智能手機(jī)復(fù)雜觸摸屏接口設(shè)計(jì)指南

    支持網(wǎng)絡(luò)的多媒體智能電話改變了消費(fèi)者使用手機(jī)的方式。在這些電話中，特別受歡迎的是液晶觸摸屏接口，用戶通過它來使用各種應(yīng)用程序，或者用手指滾動(dòng)訪問網(wǎng)頁。如果希望在不花費(fèi)大量的時(shí)間、預(yù)算或者功耗的情況下，開發(fā)這類復(fù)雜的接口，采用零功耗Altera MAX IIZ CPLD是一個(gè)理想的選擇。

    與 ASSP或者其它競爭技術(shù)不同，MAX IIZ CPLD的I/O非常多、使用方便、功耗低，能靈活突出產(chǎn)品優(yōu)勢。這些優(yōu)點(diǎn)大大簡化并加速了個(gè)性化手機(jī)、便攜式媒體播放器和顯示器的開發(fā)，適用于醫(yī)療、汽車和工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域。Altera基于MAX IIZ EPM240Z器件的最新多點(diǎn)觸摸屏參考設(shè)計(jì)，有助于設(shè)計(jì)人員迅速將構(gòu)思變?yōu)閷?shí)際產(chǎn)品。

定制或者自行設(shè)計(jì)

    任何觸摸屏方案都包括兩部分：2D觸摸傳感器和計(jì)算應(yīng)用程序，后者將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為用戶意圖。參考設(shè)計(jì)是完整的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以進(jìn)行定制，也可以原樣使用。它提供銦錫氧化物(ITO)屏以及簡單的雙面PCB用作多觸點(diǎn)導(dǎo)航板。圖1(a)所示的2D多觸點(diǎn)參考設(shè)計(jì)基于MAX IIZ EPM240Z CPLD以及ADI的AD7142 集成電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)，支持片內(nèi)環(huán)境校準(zhǔn)以及ITO屏。

    參考設(shè)計(jì)有一個(gè)簡單的數(shù)據(jù)解釋程序，演示并測試多觸點(diǎn)傳感器的工作。AD7142 CDC用于監(jiān)測電容變化，只有14個(gè)電容傳感器通道。在這一參考設(shè)計(jì)中，MAX IIZ CPLD擴(kuò)展了AD7142 CDC的功能，使其能夠處理兩維ITO薄膜和PCB觸摸傳感器。應(yīng)用處理器通過SPI或者I2C總線訪問AD7142的CDC寄存器文件，將MAX IIZ CPLD的SRC信號控制設(shè)置在合適的軸上。長時(shí)間暫停后，觸摸屏監(jiān)測到一次觸摸時(shí)，MAX IIZ CPLD會產(chǎn)生一個(gè)中斷信號。

ITO或者PCB觸摸屏設(shè)計(jì)

    任何觸摸屏設(shè)計(jì)都從實(shí)際的觸摸傳感器開始。雖然這個(gè)參考設(shè)計(jì)主要是針對電容ITO 觸摸屏，但也適用于一面為水平走線，另一面是垂直走線的雙面PCB。ITO 觸摸屏有兩個(gè)被絕緣體分開的透明層，14條y走線連接至AD7142 CDC輸入，16條x走線連接至MAX IIZ CPLD。MAX IIZ CPLD能夠增加更多的I/O，進(jìn)一步提高分辨率，支持更大的觸摸屏。14x16的設(shè)計(jì)可支持最高16x14cm的觸摸屏。

圖1：(a) 基于Altera MAX IIZ EPM240Z CPLD的多觸點(diǎn)觸摸屏參考設(shè)計(jì)；

圖1：(b) ITO觸摸屏或者PCB觸摸板的側(cè)視圖(左)以及正視圖(右)。  

    ITO 觸摸傳感器有兩個(gè)被絕緣體分開的互相垂直的層，上面分別是x和y走線。理想情況下，x走線在下面，y走線在上面，連接至AD7142輸入。如此布置的原因是CDC在監(jiān)視靠近手指的走線時(shí)更敏感。走線陣列較寬，間距為5至10mm。圖1(b)中左側(cè)為觸摸屏交叉部分，右側(cè)是觸摸屏。在實(shí)際的顯示觸摸屏中，走線是透明的。

    圖1(b)中的傳感器可實(shí)現(xiàn)計(jì)算導(dǎo)航板，從而避免了使用普通導(dǎo)航板所需要的選擇按鈕。如圖2所示，中指移動(dòng)光標(biāo)，食指和無名指觸摸屏幕，指示鼠標(biāo)左鍵或者右鍵點(diǎn)擊。去掉移動(dòng)部分后，電容觸摸屏傳感器比按鍵和按鍵開關(guān)更耐用。

                      圖2：用手指控制無開關(guān)導(dǎo)航板。

ADI的AD7142 CDC

    AD7142 CDC并不是設(shè)計(jì)用作觸摸屏解碼器，而是用于測量電容以及PCB上傳感器線陣的電容變化。AD7142 CDC電氣特性比較完備，能校準(zhǔn)特定的PCB布局，然后針對14個(gè)傳感器輸入的每一輸入進(jìn)行電容測量，精度為12位。每個(gè)測量周期結(jié)束后，通過I2C或者SPI總線來訪問這些數(shù)值。AD7142 CDC在SRC信號上發(fā)送一個(gè)250kHz方波，驅(qū)動(dòng)靠近傳感器板的走線，然后測量接收到的SRC信號強(qiáng)度。由于觸摸屏電容和SRC信號接收強(qiáng)度成正比，因此AD7142 CDC探測并量化用戶手指接觸觸摸屏?xí)r的電容變化。

    AD7142 CDC連續(xù)進(jìn)行14次可尋址電容測量。圖3顯示當(dāng)沒有手指接觸時(shí)基線條件下的寄存器值，下面的圖顯示了手指觸摸傳感器9時(shí)的寄存器值。AD7142 CDC非常靈敏，應(yīng)用處理器利用這一詳細(xì)的電容矢量值，確定手指位于9.3傳感器位置，即在傳感器9和10之間。AD7142 CDC精度達(dá)到12位，因此，只需要14個(gè)傳感器就可以精確測量手指的位置。

                圖3：線性AD7142 CDC采樣示意圖。

AD7142 CDC文檔詳細(xì)介紹了工作過程和校準(zhǔn)功能。

MAX IIZ CPLD將線性傳感器轉(zhuǎn)換為2D傳感器

    AD7142 CDC可以測量14個(gè)傳感器相對于一條SRC走線的電容。增加MAX IIZ CPLD后，可在串行接口的控制下，獲得AD7142 CDC的SRC方波信號，并選擇驅(qū)動(dòng)觸摸屏的某一條垂直x走線，從而支持多條SRC走線。AD7142 CDC可以進(jìn)行相對于垂直走線軸或者本地的電容測量。MAX IIZ中大量的I/O (5x5mm封裝支持54個(gè)I/O，7x7mm封裝支持116個(gè)I/O)結(jié)合AD7142的高分辨率電容數(shù)字測量能力，使這一解決方案能夠適用于面積較大的觸摸屏和面板。

    圖4為AD7142 CDC和MAX IIZ CPLD相結(jié)合后的2D電容測量結(jié)果，顯示了16條走線，即，對x軸進(jìn)行了16次劃分。左側(cè)是基線電容測量，而右側(cè)是兩個(gè)手指觸摸傳感器后的結(jié)果。圖中藍(lán)色和紅色采樣行表示哪一SRC走線被激活。

圖4：電容數(shù)字采樣2D陣列表示：基線(左)和觸摸后的結(jié)果(右)。 

    應(yīng)用處理器通過串行接口設(shè)置MAX IIZ CPLD驅(qū)動(dòng)傳感器S1列和SRC信號，讀取來自AD7142 CDC的14個(gè)電容值。然后，應(yīng)用處理器通知MAX IIZ CPLD將SRC移至下一垂直走線，進(jìn)行另一次14個(gè)電容測量，不斷重復(fù)，直至應(yīng)用處理器獲得了觸摸傳感器2D區(qū)域內(nèi)所有244個(gè)(14x16)電容測量值。使用I2C總線，采集所有數(shù)據(jù)的時(shí)間大約為375 ms，而使用SPI總線的時(shí)間為300ms。(降低CDC采樣分辨率可以減少采樣周期)。然后，應(yīng)用處理器處理原始數(shù)據(jù)，確定用戶意圖。

降低功耗，節(jié)省時(shí)間，減少處理

    MAX IIZ CPLD和AD7142 CDC觸摸屏解碼參考設(shè)計(jì)的功效非常高，正常全速工作和正常分辨率下一般只需要1.5mA電流。它還支持三種其它功效級別。在第一低功耗級中，應(yīng)用處理器降低采樣率，只采集一部分水平和垂直走線，或者使用精確的AD7142 CDC來確定走線之間的觸摸點(diǎn)。在更低的功耗級中，需要用戶觸摸屏幕中心來喚醒器件，這要求應(yīng)用處理器只采樣一條水平走線和一條垂直走線。

    最低功耗級可以將應(yīng)用處理器和AD7142 CDC置于關(guān)斷模式。采用外部32kHz時(shí)鐘以及每秒一次的采樣率，典型的MAX IIZ CPLD待機(jī)電流只有50μA。當(dāng)MAX IIZ CPLD的高功效電容探測系統(tǒng)監(jiān)測到屏幕被觸摸時(shí)，它通過中斷信號喚醒處理器。處理器被喚醒后，系統(tǒng)以更高的精度來讀取觸摸位置。

本文小結(jié)

    單點(diǎn)觸摸屏和面板不再是實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)接口的最新手段，而被認(rèn)為是必備功能。單點(diǎn)觸摸屏方案已經(jīng)廣泛應(yīng)用，因此為使產(chǎn)品得到消費(fèi)者的青睞，需要采用兩點(diǎn)或者多點(diǎn)觸摸屏?，F(xiàn)在應(yīng)用的多觸點(diǎn)解決方案還不多，Altera MAX IIZ CPLD 利用現(xiàn)有元件實(shí)現(xiàn)了靈活的多觸點(diǎn)用戶接口。