關鍵詞：QT1101；觸摸傳感器；電荷轉(zhuǎn)移；觸摸屏
l 引言
傳統(tǒng)的人機交流是通過鍵盤或鼠標來實現(xiàn)的，信息交換的速度比較慢，而且要求操作者具有一定的專業(yè)知識，這將使信息交流的目的大打折扣，因此需要一種非鍵盤、非鼠標的方式來溝通，其中最具有應用價值的就是觸摸屏技術。
觸摸屏技術是20世紀90年代初出現(xiàn)的一種新的人機交互作用技術，主要分為電阻式、電容式、紅外線式和表面聲波式。基本原理是用手指或其他物體觸摸時，觸摸屏控制器檢測到觸摸位置，并通過接口送到CPU，從而確定輸入信息。觸摸屏具有堅固耐用、反應速度快、節(jié)省空間、操作靈活、使用方便等優(yōu)點，應用范圍非常廣闊，主要用于多媒體公共信息的查詢，如電信局、銀行等部門的業(yè)務查詢，機場、車站、賓館、旅游景點等的信息查詢及商場、超市導購等；其次還可應用于領導辦公、工業(yè)控制、軍事指揮、電子游戲、多媒體教學等，此外，觸摸屏正在走入家庭，如觸摸屏電話機、智能電腦電話等。本文提出了一種基于觸摸傳感器QT1101的觸摸屏設計方法，并詳細敘述了其基本原理。
2 觸摸屏設計
觸摸屏的設計原理很簡單，其主要器件是QTl101和單片機，QT1101完成按鍵的檢測和確認，然后把檢測到的按鍵信息送入單片機，單片機根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進行相應的處理?；究驁D如圖1所示。
該設計的核心部分是觸摸傳感器QTll01，因此了解其工作原理對設計有很大的幫助。
3 QTll01基本原理
QTl101電荷轉(zhuǎn)移器件是一款獨立的專利型數(shù)字控制器，它可以檢測接近或觸摸多達10個獨立按鍵時的信號，QTl101的電極能發(fā)射穿透任何電介質(zhì)(如玻璃或塑料)的獨立感應場，并具有連續(xù)自校準功能，無需進行調(diào)整。它是專為諸如控制面板、控制設備、游戲設備、照明控制或者任何有機械開關或按鈕的人機接口而設計的，還可以用于材料傳感和控制應用，每一個信道可相對其他信道獨立操作，通過調(diào)節(jié)相應的外部電容Cs，每個信道可以調(diào)整到一個特定的靈敏度電平，從而實現(xiàn)高度的靈活性。
Quantum的鄰近按鍵抑制(AKS)專利技術能夠抑制來自微弱信號的觸摸，只允許檢測到一個主要的按鍵觸摸，避免由于手指覆蓋到其他相鄰的空鍵而影響使用。當使用小控制面板時這個功能尤其重要，因為手指可能接觸不止一個按鍵。
擴頻突發(fā)脈沖技術可以提供很好的噪聲抑制。該器件的SYNC/LP引腳可以接類似器件或者外部信息同步，或者選擇LP模式來節(jié)省功耗。
QTll01具有以下特點：
復位或重啟后需要450 ms的校準初始化；
電荷轉(zhuǎn)移(QT)設計的專利技術；
10個獨立的QT傳感通道(按鍵)；
2.8 V～5.5 V的單電壓供電；
在360 ms低功耗模式(LP)下，3 V電壓消耗電流的典型值為40 μA；
100％全自動，不需要調(diào)整；
自動波特率的串行1線或2線接口完全無抖動；
擴頻突發(fā)脈沖模式進行噪聲抑制；
引腳能很好地抑制低頻噪聲；
滑動式應用中的“快速模式”；
32-QFN或48-SSOP無鉛封裝。
圖2為QTll01的引腳排列(以32-QFN封裝為例)，表1為各個引腳的功能。
3.1 QTll01的引腳介紹
3.1.1 DETECT引腳
DETECT為10個按鍵的功能邏輯或，當觸摸它時，可用于喚醒一個電池供電的產(chǎn)品。其輸出極性和該引腳的驅(qū)動模式如表2所示。
3.1.2 CHANGE引腳
該引腳可以告知主機已經(jīng)檢測到了觸摸狀態(tài)的變化(如按鍵被觸摸或斷開)，然后主機通過串行接口讀取新的按鍵狀態(tài)。當一個按鍵狀態(tài)改變時，CHANGE變低，可以阻止傳送重復數(shù)據(jù)，如果CHANGE未用，既使沒有觸摸的變化主機也要一直查詢QT1l01。當檢測到按鍵按下時，CHANGE變低并一直持續(xù)到主機通過串口查詢到該按鍵，然后CHANGE被釋放變?yōu)楦?，一直持續(xù)到按鍵狀態(tài)的下一個變化(任何鍵變高或變低)。
CHANGE為漏極開路，需要通過一個100 kΩ的上拉電阻連接到VDD。
3.1.3 SYNC/LP引腳
如表3所示，SYNC/LP引腳的功能是根據(jù)SL_0和SL_l連接VDD還是VSS設定的。
(1)Sync模式
Sync模式允許調(diào)整突發(fā)脈沖與外部信號源(如主頻率50/60 Hz)同步，抑制干擾，還可以使在相近地方工作的兩個QT器件同步，這樣當兩個器件的2個或多個按鍵距離比較近時不會相互干擾。
SYNC輸入是正脈沖觸發(fā)，如果SYNC的輸入沒有改變，該器件將在150 ms之后以自激頻率工作。當SYNC有觸發(fā)脈沖時，器件則以A-B-C的順序激活三個突發(fā)脈沖：
突發(fā)脈沖A：按鍵O，1，4，5
突發(fā)脈沖B：按鍵2,3,6，7
突發(fā)脈沖C：按鍵8，9
(2)低功耗(LP)模式
在該模式下，功耗器件進入慢速模式，具有較低的功耗，三種標稱的響應時間為：120ms，200ms和360ms。
當SYNC/LP引腳上有正脈沖時即進入LP模式，一旦檢測到LP脈沖，器件就進入并維持這種微安模式直至感應到并確認了一次觸摸之后，這時將自動轉(zhuǎn)換為正常(全速)模式，其響應時間典型值一般小于40 ms(與突發(fā)脈沖時間有關)。當SYNC/LP維持為高或者收到另一個LP脈沖時，器件將重新進入LP模式。
響應時間的設置是由可選電阻SL_l和SL_2來決定的，較短的相應時間將具有較低的功耗。SYNC/LP的脈沖持續(xù)時間應大于150μs，如果SYNC/LP引腳被永久地置為高電平，器件在一個按鍵觸摸時進入正常模式，而當按鍵狀態(tài)檢測完畢并被主機讀取后又返回低電流模式。如果SYNC/LP被永久地置為低電平，器件將一直維持正常全速模式工作。
3.1.4 OSC引腳
QT1101在全選模式下的電路連接圖如圖3所示，QTll01的內(nèi)部振蕩器是通過連接在OSC和SS引腳上的外部網(wǎng)絡實現(xiàn)的，所給出的推薦值是由標稱工作電壓和擴頻模式來決定，如表4和表5所示。如果沒用擴頻時，只用電阻Rb1，無需電容CSS，SS引腳通過100 kΩ的電阻連到VSS。
3.2 QTll01的特殊功能介紹
3.2.1 AKSTM功能
QT1l01的鄰近鍵抑制(AKSTM)功能特性有兩種模式，可通過可選電阻來控制。AKS可被禁止，這樣允許同一時刻任何組合的按鍵有效，當AKS工作時，兩種模式如表6和表7所示。
全局：AKS功能同時對全部的lO個按鍵工作，也就是說在任何一個時刻只有一個按鍵有效。
分組：AKS功能對三組按鍵工作(O-1-4-5，2-3-6-7和8-9)，也就是說，在任何時刻最多可以有三個按鍵有效。
在分組模式下，一組中的按鍵對其他組的按鍵沒有AKS相互作用。
注意：在快速檢測模式下，AKS只能被禁止。
3.2.2 MOD_0和MOD_1輸入
在全選模式下，MOD_0和MOD_1用來設置最大持續(xù)時間的重新校準超時。如果一個按鍵被持續(xù)按下的時間過長而超過設定的時間時，將會對該特定按鍵自動重新校準，設定值為10 s、60 s和無窮大。
最大持續(xù)時間特性的工作是以單個按鍵為基礎的，當一個按鍵被持續(xù)按下時，它的重新校準對其他按鍵沒有影響。
MOD可選引腳的邏輯組合設置超時延遲，如表8所列。
在簡化模式中，最大持續(xù)時間固定為60 s。
3.2.3 快速檢測功能
在很多設備中，需要以較快的速度感應觸摸，這樣的例子包括卷動滑動帶或者斷開按鈕。這時可以使器件工作在快速檢測模式，該模式通常只需要小于15 ms的反應時間。在LP模式下，快速檢測不能加速初始延遲(根據(jù)可選設置其典型值可以高達360 ms)，但是，一旦檢測到按鍵，器件就被強制返回正常速度模式。在另一個LP脈沖到來之前器件會一直處于快速模式。在滑動應用中，按鍵工作時最好不用AKS。
在正常和快速模式下，處理一個按鍵釋放的時間是相同的，也就是需要6個時序確認才能關掉一個按鍵。
快速檢測模式可由表6和表7所示的組合來激活。
3.2.4 簡化模式
簡化模式不需要大量的可選電阻，該模式是通過在引腳SNS6K和SNS7之間連接電阻進行設置的，在該模式下，只有一種選擇是可用的——AKS使能或禁止。當AKS禁止時，可工作在快速檢測模式，而當AKS使能時，不能工作在快速檢測模式。而且AKS在該模式下只能是全局方式工作，也就是作用在全部的功能按鍵上。
其他的可選特性如下：
DETECT引腳：推挽式，高有效；
SYNC/LP：LP模式，200 ms的響應時間；
最大持續(xù)時間：60 s。
3.3 QTll01的串行通信
QTll01的串行通信模式有兩種：1線模式(1W)和2線模式(2W)，下面分別介紹各個部分的基本原理。
3.3.1 串行1線(1W)接口
串行1W接口是基于RS-232的自動波特率串行異步接口，它只需要主機MCU和QTll01之間的一根接線，串行數(shù)據(jù)短并且容易理解。1W總線是雙向的，其串行工作的基本時序如圖4(a)所示。
在傳送中，主機可以通過漏極開路或者推挽式驅(qū)動器來驅(qū)動1W總線，但是，如果主機使用推挽式驅(qū)動，當處理完停止位后就要釋放1W總線以免在QTll01發(fā)送應答時有驅(qū)動沖突。如果主機使用開漏極傳送，上拉電阻的值應與期望的波特率保持最優(yōu)化，快速率要求小電阻防止出現(xiàn)上升時間過快的問題，在19 200 kb/s波特率時對應的典型阻值為100 kΩ。
圖4(b)為主機請求位(“Pt”)的形式(RS-232格式)，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗位，波特率為8 000 b/s~38 400 b/s，其中第一個“S”是起始位，后一個“S”就是停止位，這種位格式不能改變，QT1101響應的波特率與接收的“P”字符相同，圖4(c)給出了QTll01上的應答字節(jié)格式。
當發(fā)送“P”字符后，主機應立即使1 W信號懸空，防止主機和QTll01之間的驅(qū)動沖突。從接收停止位到OT1101驅(qū)動1W引腳的延遲時間為1~3位周期，因此，主機應該在一個位周期內(nèi)懸空該引腳來防止驅(qū)動沖突。
3.3.2 2W工作
如上所述，1W總線工作中，當?shù)却齉Tll01的應答時，主機應懸空1W總線，但是，這樣一般是不可能實現(xiàn)的。為了解決這個問題，QTll01也可以從主機通過RX引腳來接收字符“P”，而與1W引腳分離開來，如圖5所示。由于QTll01從不驅(qū)動RX，主機不用懸空RX。
RX上接收“P”后，QT1l01將像單純的1W模式時一樣通過1W總線發(fā)送相同的響應格式。
4 結(jié)束語
本文給出了一種觸摸屏的設計方法，并介紹了觸摸傳感器QT1l01的基本原理，該器件具有性能高、費用低的特點，可廣泛應用于MP3播放器、移動式電話、PC外圍設備、電視機控制，定點設備，遠距離控制等領域。而基于QTll01設計的觸摸屏可用于多媒體公共信息查詢等一些需要快速人機交互的場合。
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