模擬開關(guān)的內(nèi)阻和A/D轉(zhuǎn)換器自身的轉(zhuǎn)換精度。

      ④ESD干擾問題。

　　第①個(gè)和第③個(gè)問題是器件的固有問題，無法消除。對第②個(gè)問題，可通過軟件進(jìn)行鍵削抖。采用兩次鍵值比較是一個(gè)較好的方法，具體工作原理是連續(xù)測量X，Y坐標(biāo)值兩次，然后進(jìn)行比較，若相同或相差在允許的誤差范圍內(nèi)就認(rèn)為是有效鍵，否則為無效鍵。

　　關(guān)于ESD問題，這個(gè)是設(shè)計(jì)時(shí)主要面對的問題，具體措施主要采取一下幾點(diǎn)：

　?。?）ADS7846的模擬地與系統(tǒng)的數(shù)字地不是一點(diǎn)相連。數(shù)字的干擾由公共阻抗耦合到ADS7846的模擬地，產(chǎn)生干擾造成抖動(dòng)。解決辦法是模擬地與數(shù)字地一點(diǎn)連接。

　?。?）ADS7846的逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器對電源及數(shù)字寫入非常敏感，解決方法是在電源引腳附近放置一個(gè)10μF的旁路電容，在參考電壓輸入端也放置一個(gè)0.1μF的旁路電容。

　?。?）在電磁干擾比較強(qiáng)的場合，為了防止觸摸屏的引腳產(chǎn)生的高頻干擾脈沖對ADS7846產(chǎn)生干擾，應(yīng)在關(guān)鍵引腳DCLK，DIN，DOUT對地接0.001μF的高頻整波電容。在PCB布線的時(shí)候屏到芯片的連線也應(yīng)該以短粗為主。

　　3.4 ADS7846控制字及數(shù)據(jù)傳送方式

　?。?）控制字

　　ADS7846的控制字由表1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。MODE用來選擇A/D轉(zhuǎn)換的精度，“1”選擇8位，“0”選擇12位。SER/DFR選擇參考電壓的輸入模式。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”但不允許中斷；“10”保留；“11”禁止省電模式。

　　（2）數(shù)據(jù)傳送方式

　　ADS7846與LPC2210（微控制器）之間通過標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口相連，由LPC2210啟動(dòng)3次SPI傳送來完成轉(zhuǎn)換，如圖4所示。第一次SPI傳送由LPC2210向ADS7846發(fā)送控制字，包括起始位、通道選擇、8/12位模式、差分/單端選擇和掉電模式選擇，接下來的兩次SPI傳送的則是LPC2210讀取ADS7846A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果數(shù)據(jù)（12位時(shí)最后4位自動(dòng)補(bǔ)0），到此完成觸摸屏控制器和微控制器之間的一次通信。ADS7846還設(shè)置有觸摸識別電路，當(dāng)檢測到有觸摸時(shí)，該電路輸出一個(gè)低電平信號，稱為PENIRQ#（筆中斷），ADS7846以這個(gè)信號向微控制器提出測量觸點(diǎn)坐標(biāo)的中斷請求。

　　4 坐標(biāo)定位與坐標(biāo)變換

　　觸摸屏常和LCD屏疊加，配套使用。觸摸屏的坐標(biāo)原點(diǎn)、標(biāo)度和LCD的坐標(biāo)原點(diǎn)、標(biāo)度不一樣，且電阻式觸摸屏的坐標(biāo)原點(diǎn)通常不在有效點(diǎn)觸區(qū)內(nèi)。因此必須進(jìn)行坐標(biāo)變換。

　　常用的坐標(biāo)定位方法有，最值法，4點(diǎn)定位法，以及矩陣校準(zhǔn)法。矩陣校準(zhǔn)法對位精度最高，但也最為復(fù)雜，一般不常用。這里重點(diǎn)分析最值法和4點(diǎn)定位法。

　　4.1 最值法

　　觸點(diǎn)坐標(biāo)公式為：

　　式中，X和Y分別為觸點(diǎn)在X工作面和Y工作面上產(chǎn)生的電壓的數(shù)字量的測量值，可通過采樣得到；（X﹐Y）反映了觸點(diǎn)在觸摸屏上的坐標(biāo)。Xmin，Ymin，Xmax和Ymax分別為觸摸屏上最小和最大坐標(biāo)點(diǎn)在X工作面和Y工作面上產(chǎn)生的電壓的數(shù)字量的實(shí)際測量值，它們是常量，可通過測量得到；（Xmin，Ymin）和（Xmax，Ymax）反映了觸摸屏上最小、最大坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)；W和H分別是LCD顯示屏X軸和Y軸上的像素點(diǎn)總數(shù)；（XLCD，YLCD）為觸點(diǎn)映射到LCD顯示屏上的像素點(diǎn)坐標(biāo)。

　　最值法算法實(shí)現(xiàn)比較簡單，不過定位精度有所欠缺，只適合用于觸摸屏與LCD尺寸相差不大，并對精度要求不高的場合。

　　4.2 4點(diǎn)定位法

　　如圖5所示，ABCD為觸摸屏對應(yīng)LCD4個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)，分別觸擊這4點(diǎn)，得到4組坐標(biāo)值：

　?。╔A﹐YA），（XB﹐YB），（XC﹐YC），（XD﹐YD）。計(jì)算出觸摸屏中心點(diǎn)坐標(biāo)（XO﹐YO）為：

　　設(shè)ΔX=（XBXA+XDXC），ΔY=（YBYA+YDYC），最終可得觸點(diǎn)坐標(biāo)公式：

　　式中，X和Y分別為觸點(diǎn)在X工作面和Y工作面上產(chǎn)生的電壓的數(shù)字量的測量值，可通過采樣得到；（X﹐Y）反映了觸點(diǎn)在觸摸屏上的坐標(biāo)。W和H分別是LCD顯示屏X軸和Y軸上的像素點(diǎn)總數(shù)；（XLCD﹐YLCD）為觸點(diǎn)映射到LCD顯示屏上的像素點(diǎn)坐標(biāo)。

　　4點(diǎn)定位法，在觸摸屏中心點(diǎn)坐標(biāo)的定位上優(yōu)于最值法，所得到的觸點(diǎn)坐標(biāo)更為精確。在一些手寫識別領(lǐng)域應(yīng)用較多。

　　5 實(shí)現(xiàn)流程以及注意事項(xiàng)

　　觸摸屏和微控制器之間的互動(dòng)通過外部中斷實(shí)現(xiàn)。在程序設(shè)計(jì)中重要功能塊包括以下幾個(gè)部分（見圖6）：

　　ADS7846的初始化，包括有：初始化SPI寄存器、可編程定時(shí)器中斷和筆中斷；MCU外部中斷的配置；LCD控制器的初始化配置：LCD驅(qū)動(dòng)IC的一些初試化配置，一般由LCD的廠家提供；坐標(biāo)定位子程序；以及LCD逐點(diǎn)顯示子程序。

　　程序設(shè)計(jì)中，需要注意觸摸抖動(dòng)和連擊問題。

　　可以采用延遲測量法來解決，即在接收到觸摸屏筆中斷時(shí)延遲一段時(shí)間（抖動(dòng)時(shí)30ms）后再測量，可消除抖動(dòng)；測量完后再次延遲一段時(shí)間（連擊延時(shí)300ms）后打開筆中斷，可避免連擊現(xiàn)象的出現(xiàn)。

　　6 結(jié)語

　　本文討論了在電阻式觸摸屏開發(fā)應(yīng)用中遇到的幾個(gè)技術(shù)問題以及解決方法，電阻式觸摸屏的應(yīng)用既有硬件接口技術(shù)問題，也有軟件處理方法的問題。