關(guān)于電阻式觸摸屏技術(shù)的一些探討

因?yàn)槊烙^、維護(hù)、成本和衛(wèi)生等原因，觸摸屏技術(shù)開始向消費(fèi)市場(chǎng)以外的醫(yī)療、工業(yè)和汽車市場(chǎng)滲透。隨著觸摸屏的問世，出現(xiàn)了多項(xiàng)觸控技術(shù)，如電容、電阻、電感、表面聲波和紅外線觸控技術(shù)。每種設(shè)計(jì)技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。電容式觸摸屏基于印刷電路板上的電極設(shè)計(jì)，因觸控鍵、滑塊和滾*能而深受用戶喜愛，輕松的觸控功能為用戶體驗(yàn)增色很多。表面聲波觸控技術(shù)基于聲波，存在于需要透明的顯示屏設(shè)計(jì)中，例如娛樂園和人流很大的室內(nèi)環(huán)境。紅外線觸控技術(shù)基于光線間斷方法，主要用于低分辨的超大屏幕。電感式觸摸屏技術(shù)主要用于塑料、鋁制或不銹鋼的面板，或者會(huì)暴露于液體的面板。其中，電阻式觸摸屏技術(shù)的成本競(jìng)爭(zhēng)力最高，而且很容易集成到嵌入式設(shè)計(jì)內(nèi)。這項(xiàng)技術(shù)主要用于設(shè)計(jì)面板尺寸不超過19英寸的觸摸屏。對(duì)手指觸摸檢測(cè)和手寫筆檢測(cè)的支持?jǐn)U大了電阻觸控技術(shù)在消費(fèi)電子中的應(yīng)用范圍(見圖1)。

圖 1:手指和手寫筆檢測(cè)功能讓電阻式觸摸屏更好用

本文將主要探討電阻觸摸屏技術(shù)的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的問題以及潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。

了解電子觸控傳感器的設(shè)計(jì)和控制器選型要求

因?yàn)殡娮栌|摸屏現(xiàn)在很容易買到，而且價(jià)格隨時(shí)間逐漸下降，所以此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣。為了選擇最佳的觸摸屏技術(shù)，應(yīng)用設(shè)計(jì)人員必須深入考慮應(yīng)用需求。電阻式觸摸屏技術(shù)只需一個(gè)簡(jiǎn)易的印刷電路板設(shè)計(jì)，不像電容式和電感式觸摸屏技術(shù)，需要在印刷電路板上設(shè)計(jì)電極或線圈蝕刻。因?yàn)橛|摸屏直接覆蓋在顯示屏上，所以可以節(jié)省機(jī)械開關(guān)或電容式觸控鍵電極所需的印刷電路板空間。建議不要把電阻式觸摸屏用于惡劣的環(huán)境中，例如經(jīng)常爆炸或灰塵過多的礦區(qū)或工地。電阻式觸摸屏上很少的破損都會(huì)影響觸控精確度和線性。

電阻式觸摸屏工作原理

1. 電阻式觸摸屏是表面覆蓋觸摸響應(yīng)薄膜的透明玻璃板。

2. 電阻式觸摸屏面板有兩個(gè)電阻層(氧化銦錫)組成，中間是一層很薄的分隔層。

3. 電阻觸摸屏的兩個(gè)薄膜層組成一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)，充當(dāng)觸摸位置檢測(cè)功能的分壓電路。

4. 觸摸屏?xí)陔娮杈W(wǎng)絡(luò)組成的分壓器上引起電壓變化，這個(gè)電壓用于確定觸摸屏幕的觸點(diǎn)位置。

5. 觸摸屏控制器(TSC)把捕捉的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字觸摸坐標(biāo)信號(hào)。內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，充當(dāng)測(cè)量模擬電壓的電壓計(jì)。

6. 在觸摸屏幕后，起到電壓計(jì)作用的觸摸控制器首先在X+點(diǎn)施加電壓梯度VDD，在X-點(diǎn)施加接地電壓GND。然后，檢測(cè)Y軸電阻上的模擬電壓，并把模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)值，用模數(shù)轉(zhuǎn)換器計(jì)算X坐標(biāo)(圖2)。在這種情況下，Y-軸變成感應(yīng)線。同樣地，在Y+和Y-點(diǎn)分施加電壓梯度，可以測(cè)量Y坐標(biāo)。

7. 某些觸摸控制器還支持觸摸壓力測(cè)量，即Z軸測(cè)量。測(cè)量Z軸坐標(biāo)時(shí)，電壓梯度施加在Y+軸和X-軸上。

圖 2:電阻式觸摸屏:X 坐標(biāo)測(cè)量:

電阻觸感主要有兩種形式：軟件觸感解決方案和專用觸摸屏控制器芯片。

在軟件觸感解決方案中，微控制器須擔(dān)負(fù)所有的觸控檢測(cè)和坐標(biāo)計(jì)算任務(wù)?；谖⒖刂破鞯能浖惴ú捎脙?nèi)部的微控制器進(jìn)行觸摸位置電壓測(cè)量，執(zhí)行觸摸檢測(cè)功能和坐標(biāo)處理功能。

在專用觸摸屏控制器內(nèi)，控制器向系統(tǒng)主機(jī)(微控制器)發(fā)起一個(gè)檢測(cè)觸摸事件的中斷請(qǐng)求，并輸出代表觸摸坐標(biāo)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。然后主處理器(MCU)讀取數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，執(zhí)行客戶期待的操作命令。

基于MCU計(jì)算參數(shù)的設(shè)計(jì)方法要求主處理器的速度非?？?，只有這樣才能管理頻繁的觸摸操作。對(duì)于快速觸摸檢測(cè)應(yīng)用，這不是一個(gè)非?？煽康脑O(shè)計(jì)。因?yàn)闆]有數(shù)據(jù)平均和觸摸檢測(cè)延時(shí)功能，這類設(shè)計(jì)的檢測(cè)精度比較低。具有數(shù)據(jù)采樣、測(cè)量值平均、觸摸檢測(cè)延時(shí)配置和數(shù)字觸摸坐標(biāo)計(jì)算功能的專用觸摸屏控制器芯片才是真正的觸摸屏控制器。這些芯片易于集成到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，具有更高的性能。

電阻觸摸屏分類

按照觸摸屏上的感應(yīng)線數(shù)量，電阻式觸摸屏可再分為三大類：4線、5線和8線。4線觸摸屏的條形電極安裝在兩個(gè)不同的電阻層(X+、X-在同一層，Y+、Y-另一個(gè)電阻層上)。5線觸摸屏只在底層上有圓形電極(X+、X-、Y+和Y-)。頂層用于在觸摸過程中測(cè)量電壓，電壓梯度只施加在底層上。

8線觸摸屏的工作原理與4線觸摸屏相似。只是給每一條線增加一個(gè)參考電壓線，所以最后的總線數(shù)達(dá)到8條。新增的4條線分別用于給原來的4條線提供參考電壓。8線觸摸屏采用比例測(cè)量模數(shù)轉(zhuǎn)換器的測(cè)量原理。

因?yàn)槌杀镜土?，觸摸感應(yīng)算法簡(jiǎn)單，4線觸摸屏被廣泛用于低端消費(fèi)電子產(chǎn)品。5線和8線觸摸屏主要用于昂貴的高端醫(yī)療設(shè)備和重要的工業(yè)控制器。

觸摸屏解決方案的主要組件包括觸摸屏面板、觸摸屏控制器(TSC)、顯示面板和主處理器，如圖3所示，主處理器可以是一個(gè)低端的微控制器。主處理器利用一線或兩線接口協(xié)議(I2C/SPI)管理觸摸屏控制器的初始化，以及讀取數(shù)字坐標(biāo)數(shù)據(jù)。主處理器還負(fù)責(zé)把用戶觸摸轉(zhuǎn)換成所需的操作，如音量調(diào)節(jié)、圖片更換或書寫顯示。大多數(shù)消費(fèi)電子產(chǎn)品都有顯示面板，同一顯示面板上可顯示人機(jī)互動(dòng)圖標(biāo)。

圖 3:電阻式觸感解決方案結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)一個(gè)帶觸感用戶界面的應(yīng)用系統(tǒng)，設(shè)計(jì)復(fù)雜性取決于觸摸屏分辨率的要求。觸摸屏分辨率還取決于觸摸屏控器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率。另一個(gè)重要因素是觸摸屏控制器的功耗，建議選用一個(gè)具有中斷功能和低功耗待機(jī)模式的控制器。當(dāng)沒有觸摸操作時(shí)，控制器進(jìn)入低功耗的待機(jī)狀態(tài)，以節(jié)省電能;當(dāng)檢測(cè)到觸摸事件時(shí)，控制器將會(huì)喚醒，執(zhí)行觸摸電壓解碼功能。這個(gè)功能成為便攜設(shè)備的一個(gè)基本要求，因?yàn)?strong>便攜設(shè)備電池中的每庫(kù)侖電量都非常寶貴。

選用一個(gè)內(nèi)置緩存的觸摸屏控制器對(duì)于頻繁的觸摸檢測(cè)應(yīng)用十分有益。例如，書寫是連續(xù)的觸摸操作，如果觸摸屏控制器包括一個(gè)FIFO緩存，那么可以在FIFO緩存裝滿后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這可降低主處理器的處理開銷。當(dāng)屏幕較大(>6英寸)時(shí)，觸摸屏導(dǎo)電板拾起的噪聲會(huì)影響觸摸屏的精度，在觸摸屏上(在X+/X-、Y+/Y-軸)增加電容器，可降低高頻噪聲。

一個(gè)電阻觸摸屏實(shí)例

為了弄明白電阻式觸感解決方案的原理，我們分析一個(gè)現(xiàn)成的低成本手寫板解決方案(圖 4)。在這個(gè)實(shí)例中，電阻觸摸屏控制器采用ST的先進(jìn)STMPE811控制器，主處理器采用ST的STM32高密度32位微控制器。

圖 4:手寫板解決方案

該解決方案讓用戶在TFT-LCD面板上感受實(shí)時(shí)手寫的妙處。在一個(gè)4線電阻式觸摸屏上，手寫筆的X和Y坐標(biāo)被映射到TFT-LCD面板內(nèi)的一個(gè)線繪上。在現(xiàn)有的手寫板設(shè)計(jì)中，2.4英寸觸摸屏安裝到2.4英寸(QVGA分辨率)TFT-LCD面板上。大多數(shù)手機(jī)和PDA都采用低分辨率的顯示屏。為確保觸摸檢測(cè)坐標(biāo)精確映射到顯示屏上，應(yīng)特別注意觸摸屏和顯示面板的分辨率。沿觸摸屏電阻軸(X/Y)的觸摸坐標(biāo)變化是另一個(gè)重要考慮因素，這個(gè)問題與觸摸屏的品牌有關(guān)。在某些觸摸屏上，從觸摸屏控制器取得的坐標(biāo)值沿觸摸屏的軸從上向下逐漸變小，反之亦然。

在本例中，觸摸屏控制器通過I2C協(xié)議接口連接32位微控制器。TFT-LCD面板通過微控制器的靈活接口(FSMC)與微控制器相連，通過微控制器配置觸摸屏控制器的各種參數(shù)，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣速度和平均值。除I2C協(xié)議接口外，觸摸屏控制器提供一個(gè)輸出中斷引腳，用于向主處理器發(fā)起觸感檢測(cè)中斷請(qǐng)求。該中斷引腳與微控制器的外部中斷端口引腳相連。本解決方案采用的觸摸屏控制器包括一個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)可暫存128個(gè)觸摸數(shù)據(jù)集的FIFO緩存。當(dāng)觸摸屏控制器檢測(cè)到觸摸事件時(shí)，微控制器就會(huì)從外部中斷端口引腳收到一個(gè)中斷請(qǐng)求，然后通過I2C協(xié)議讀取觸摸屏控制器FIFO緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)。每個(gè)X軸和Y軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)都使用一個(gè)12位數(shù)值。從觸摸屏坐標(biāo)到像素顯示屏坐標(biāo)的軟件映射，計(jì)算基數(shù)是顯示器面板的分辨率和觸摸屏的分辨率。微控制器處理TFT-LCD像素顯示器的坐標(biāo)，然后顯示相應(yīng)的TFT-LCD像素。12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率完全夠用。因此，可以獲得非常精確的觸點(diǎn)，這可以讓連續(xù)的像素發(fā)光，為用戶提供實(shí)時(shí)的線繪感覺(圖5)。

圖 5:手寫板實(shí)現(xiàn)流程

因?yàn)?strong>觸摸屏控制器內(nèi)置FIFO緩存，管理微控制器處理開銷變得很容易。此外，還可在顯示面板的一側(cè)顯示彩色表格。文本的顏色可以選擇，只要點(diǎn)擊表格中的一種顏色，下一個(gè)線繪就會(huì)變成所選顏色。該方案還提供一個(gè)清除按鈕的圖標(biāo)，當(dāng)屏幕充滿內(nèi)容時(shí)，觸摸這個(gè)按鈕可清理屏幕。利用這種方式，設(shè)計(jì)人員可輕松實(shí)現(xiàn)一個(gè)畫筆功能。這個(gè)應(yīng)用可能是孩子畫畫工具箱的基礎(chǔ)。(Menka Tangri，意法半導(dǎo)體)