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1 引言

觸摸屏技術(shù)應(yīng)用于智能儀表中可以直接在顯示屏上進(jìn)行觸摸輸入, 改善人機(jī)交互方式, 使用方便。觸摸屏的工作原理根據(jù)使用的介質(zhì)不同而不同, 常見的有電阻式、 電容式、 紅外式、 聲表面波式。電阻式觸摸屏可由任意輸入筆啟動(dòng)、 結(jié)構(gòu)簡單、 使用方便并且價(jià)格低廉, 所以這種觸摸屏非常適合在智能儀表中使用, 本文介紹四線電阻式觸摸屏的接口技術(shù)。

2 電阻式觸摸屏原理

四線電阻式觸摸屏由 3 層構(gòu)成: 底層是絕緣層——玻璃基板, 上面涂有兩層透明電阻層。每一電阻涂層各在 X/ Y 方向上有兩條檢測線, 共有 4 條檢測線: X+ 、 X- 、 Y+ 、 Y- 。沒有觸摸信號時(shí), 兩層電阻層沒有接觸點(diǎn), 互不導(dǎo)通; 當(dāng)某一點(diǎn)被觸摸時(shí), 則在這一點(diǎn)上兩層電阻短接, 測量 Y 軸方向阻值變化, 只需在Y+ 與 Y- 方向施加電壓, 將 X+ 讀出的壓降值送入到A/ D 轉(zhuǎn)換器, 經(jīng)過 A/ D 轉(zhuǎn)換即可得到相應(yīng)的 Y軸坐標(biāo)。同理, 測量 X 軸方向阻值變化, 則在 X 軸方向上施加電壓, 讀取 Y+ 的輸出值到 A/ D 轉(zhuǎn)換器即可。在智能儀表設(shè)計(jì)中, 觸摸屏的接口技術(shù)主要有: 與內(nèi)置A/ D 的單片機(jī)直接接口; 與專用 A/ D 的接口。

3 觸摸屏與內(nèi)置 A/ D的單片機(jī)接口技術(shù)

觸摸屏與內(nèi)置 A/ D 的單片機(jī)接口可以通過 4 個(gè)三極管或 MOS 管分別給 X、 Y 方向施加電壓, 并通過A/ D通道讀取 Y、 X 方向的電壓值來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)單片機(jī) P1. 1 電平為低、 P1. 2 電平為高時(shí), 則對應(yīng)的 PNP 三極管 TR1、 TR3 導(dǎo)通, TR2、 TR4 截止, Y軸電阻被施加電壓, 單片機(jī)通過 X+ 讀取 Y 軸數(shù)據(jù)到單片機(jī)的 A/ D 通道 AD1。而當(dāng) P1. 1 為高電平、 P1. 2為低電平時(shí), 單片機(jī)從通道 AD0讀入 X 軸數(shù)據(jù)。需要指出的是, 一般的單片機(jī)上自帶的 A/ D 轉(zhuǎn)換器輸入阻抗較低( 一般為幾 kΩ , 而觸摸屏最大阻值為 500 Ω左右, 若對觸摸屏輸入的線性度、 精度有較高的要求, 還應(yīng)在 A/ D輸入通道前加入緩沖器。

 

對觸摸屏輸入 A/ D 的數(shù)據(jù)讀取控制可采用定時(shí)查詢方式和中斷方式。定時(shí)查詢時(shí), 利用單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)器, 產(chǎn)生 20ms 的定時(shí)中斷, CPU 響應(yīng)定時(shí)器溢出中斷, 給Y 軸施加電壓, 從 X 軸讀取A/ D值, 若未發(fā)現(xiàn)觸摸輸入, 結(jié)束中斷; 若發(fā)現(xiàn)有觸摸信號, 再給 X 軸施加電壓, 從 Y 軸讀取A/ D 值, 分別得到 Y、 X 方向的坐標(biāo), 結(jié)束中斷。定時(shí)查詢時(shí), 無論是否有觸摸輸入, 每20ms就需中斷一次, 需要占用 CPU 較多的時(shí)間。

 

為提高 CPU 的利用效率, 可以采用中斷方式。當(dāng)有觸摸信號時(shí)便產(chǎn)生中斷請求, CPU 響應(yīng)中斷, 分別讀取 X、 Y 軸的 A/ D 值, 得到 X、 Y 坐標(biāo)。筆中斷產(chǎn)生電路, 給 Y 軸電阻施加電壓, 在觸摸屏的 X+ 輸出端上拉一個(gè) 100 k8 電阻 R 1 和一個(gè)二極管, 當(dāng)沒有觸摸信號時(shí), 兩層電阻沒有導(dǎo)通點(diǎn), 二極管沒有接地,所以其正極輸出 C 點(diǎn)的電平為高; 當(dāng)有觸摸信號時(shí), 二極管通過觸摸屏電阻接地, 由于觸摸屏電阻相對于 R 1 很小, 則從 C 點(diǎn)輸出的電平變低, 產(chǎn)生中斷請求信號, 單片機(jī)響應(yīng)這個(gè)中斷請求信號后發(fā)出啟動(dòng) A/ D轉(zhuǎn)換的命令。但是在進(jìn)行 Y 軸轉(zhuǎn)換時(shí), 由于二極管漏電流 I LEAKAGE 的影響使讀數(shù)產(chǎn)生誤差, 導(dǎo)致觸摸 A 點(diǎn)時(shí)輸出讀數(shù)誤差大, 觸摸 B 點(diǎn)時(shí)誤差小, 并且這個(gè)誤差難以用軟件進(jìn)行補(bǔ)償, 為了減小該偏移誤差, 可以將筆中斷信號通過 R 2 電阻上拉到 Active 信號, 當(dāng)單片機(jī)接收筆中斷進(jìn)入中斷服務(wù)程序后, 先置 Active 為低, 然后分別給 X、 Y 軸施加電壓, 讀取相應(yīng)的 A/ D 通道, 得到 X、 Y 坐標(biāo), 然后置 Active 為高, 從中斷服務(wù)程序返回。這樣, 在進(jìn)行 X、 Y 測量時(shí), 二極管截止, 此時(shí)二極管漏電流的影響可以被忽略掉。因?yàn)镃S為低電平時(shí)的最大輸出為 0. 8V, 則 R 1 與 R 2 的選取可參照公式:

需要注意的是, R 2 要選取低阻值來盡量減小 Active 電平的下降沿時(shí)間。

觸摸屏與內(nèi)置 A/ D 的單片機(jī)接口設(shè)計(jì)簡單, 成本低, 但觸摸屏輸入只能完成一些要求簡單輸入控制操作, 如菜單式選擇等。如果要求進(jìn)行諸如漢字手寫輸入等要求線性、 精度等較高的觸摸屏輸入, 就需要采用專用A/ D 接口。

4 觸摸屏與專用 A/ D芯片的接口技術(shù)

4．1 ADS7843 工作原理及接口技術(shù)

ADS7843 是某公司專為四線電阻式觸摸屏設(shè)計(jì)的專用接口芯片。它可以方便地與單片機(jī)接口, 對轉(zhuǎn)換信號進(jìn)行處理和計(jì)算。

它是一個(gè)具有可編程的 8 位或 12 位分辨率的逐次逼近型A/ D 轉(zhuǎn)換器, 帶有一個(gè)同步串行接口, 可支持高達(dá) 125kHz 的轉(zhuǎn)換速率。它的工作電壓 V cc 為217~ 5V, 參考電壓在 1V 到 V cc 之間均可, 參考電壓的數(shù)值決定轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍。 它有 4 路模擬信號輸入通道, X+ 、 Y+ 是觸摸屏輸入通道, IN3、 IN4 是兩個(gè)輔助模擬輸入通道。參考電壓模式設(shè)置分為兩種: 單端模式和差分模式。在單端模式中參考輸入電壓選取的是 V cc 和 GND, 由于內(nèi)部的開關(guān)電阻壓降影響轉(zhuǎn)換結(jié)果帶來誤差, 所以轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的低阻開關(guān)對轉(zhuǎn)換精度有一定影響; 差分模式參考輸入由未選中的輸入通道 Y+ 、 Y- / X+ 、 X- 提供參考電源和地, 不管內(nèi)部開關(guān)電阻如何變化, 其轉(zhuǎn)換結(jié)果總與觸摸屏的電阻成比例, 克服了內(nèi)部開關(guān)電阻的影響, 但當(dāng)轉(zhuǎn)換頻率很高時(shí)則增加了功耗, 需要考慮低功耗設(shè)計(jì)。

 

ADS7843 的筆中斷控制就是當(dāng)有觸摸信號時(shí), 發(fā)出一個(gè)中斷信號 PENIRQ 告知單片機(jī)發(fā)控制字, 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng) A/ D 被設(shè)定為筆中斷低功耗模式時(shí), 一有觸摸信號, ADS7843 立刻進(jìn)入工作模式, 無需等待電源的上升。這種模式與連續(xù)工作方式相比可以極大的降低功耗, 從 750LW 到低于 0. 5LW. 模式的設(shè)定可通過對相應(yīng)的控制字的設(shè)定來實(shí)現(xiàn)。

觸摸屏在與 ADS7843接口時(shí), 觸摸屏輸出的 4 條檢測線依次與ADS7843 的 X+ 、 Y+ 、 X- 、 Y- 管腳直接相連, 通過 A/ D 芯片內(nèi)部的 MOS 管來進(jìn)行讀取切換。筆中斷控制信號 PENIRQ 可以通過電阻上拉到V cc, 但為了避免片內(nèi)二極管漏電流影響, PENIRQ最好上拉到片選信號CS。當(dāng)沒有觸摸信號時(shí), PENIRQ管腳輸出高電平; 當(dāng)有觸摸信號時(shí), 單片機(jī)接收到PENIRQ管腳輸出的低電平中斷信號后, 先置CS為低電平選中 A/ D 轉(zhuǎn)換器, 然后讀取 X、 Y 軸的轉(zhuǎn)換值, 再置CS為高, 消除了漏電流的影響。

4．2 ADS7843 與 AT89C2051的接口技術(shù)

某公司的 8 位 AT89C2051 單片機(jī), 它與MCS- 51 系列產(chǎn)品兼容, 具有 2K 的 FLASH ROM, 15根 I/ O 口線, 使用方便靈活。 ADS7843 與AT 89C2051 的接口電路, 它們之間的接口信號包括:DCLK、 DIN、 DOUT 、 PENIRQ、 CS、 BUSY。

 

在圖中, ADS7843 設(shè)置為差分模式, 它是根據(jù)接收的時(shí)鐘信號 DCLK, DCLK、 DIN、 DOUT 3 個(gè)管腳進(jìn)行同步串行輸入或輸出, 單片機(jī)通過自帶的定時(shí)器設(shè)置時(shí)鐘輸出到 A/ D 轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)同步。當(dāng)有觸摸信號時(shí), A/ D 的 PENIRQ 管腳產(chǎn)生低電平中斷請求信號, 單片機(jī)在接收到中斷請求信號準(zhǔn)備響應(yīng)后, 先置輸出 P1. 6 為低電平, 即CS= 0, 啟動(dòng) A/ D 轉(zhuǎn)換。在每個(gè)轉(zhuǎn)換周期開始, 單片機(jī)通過P1. 5 管腳先發(fā)送8 位控制字到 A/ D 的串行輸入 DIN, 然后 A/ D 進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換, 同時(shí)其 BUSY 管腳電平變高, 轉(zhuǎn)換完畢后,BUSY 管腳電平變低, 當(dāng)單片機(jī)檢測到這個(gè)/ 忙0信號由高變低后, 從 A/ D的串行輸出口 DOUT 讀取 12 位的轉(zhuǎn)換數(shù)值。若轉(zhuǎn)換周期結(jié)束, 又有觸摸中斷請求信號, 則繼續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換; 若沒有觸摸中斷請求信號, 則A/ D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入低功耗模式, 等待下次轉(zhuǎn)換。

5 A/ D的輸入保護(hù)

為了防止靜電釋放或逆光源引發(fā)的高能量脈沖信號通過觸摸屏耦合進(jìn)入 A/ D 轉(zhuǎn)換器, 從而造成集成電路損壞或性能下降, 在實(shí)際應(yīng)用中, 還需要在觸摸屏的X + 、 Y+ 輸出引線與A/ D輸入通道之間加入鉗位二極管與鐵氧體磁珠,。這樣脈沖信號在進(jìn)入A/ D 轉(zhuǎn)換器之前先被濾除, 防止了脈沖信號的振幅超過電源電壓而損害零件, 保護(hù)A/ D 不受損壞。

 

6 結(jié)論

針對四線電阻式觸摸屏的接口技術(shù), 設(shè)計(jì)了觸摸屏與內(nèi)置 A/ D 的單片機(jī)接口和與專用 A/ D 的接口技術(shù)以及A/ D 輸入通道的保護(hù)技術(shù)等, 并在智能儀表研制中應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用表明: 電路穩(wěn)定可靠, 簡單實(shí)用。

 

參 考 文 獻(xiàn)

[ 1] Skip Osgood, CK Ong, Rick Downs. TOU CH SCREEN CON -TROLLER TIPS. BURR - BROWN APPL ICATION BUL-LETIN, 2000.

[ 2] BURR- BROWN INC. ADS7843 DATA SHEET, 1998.

[ 3] 施保華, 金曉波, 秦娟英. DSP 芯片與觸摸屏的接口控制. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2001( 1) :65- 66.

 

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