一種電感式觸摸屏控制器設(shè)計(jì)

引言

觸摸屏是目前最友好的計(jì)算機(jī)用戶接口界面[1]，在消費(fèi)電子業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛[2]。觸摸屏主要由兩部分組成：觸摸檢測裝置和觸摸屏控制器[3]。目前主流觸摸屏產(chǎn)品的觸摸檢測裝置都是采用前置的方式，在觸摸過程中會(huì)對(duì)檢測裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)造成損壞，導(dǎo)致觸摸屏觸摸精度下降、壽命縮短；此外，常用的電容、電阻式的觸摸屏的成本相對(duì)較高。本文設(shè)計(jì)了一種后置式電感式觸摸屏，避免觸摸過程中對(duì)觸摸檢測裝置的損壞，延長觸摸屏產(chǎn)品的壽命，成本也相對(duì)較低。

1　電感式觸摸屏的工作原理

1.1　觸摸屏整體結(jié)構(gòu)

電感式觸摸屏整體結(jié)構(gòu)如圖1所示（需要特別說明的是,電感式觸摸屏要用專用的觸摸筆來達(dá)到觸摸輸入的效果，觸摸筆可以發(fā)出120～180 kHz頻率范圍內(nèi)的信號(hào)，這里不詳細(xì)介紹觸摸筆的原理）。上面是LCD顯示器，下面是觸摸屏檢測裝置。觸摸檢測裝置通過FPC（Flexible Printed Circuit board，柔性印刷電路板）與觸摸屏控制器連接。由觸摸屏結(jié)構(gòu)圖中可以看出，在利用觸摸屏輸入時(shí)，觸摸筆不與觸摸檢測裝置直接接觸，這樣避免了對(duì)觸摸檢測裝置的機(jī)械損壞，提高了整個(gè)觸摸控制系統(tǒng)的壽命。

圖1　電感式觸摸屏整體結(jié)構(gòu)

1.2　觸摸檢測裝置結(jié)構(gòu)

觸摸檢測裝置是由厚度為0.8 mm的軟性PCB（Printed Circuit Board）構(gòu)成，在PCB內(nèi)部鑲嵌著兩層橫（Y軸）豎（X軸）垂直交叉的導(dǎo)線，每一組交叉的導(dǎo)線之間都是絕緣的；導(dǎo)線的一端接地，另一端通過FPC與觸摸屏控制器中模擬電子開關(guān)CD4051的輸入端相連接。X、Y軸方向上的線圈數(shù)量根據(jù)顯示器的尺寸來確定。觸摸檢測裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，該觸摸檢測裝置X軸方向由35個(gè)線圈、Y軸由30個(gè)線圈組成，適用于14英寸顯示屏使用。

圖2　觸摸檢測裝置結(jié)構(gòu)

1.3　觸摸屏坐標(biāo)的確定方法

當(dāng)用戶將觸摸筆接近檢測裝置時(shí)，檢測裝置會(huì)感應(yīng)到信號(hào)，觸摸信號(hào)采用分時(shí)掃描的方式進(jìn)行檢測。如圖2右側(cè)是觸摸點(diǎn)P局部放大圖，假如觸摸到P點(diǎn)時(shí)，在Xn、Xn+1和Ym、Ym+1線圈上會(huì)感應(yīng)到電磁信號(hào)，使得檢測端口的信號(hào)由零變?yōu)榉橇?。首先?duì)X軸方向進(jìn)行掃描，通過模擬電子開關(guān)掃描到Xn上的信號(hào)，由CD4051公共輸出引腳輸出到OUT端，再把信號(hào)經(jīng)放大濾波、電壓整流電路后傳送到MCU,由MCU完成A/D轉(zhuǎn)換，得到一個(gè)電壓值Vn；接著掃描到Xn+1上的信號(hào)，同樣也經(jīng)過放大、濾波、整流后將信號(hào)發(fā)送到MCU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換得到一個(gè)電壓值Vn+1。X軸方向上掃描完成后，再掃描Y軸，同理可以在Ym、Ym+1上檢測到兩個(gè)電壓值Vm、Vm+1，利用檢測到的4個(gè)電壓值Vn、Vn+1、Vm、Vm+1可計(jì)算出觸摸坐標(biāo)，計(jì)算公式如下：

其中，Xn，Ym、 Xn+1，Ym+1是已知坐標(biāo)，ΔVx、ΔVy為已知常數(shù)，ΔVx是觸摸筆在Xn軸上時(shí)Vn與Vn+1的差值，ΔVy則是觸摸筆在Ym軸上時(shí)Vm與Vm+1的差值。

從觸摸屏控制器獲得的X與Y值僅是當(dāng)前觸摸屏的坐標(biāo),它不具有實(shí)用價(jià)值，這個(gè)值不但與觸摸屏分辨率有關(guān),而且也與觸摸屏和LCD的貼合狀況有關(guān)[4]。LCD與觸摸屏的分辨率和坐標(biāo)是不一樣的。因此,如果想得到體現(xiàn)LCD坐標(biāo)的觸摸屏位置,還需要在程序中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換公式如下:

其中,LCDWidth、LCDHeight是液晶屏的寬度與高度，XLCD_min、XLCD_max和YLCD_min、YLCD_max分別是觸摸屏橫縱坐標(biāo)的最大/最小值。

2　觸摸屏控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

觸摸屏控制電路整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)用觸摸筆觸摸LCD顯示屏?xí)r，觸摸檢測裝置對(duì)應(yīng)的X、Y軸上會(huì)分別感應(yīng)到一個(gè)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)經(jīng)過模擬電子開關(guān)，然后經(jīng)兩級(jí)放大、濾波，將得到的信號(hào)分兩路處理，一路是電壓整流，另一路是頻率檢測電路；得到的數(shù)據(jù)通過MCU HT46RB70計(jì)算，判斷出觸摸屏的位置及觸摸的方式，再由MCU將觸摸信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)觸摸輸入。整個(gè)觸摸屏控制電路的時(shí)序都是由單片機(jī)控制的，其他模塊的電路見后面的詳細(xì)介紹。

圖3　觸摸屏控制電路整體結(jié)構(gòu)

2.1　模擬電子開關(guān)電路

模擬電子開關(guān)電路如圖4所示，該電路的功能是驅(qū)動(dòng)觸摸屏檢測裝置，將觸摸信號(hào)傳送到信號(hào)處理電路。其電路主要是由CD4051組成，CD4051是一個(gè)8通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，該芯片有3位二進(jìn)制控制輸入端A、B、C 和一個(gè)使能輸入端INH，以及8個(gè)信號(hào)輸入端和1個(gè)公共輸出端。當(dāng)INH輸入端為高電平時(shí)，所有通道截止；當(dāng)INH為低電平時(shí)，單片機(jī)通過3位二進(jìn)制信號(hào)A、B、C選通一個(gè)通道的輸入信號(hào)，從公共輸出端OUT輸出，經(jīng)過兩級(jí)放大電路及濾波電路后，將觸摸信號(hào)分別發(fā)送到頻率檢測電路和電壓整流電路的TOUCH_SIN端。圖4中AX、BX、CX是X軸方向上電子開關(guān)的控制輸入端，A0～A4是X軸方向上的電子開關(guān)的使能端，X00~X34與觸摸屏檢測裝置X軸接口相連接，由于一個(gè)CD4051芯片只有8個(gè)通道的數(shù)字模擬開關(guān)，不能滿足線圈數(shù)量的需求，故這里設(shè)計(jì)了由5個(gè)CD4051(U1～Ｕ5)組成的X軸方向上的模擬電子開關(guān)電路。同理可設(shè)計(jì)Y軸方向上模擬電子電路。AY、BY、CY為控制輸入端，B0～B3作為使能端，Y軸由4個(gè)CD4051(U6～Ｕ9)組成,圖中Y00～Y29與觸摸屏檢測裝置Y軸接口相連接。

圖4　模擬電子開關(guān)電路

2.2　觸摸信號(hào)頻率檢測電路

觸摸信號(hào)的頻率是由觸摸筆發(fā)出，觸摸筆上有兩個(gè)按鍵，按下這兩個(gè)按鍵可以輸出兩個(gè)不同頻率的信號(hào)，分別為k1、k2。觸摸筆的作用相當(dāng)于鼠標(biāo)，當(dāng)觸摸筆輸出一次k1頻率時(shí)相當(dāng)于點(diǎn)擊一下鼠標(biāo)左鍵，輸出一次k2頻率相當(dāng)于點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵。當(dāng)觸摸筆筆尖與LCD距離≤3～5 cm時(shí)，觸摸檢測裝置可感應(yīng)到觸摸信號(hào)，這時(shí)光標(biāo)隨著觸摸筆在LCD上移動(dòng)。觸摸信號(hào)頻率檢測精度的高低是觸摸屏是否穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。頻率檢測電路及仿真結(jié)果如圖5、圖6所示，TOUCH_SIN端為觸摸信號(hào)輸入端，通過施密特觸發(fā)器，然后信號(hào)從FRE端發(fā)送到單片機(jī)，進(jìn)行運(yùn)算處理，計(jì)算出觸摸信號(hào)的頻率。利用Multisim軟件平臺(tái)建立出頻率檢測電路仿真模型，從仿真結(jié)果中可以看到，經(jīng)過處理后的觸摸信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有相同周期T的方波信號(hào),將方波信號(hào)傳送到微處理器，微處理器在t時(shí)間里計(jì)算出方波的個(gè)數(shù)n，則信號(hào)的周期T=t/n，頻率f=1/T,由此確定觸摸信號(hào)的頻率。

圖5　頻率檢測電路

單片機(jī)從端口TOUCH_SIN獲得的頻率信號(hào)的質(zhì)量,決定了觸摸屏能否快速響應(yīng)正確的觸摸動(dòng)作[5]。因此,在觸摸信號(hào)頻率檢測電路設(shè)計(jì)中，使用施密特觸發(fā)器(SN74LVC1G14)可以將觸摸時(shí)產(chǎn)生的鋸齒波形信號(hào)整形成較規(guī)則的方波信號(hào)。經(jīng)過這樣的設(shè)計(jì),也可以有效消除觸摸時(shí)因其他信號(hào)對(duì)頻率的干擾或過快點(diǎn)擊對(duì)觸摸屏精度造成的影響。

圖6　仿真結(jié)果

2.3　觸摸信號(hào)電壓整流電路


圖7　觸摸信號(hào)整流電路

當(dāng)觸摸筆靠近LCD時(shí)，觸摸檢測器獲得感應(yīng)信號(hào)，經(jīng)過電子開關(guān)及信號(hào)處理電路后，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行整流。觸摸信號(hào)整流電路如圖7所示。觸摸信號(hào)由TOUCH_SIN輸入，經(jīng)過二極管D整流。圖中CONTROL與HT460RB70的PC4引腳相連接， HT460RB70通過PC4引腳控制三極管的導(dǎo)通狀態(tài)，通過電容充放電直接影響整流后的波形，使其更加準(zhǔn)確。信號(hào)整流后還需經(jīng)過一個(gè)同相放大電路，然后從SIN發(fā)送到HT460RB70單片機(jī)PCO/INT引腳。在Multisim中對(duì)觸摸電壓信號(hào)整流電路的仿真結(jié)果如圖8所示，圖中信號(hào)SIN是處理后的信號(hào)波形。其結(jié)果表明，通過整流后得到平滑穩(wěn)定的直流電壓信號(hào)，有利于提高A/D轉(zhuǎn)換的精度。

圖8　仿真結(jié)果

2.4　MCU電路

MCU電路采用Holtek公司的RISC單片機(jī)——HT47RB70。該單片機(jī)是A/D轉(zhuǎn)換型8位USB單片機(jī)，專門為USB產(chǎn)品而設(shè)計(jì)，尤其適用于USB或SPI接口觸控屏、觸控按鍵等產(chǎn)品。

基于HT47RB70的電感式觸摸屏MCU電路如圖9所示。HT47RB70采用上電復(fù)位方式進(jìn)行復(fù)位，AX、BX、CX和AY、BY、CY與其PD0～PD2和PA0～PA2引腳分別作為X軸和Y軸電子開關(guān)電路的選擇端。PD3～PD6和PA3～PA6分別作為X軸和Y軸上電子開關(guān)電路的使能端。PE0～PE2作為信號(hào)修正電路的控制端。通過觸摸電壓處理電路后的信號(hào)通過PB0/AN0輸入單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器得出觸摸電壓的值，從而辨別出觸摸效果。頻率信號(hào)通過PC0/INT輸入單片機(jī)，通過單片機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)方波個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，即可得出信號(hào)的頻率。最后通過將觸摸信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)鼠標(biāo)信號(hào)，通過USB接口輸出到計(jì)算機(jī)，達(dá)到觸摸效果。

圖9　MCU電路

3　軟件設(shè)計(jì)

電感式觸摸屏控制器軟件設(shè)計(jì)主要包括：I/O初始化程序、定時(shí)計(jì)數(shù)器初始化、觸摸筆中斷服務(wù)程序、與計(jì)算機(jī)通信程序和主程序幾部分。觸摸筆中斷程序中包括觸摸坐標(biāo)計(jì)算程序和觸摸信號(hào)頻率計(jì)算程序。當(dāng)觸摸控制器接收到觸摸信號(hào)時(shí)，MCU響應(yīng)觸摸筆中斷服務(wù)程序，得到觸摸LCD的坐標(biāo)，啟動(dòng)與計(jì)算機(jī)通信程序，將觸摸信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，這樣完成一次觸摸。

結(jié)語

本文介紹了電感式觸摸屏的工作原理，以及控制器的硬件電路和部分程序設(shè)計(jì)，該控制器電路全部通過驗(yàn)證。電感式觸摸屏的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了非直接接觸式的觸摸，避免了對(duì)觸摸檢測裝置的損壞，延長了整個(gè)觸摸控制系統(tǒng)的壽命，觸摸同一點(diǎn)的重復(fù)精度與觸摸靈敏度達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。