基于C8051F021和ADS7846的觸摸屏系統(tǒng)設(shè)計

0 引言
    隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)的不斷發(fā)展，電子產(chǎn)品的設(shè)計，尤其是人機(jī)交互界面的設(shè)計越來越趨向于人性化。觸摸屏憑借其獨(dú)特的操作特性，應(yīng)用日益廣泛，它配合微控制器使用，能使嵌入式設(shè)備或手持式設(shè)備具有更加良好的人機(jī)交互界面，操作更加方便快捷。本文給出了一個基于C8051F021單片機(jī)和ADS7846觸摸屏控制器的觸摸屏控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。

1 觸摸屏工作原理
    觸摸屏有電阻式、電容式、紅外線式、表面聲波式等多種。其中電阻式觸摸屏是目前應(yīng)用較為廣泛的一種，可分為四線、五線、七線等幾類。其中四線制電阻式觸摸屏采用的是四線電阻模擬量技術(shù)，即兩個阻性層工作時，每層均加有5 V恒定電壓，一個豎直方向，一個水平方向，含四根導(dǎo)線；其特點(diǎn)主要是傳輸反應(yīng)快，解析度高，穩(wěn)定性好，一次校正，不易漂移，比較適合于工業(yè)控制領(lǐng)域，但使用時要注意防止外導(dǎo)電層被劃傷。
    電阻式觸摸屏實際上是一種傳感器，它采用分壓器原理將矩形區(qū)域中的觸摸點(diǎn)(X，Y)的物理位置轉(zhuǎn)換為代表X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的電壓，圖1所示是其原理圖。四線制觸摸屏一般包含兩個阻性層：其中一層在屏幕的左右邊緣各有一條垂直總線，而另一層在屏幕的底部和頂部各有一條水平總線。為了在X軸方向進(jìn)行測量，可將左側(cè)總線偏置為0 V，右側(cè)總線偏置為VREF，并將頂部或底部總線連接到ADC，這樣，當(dāng)兩個阻性層相接觸時(即有觸摸時)即可作一次測量；為了在Y軸方向進(jìn)行測量，可將底部總線偏置為0 V，頂部總線偏置為VREF，并將左側(cè)或右側(cè)總線連接到ADC，這樣，當(dāng)兩個阻性層相接觸時，即可對電壓進(jìn)行測量；該屏最理想的連接方法是將偏置為VREF職的總線接在ADC的正參考輸入端，而將偏置為OV的總線接在ADC的負(fù)參考輸入端。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)
2．1 C8051F021的主要功能特點(diǎn)
    本系統(tǒng)選用性能優(yōu)良且成本較低的SOC單片機(jī)C8051F021作為控制核心。它是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有32個數(shù)字I／O引腳。其主要的內(nèi)部資源有8通道12位ADC，2通道12位DAC，4 KB的RAM，64 KB的FLASH，以及硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus／I2C和兩個UART串行接口，同時帶有時鐘振蕩器，看門狗定時器，VDD監(jiān)視器，溫度傳感器等。其所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由IDE軟件使能／禁止和配置。同時，它還采用了與8051兼容的CIP－51微控制器內(nèi)核，因采用流水線結(jié)構(gòu)，其指令執(zhí)行速度有了很大的提高。此外，C8051F021還配置了標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口，在IDE軟件的支持下，可對安裝在最終產(chǎn)品上的MCU進(jìn)行非侵入式、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該器件的封裝為TQFP－64，可在工業(yè)溫度范圍內(nèi)(－45℃~+85℃)使用2．7~3．6 V的電壓工作。
2．2 ADS7846的主要功能和特點(diǎn)
    ADS7846是BB公司生產(chǎn)的一種四線制觸摸屏控制器?？蓮V泛應(yīng)用在電阻式觸摸屏系統(tǒng)中。ADS7846的核心是一個具有采樣和保持功能的12位逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速率可達(dá)125kHz．且分辨率可編程為8位或12位。該器件不僅具有X、Y坐標(biāo)測量功能，還具有電池電壓、芯片溫度、觸摸壓力和外模擬量4種測量功能，其工作方式可由控制字決定，片內(nèi)的6選1模擬多路開關(guān)可根據(jù)微控制器送來的命令字來選擇6個電壓量之一(X+、Y+、Y-、VBAT、TEMP、AUX-IN)，并將其送入A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，然后再通過SPI接口將轉(zhuǎn)換值送入微控制器。此外，ADS7846還集成有觸摸識別電路，當(dāng)檢測到有觸摸時，該電路會在PENIRQ(筆中斷)引腳輸出一個低電平信號，并以該信號向微控制器提出測量觸點(diǎn)坐標(biāo)的中斷請求。該芯片采用單電源供電，工作電壓為2．2~5．25 V，且內(nèi)部自帶+2．5 V的參考電壓。
2．3 C8051F021和ADS7846的硬件接口
    基于C8051F021單片機(jī)和ADS7846觸摸屏控制器的觸摸屏控制系統(tǒng)的硬件接口電路如圖2所示。

    圖2中。TX+、TX-、TY+、TY-為位置輸入端，分別對應(yīng)四線制電阻式觸摸屏的四線制接口：
    BUSY為忙信號指示，可在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時持續(xù)一個時鐘周期的高電平狀態(tài)，當(dāng)TCS為高時，BUSY為高阻狀態(tài)：
    TCS為片選輸入，只有當(dāng)TCS為低時，串行數(shù)據(jù)才可以從DIN讀入；
    DIN為串行數(shù)據(jù)輸入，在DCLK的上升沿讀入數(shù)據(jù)；
    DOUT為串行數(shù)據(jù)輸出，用于輸出轉(zhuǎn)換后的觸摸點(diǎn)位置數(shù)據(jù)，12位工作方式下，其最大為4095，可在DCLK的下降沿輸出數(shù)據(jù)，當(dāng)TCS為高時，DOUT為高阻狀態(tài)；
    DCLK為外部時鐘輸人引腳，其輸入時鐘信號的頻率決定了電路的轉(zhuǎn)換速度，其推薦占空比為40％～60％；
    PENIRQ為筆中斷引腳。工作時應(yīng)通過10～100 kΩ電阻器上拉，當(dāng)有觸摸事件發(fā)生時，可向微控制器申請中斷服務(wù)；
    VREF為A／D參考電壓輸入；
    TCS、DCLK、 DIN、 BUSY、DOUT、PENIRQ分別接C8051F021的P1．0、P1．1、P1．2、P1．3、P1．4、PO．3。另外，IN3、IN4為兩個附屬A／D輸入通道，本系統(tǒng)沒有用到，使用時可將其接地。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實現(xiàn)
    ADS7846可通過片內(nèi)模擬多路開關(guān)的切換，將X+/Y+端接VCC，將X-/Y-端接地，并將X+/Y+和X-/Y-以差分形式接到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。這樣，當(dāng)點(diǎn)擊觸摸屏的不同位置時，輸入到A／D轉(zhuǎn)換器中的電壓就不相同，然后再經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后，就可得到觸點(diǎn)的輸出值，該輸出值與觸點(diǎn)的位置成近似線性關(guān)系。ADS7846通過一般控制字來設(shè)置工作方式，其控制字如表1所列。

    在表1中，S為數(shù)據(jù)傳輸起始標(biāo)志位，該位必為“1”；A2～A0用于通道選擇；MODE用來選擇A／D轉(zhuǎn)換精度： “1”選擇8位， “0”選擇12位；SER／DFR選擇參考電壓的輸入模式；PD1、PD0選擇省電模式： “00”為省電模式，可在兩次A/D轉(zhuǎn)換之間掉電，且允許中斷，而“01”同“00”相似，但不允許中斷； “10”為保留； “11”為禁止省電模式。
    ADS7846與C8051F021之間通過標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口相連。并由C8051F021啟動3次SPI傳送來完成轉(zhuǎn)換。第1次SPI傳送由C8051F021向ADS7846發(fā)送控制字，含起始位、通道選擇、8／12位模式選擇、差分／單端選擇和掉電模式選擇；后兩次SPI傳送則是C8051F021讀取A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果數(shù)據(jù)，至此便完成了ADS7846和C8051F021之間的一次通信。其數(shù)據(jù)傳送時序如圖3所示。

    本系統(tǒng)中的觸摸屏應(yīng)用流程圖如圖4所示。

    在編程過程中，通常應(yīng)該注意以下問題：
    (1) C8051F021的初始化，一般還會包括顯示模塊的初始化等；
    (2)DS7846的初始化，一般包括寄存器和筆中斷的初始化等；
    (3)防止抖動和連擊，通常需要加入消抖子程序和延時子程序；
    (4)減小測量誤差，往往應(yīng)采用多次測量并加入軟件濾波子程序；
    (5)觸摸屏與液晶屏的坐標(biāo)系不一致，還必須加入坐標(biāo)變換子程序。

4 結(jié)束語
    本文給出了一個基于C8051F021單片機(jī)和ADS7846觸摸屏控制器的觸摸屏控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。討論了在觸摸屏控制系統(tǒng)開發(fā)過程中的若干軟、硬件問題。在工程實際中，本系統(tǒng)經(jīng)過多次測試，效果良好。