S3c2410的觸摸屏及模數(shù)轉換

時間：2005-06-04 12:30:00

關鍵字：觸摸屏 S3C2410 模數(shù)轉換電阻觸摸屏

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[導讀]S3c2410的觸摸屏及模數(shù)轉換

一、觸摸屏的幾個概念

所謂觸摸屏，從市場概念來講，就是一種人人都會使用的計算機輸入設備，或者說是人人都會使用的與計算機溝通的設備。不用學習，人人都會使用，是觸摸屏最大的魔力，這一點無論是鍵盤還是鼠標，都無法與其相比。

從技術原理角度講，觸摸屏是一套透明的絕對尋址系統(tǒng)，首先它必須保證是透明的，因此它必須通過材料科技來解決透明問題，像數(shù)字化儀、寫字板、電梯開關，它們都不是觸摸屏；其次它是絕對坐標，手指摸哪就是哪，不需要第二個動作，不像鼠標，是相對定位的一套系統(tǒng)，我們可以注意到，觸摸屏軟件都不需要游標，有游標反倒影響用戶的注意力，因為游標是給相對定位的設備用的，相對定位的設備要移動到一個地方首先要知道現(xiàn)在在何處，往哪個方向去，每時每刻還需要不停的給用戶反饋當前的位置才不致于出現(xiàn)偏差。這些對采取絕對坐標定位的觸摸屏來說都不需要；再其次就是能檢測手指的觸摸動作并且判斷手指位置，各類觸摸屏技術就是圍繞“檢測手指觸摸”而八仙過海各顯神通的。
1、觸摸屏的第一個指針：光學特性。它直接影響到觸摸屏的視覺效果。但是觸摸屏是多層的復合薄膜，光學特性上包括四個方面：透明度、色彩失真度、反光性和清晰度。彩色世界包含了可見光波段中的各種波長色，在沒有完全解決透明材料科技之前，或者說還沒有低成本的很好解決透明材料科技之前，多層復合薄膜的觸摸屏在各波長下的透光性還不能達到理想的一致狀態(tài)，下面是一個示意圖（圖6-1）：

圖6-1

由于透光性與波長曲線圖的存在，通過觸摸屏看到的圖像不可避免的與原圖像產生了色彩失真，靜態(tài)的圖像感覺還只是色彩的失真，動態(tài)的多媒體圖像感覺就不是很舒服了，色彩失真度也就是圖中的最大色彩失真度自然是越小越好。平常所說的透明度也只能是圖中的平均透明度，當然是越高越好。
反光性，主要是指由于鏡面反射造成圖像上重迭身后的光影，例如人影、窗戶、燈光等。反光是觸摸屏帶來的負面效果，越小越好，它影響用戶的瀏覽速度，嚴重時甚至無法辨認圖像字符，反光性強的觸摸屏使用環(huán)境受到限制，現(xiàn)場的燈光布置也被迫需要調整。大多數(shù)存在反光問題的觸摸屏都提供另外一種經過表面處理的型號：磨砂面觸摸屏，也叫防眩型，價格略高一些，防眩型反光性明顯下降，適用于采光非常充足的大廳或展覽場所，不過，防眩型的透光性和清晰度也隨之有較大幅度的下降。
清晰度，有些觸摸屏加裝之后，字跡模糊，圖像細節(jié)模糊，整個屏幕顯得模模糊糊，看不太清楚，這就是清晰度太差。清晰度的問題主要是多層薄膜結構的觸摸屏，由于薄膜層之間光反復反射折射而造成的，此外防眩型觸摸屏由于表面磨砂也會造成清晰度下降。清晰度不好，眼睛容易疲勞，對眼睛也有一定傷害，選購觸摸屏時要注意判別。
2、觸摸屏的第二個特性：穩(wěn)定性。觸摸屏是絕對坐標系統(tǒng)，要選哪就直接點那，與鼠標這類相對定位系統(tǒng)的本質區(qū)別是一次到位的直觀性。絕對坐標系的特點是每一次定位坐標與上一次定位坐標沒有關系，觸摸屏在物理上是一套獨立的坐標定位系統(tǒng)，每次觸摸的資料通過校準資料轉為屏幕上的坐標，這樣，就要求觸摸屏這套坐標不管在什幺情況下，同一點的輸出資料是穩(wěn)定的，如果不穩(wěn)定，那幺這觸摸屏就不能保證絕對坐標定位，點不準，這就是觸摸屏最怕的問題：漂移。技術原理上凡是不能保證同一點觸摸每一次采樣資料相同的觸摸屏都免不了漂移這個問題，目前有漂移現(xiàn)象的只有電容觸摸屏。
3、觸摸屏的第三個特性：相應性。檢測觸摸并定位，各種觸摸屏技術都是依靠各自的傳感器來工作的，甚至有的觸摸屏本身就是一套傳感器。各自的定位原理和各自所用的傳感器決定了觸摸屏的反應速度、可靠性、穩(wěn)定性和壽命。觸摸屏的傳感器方式還決定了觸摸屏如何識別多點觸摸的問題，也就是超過一點的同時觸摸怎幺辦？有人觸摸時接著旁邊又有人觸摸怎幺辦？這是觸摸屏使用過程中經常出現(xiàn)的問題，我認為最理想的方式是：超過一點的同時觸摸誰也不判斷，一直等到多點觸摸移走，有人觸摸接著又有人觸摸應該是分先后都判斷，當然是技術上可能的話。
紅外觸摸屏靠多對紅外發(fā)射和接收對管來工作，紅外對管性能和壽命都比較可靠，任何阻擋光線的物體都可用來作觸摸物，不過紅外觸摸屏使用傳感器數(shù)目將近100對，并且共享外圍電路，這就要求傳感器不僅本身性能好，還要求將近100對的紅外二極管“光-電阻特性”和“結電容”都保持一致。實際應用中，萬一有哪一對出現(xiàn)故障，可以在上電自檢過程中發(fā)現(xiàn)并在此后加以忽略，靠鄰近的紅外線代替，由于每一對紅外線只“監(jiān)管”約6mm左右的窄帶，而手指通常在15mm左右粗細，用戶是察覺不到的。但如果生產過程沒有對紅外發(fā)射管進行老化測試，沒有很好的質量管理體系，將近100對的傳感器，很快就不是一對兩對“掉隊”的問題了，總體壽命也就難以保證。下圖（圖6-2）是紅外觸摸屏的示意圖

圖6-2

電容觸摸屏本身實際上是一套精密的漏電傳感器，帶手套的手不能觸摸，由于使用電容方式，導致有漂移現(xiàn)象，在下節(jié)電容觸摸屏有詳細的介紹。超聲波觸摸屏有表面聲波觸摸屏和體波聲波觸摸屏，利用的都是電－聲壓電換能器作傳感器，接收傳感器和發(fā)射傳感器所用的壓晶體管不是一種型號，在制造時的摻雜材料略有不同，發(fā)射換能器功率大，接收換能器更加靈敏。壓電換能器的壽命長，工作穩(wěn)定，正常工作可以保證10年不出問題。觸摸屏安裝后，換能器是隱藏起來的，但是在運輸和安裝過程中需要小心謹慎，裸露的換能器晶體不能碰撞擠壓。表面聲波觸摸屏有X、Y軸兩對傳感器，利用屏幕表面的聲表面波來檢測手指觸摸，可以說，工作面是一層看不見、打不壞的聲能，不怕暴力使用，最適合公共信息查詢。
以上談了一些觸摸屏技術領域的概念，當然，只是是純技術原理的一些探討，評判一種觸摸屏，光是技術原理還只是其中的一部分，觸摸屏要應用到各個領域，還要抵受千觸萬摸，選用材料的耐用性如何，反應速度如何，價格能否承受，這些都是理性的評判一種觸摸屏。
由于目前基于電阻技術的觸摸屏由于價格低廉，亦可滿足絕大多數(shù)，下面著重介紹一下電阻式觸摸屏的基本原理：
電阻觸摸屏的屏體部分是一塊與顯示器表面非常配合的多層復合薄膜，由一層玻璃或有機玻璃作為基層，表面涂有一層透明的導電層，上面再蓋有一層外表面硬化處理、光滑防刮的塑料層，它的內表面也涂有一層透明導電層，在兩層導電層之間有許多細?。ㄐ∮谇Х种挥⒋纾┑耐该鞲綦x點把它們隔開絕緣。如圖6-3

圖6-3 電阻觸摸屏剖面結構

圖6-4

當手指觸摸屏幕時，平常相互絕緣的兩層導電層就在觸摸點位置有了一個接觸，因其中一面導電層接通Y軸方向的 5V均勻電壓場，使得偵測層的電壓由零變?yōu)榉橇?，控制器偵測到這個接通后，進行A/D轉換，并將得到的電壓值與5V相比即可得觸摸點的Y軸坐標，同理得出X軸的坐標，這就是所有電阻技術觸摸屏共同的最基本原理。
電阻類觸摸屏的關鍵在于材料科技。常用的透明導電涂層材料有：
①ITO，氧化銦，弱導電體，特性是當厚度降到1800個埃（埃＝10-10米）以下時會突然變得透明，透光率為80％，再薄下去透光率反而下降，到300埃厚度時又上升到80％。ITO是所有電阻技術觸摸屏及電容技術觸摸屏都用到的主要材料，實際上電阻和電容技術觸摸屏的工作面就是ITO涂層。
②鎳金涂層，五線電阻觸摸屏的外層導電層使用的是延展性好的鎳金涂層材料，外導電層由于頻繁觸摸，使用延展性好的鎳金材料目的是為了延長使用壽命，但是工藝成本較為高昂。鎳金導電層雖然延展性好，但是只能作透明導體，不適合作為電阻觸摸屏的工作面，因為它導電率高，而且金屬不易做到厚度非常均勻，不宜作電壓分布層，只能作為探層。
五線電阻觸摸屏：
五線電阻技術觸摸屏的基層把兩個方向的電壓場通過精密電阻網絡都加在玻璃的導電工作面上，我們可以簡單的理解為兩個方向的電壓場分時工作加在同一工作面上，而外層鎳金導電層只僅僅用來當作純導體，有觸摸后分時檢測內層ITO接觸點X軸和Y軸電壓值的方法測得觸摸點的位置。五線電阻觸摸屏內層 ITO需四條引線，外層只作導體僅僅一條，觸摸屏得引出線共有5條。五線制電阻觸摸屏的結構如圖6-5

圖6-5 五線制觸摸屏的結構

四線電阻觸摸屏的缺陷：
電阻觸摸屏的B面要經常被觸動，四線電阻觸摸屏的B面采用ITO，我們知道， ITO是極薄的氧化金屬，在使用過程中，很快就會產生細小的裂紋，而裂紋一旦產生，原流經該處的電流被迫繞裂紋而行，本該均勻分布的電壓隨之遭到破壞，觸摸屏就有了損傷，表現(xiàn)為裂紋處點不準。

圖6-6 四線制觸摸屏的裂紋導致分流

隨著裂紋的加劇和增多，觸摸屏慢慢就會失效，因此使用壽命不長是四線電阻觸摸屏的主要問題。
五線電阻觸摸屏的改進：
首先五線電阻觸摸屏的A面是導電玻璃而不是導電涂覆層，導電玻璃的工藝使得A面的壽命得到極大的提高，并且可以提高透光率。
其次五線電阻觸摸屏把工作面的任務都交給壽命長的A面，而B面只用來作為導體，并且采用了延展性好、電阻率低的鎳金透明導電層，因此，B面的壽命也極大的提高。
五線電阻觸摸屏的另一個專有技術是通過精密的電阻網絡來校正A面的線性問題：由于工藝工程不可避免的有可能厚薄不均而造成電壓場不均勻分布，精密電阻網絡在工作時流過絕大部分電流，因此可以補償工作面有可能的線性失真。
五線電阻觸摸屏是目前最好的電阻技術觸摸屏，最適合于軍事、醫(yī)療領域使用。
但是四線電阻觸摸屏由于價格低廉，在通用領域的運用，下面將結合S3C2410內置的觸摸屏控制器來詳細講解整個觸摸屏電路的工作及測量過程。
下圖是四線電阻觸摸屏測量時的等效電路（圖6-7）：

圖6-7

測量時，分為以下3個步驟：
（1）起初，在觸摸屏沒有被按下的時候，觸摸屏的X軸和Y軸不會接觸在一起，此時這個電路處在“Pen Down Detect”狀態(tài)。S1、S2、S4斷開，S3、S5閉合。X+~X-的整個軸上的電壓均為0V（GND），Y-端懸空，Y+端由于有上拉電阻R1的存在而呈現(xiàn)高電平。當“Pen Down”后，X軸和Y軸受擠壓而接觸導通后，Y軸上的電壓由于連通到X軸接地而變?yōu)榈碗娖?，此低電平可做為中斷觸發(fā)信號來通知CPU發(fā)生“Pen Down”事件。
（2）當檢測到“PenDown”事件后，CPU立刻進入X軸坐標測量狀態(tài)：S1、S3閉合，S2、S4、S5斷開（Y+、Y-兩斷懸空）。由于X軸和Y軸在接觸點按下而連通，因此Y＋端的X_ADC可以認為是X軸的分壓采樣點（通過測量X_ADC的電壓可以得到X+到接觸點，以及X-到接觸點的比例），從而計算出X軸的坐標
（3）采樣完X軸的坐標后，S1、S3、S5斷開，S2、S4閉合，同樣原理，我們可以進一步得到Y軸的坐標。
二、S3C2410 模數(shù)轉換器（ADC）及觸摸屏控制器
S3C2410內置1個8信道的10bit模數(shù)轉換器（ADC），該ADC能以500KSPS的采樣資料將外部的模擬信號轉換為10bit分辯率的數(shù)字量。同時ADC部分能與CPU的觸摸屏控制器協(xié)同工作，完成對觸摸屏絕對地址的測量。
特性：
－分辯率：10bit
－相信誤差：＋/- 2LSB
－最大轉換速率：500KSPS
－模擬量輸入范圍：0～3.3V
－分步 X/Y坐標測量模式
－自動X/Y坐標測量模式
－中斷等待模式
下圖是ADC及觸摸屏控制器部分的邏輯示意圖（圖6-8）

圖6-8

隨后的圖是在S3C2410的ADC以及觸摸屏控制器的基礎上外接觸摸屏的示意圖，以及外部電路的實際原理圖。需要補充說明的是，圖中Q1、Q2為P溝道MOS管，開門電壓為1.8V；Q3、Q4為N溝道MOS管，開門電壓為2.7V。運用學過的電子電路的知識，我們知道當MOS管導通后（柵極電壓達到開門電壓之后），MOS管的源-漏極之間可以認為是直通的（導通電阻為毫歐級），即可以把MOS管認為是圖4-7中真正的“開關”。 AVDD 是外部模擬參考源，一般接3.3V電源，XP、XM和YP、YM分別是觸摸屏的4條引線，各自對應X軸和Y軸電阻。

圖6-8

ADC及觸摸屏控制器的工作模式：
1、 ADC普通轉換模式（Normal Converson Mode）
普通轉換模式（AUTO_PST=0,XY_PST=0）是用來進行一般的ADC轉換之用的，例如通過ADC測量電池電壓等等。
2、獨立X/Y軸坐標轉換模式（Separate X/Y Position Conversion Mode）
獨立X/Y軸坐標轉換模式其實包含了X軸模式和Y軸模式2種模式。
首先進行X軸的坐標轉換（AUTO_PST=0，XY_PST=1），X軸的轉換資料會寫到ADCDAT0寄存器的XPDAT中，等待轉換完成后，觸摸屏控制器會產生相應的中斷。
然后進行Y軸的坐標轉換（AUTO_PST=0，XY_PST=2），Y軸的轉換資料會寫到ADCDAT1寄存器的YPDAT中，等待轉換完成后，觸摸屏控制器會產生相應的中斷。
3、自動X/Y軸坐標轉換模式（Auto X/Y Position Conversion Mode）
自動X/Y軸坐標轉換模式（AUTO_PST=1，XY_PST=0）將會自動地進行X軸和Y軸的轉換操作，隨后產生相應的中斷。
4、中斷等待模式（Wait for InterruptMode）
在系統(tǒng)等待“Pen Down”，即觸摸屏按下的時候，其實是處于中斷等待模式。一旦被按下，實時產生“INT_TC”中斷信號。每次發(fā)生此中斷都，X軸和Y軸坐標轉換資料都可以從相應的資料寄存器中讀出。
5、閑置模式（Standby Mode）
在該模式下轉換資料寄存器中的值都被保留為上次轉換時的資料。

ADC及觸摸屏控制器的寄存器詳解
ADCCON ：ADC控制寄存器（見圖6-9）
ENABLE_START ：
置1：啟動ADC轉換
置0：無操作
RESR_START ：
置1：允許讀操作啟動ADC轉換
置0：禁止讀操作啟動ADC轉換
STDBM：
置1：將ADC置為閑置狀態(tài)（模式）
置0：將ADC置為正常操作狀態(tài)
SEL_MUX：選擇需要進行轉換的ADC信道
PRSCVL：ADC轉換時鐘預分頻參數(shù)
PRSCEN：ADC轉換時鐘使能
ECFLG：ADC轉換完成標志位（只讀）
為1：ADC轉換結束
為0：ADC轉換進行中

圖6-9

ADCTSC ：觸摸屏控制寄存器（見圖6-10）
XY_PST ：對X/Y軸手動測量模式進行選擇
AUTO_PST：X/Y軸的自動轉換模式使能位
PULL_UP ：XP端的上拉電阻使能位
XP_SEN ：設置nXPON輸出狀態(tài)
XM_SEN ：設置XMON輸出狀態(tài)
YP_SEN ：設置nYPON輸出狀態(tài)
YM_SEN ：設置YMON輸出狀態(tài)