基于AT91X40系列的手持式觸摸屏
摘要： 基于當(dāng)前手持式觸摸屏穩(wěn)定性不高，性能不可靠的狀況，采用AT91X40 系列微控制器作為控制芯片，由于該芯片功能強(qiáng)大，集成度高，處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高，所以基于AT91X40 系列的手持式觸摸屏具有體積小巧，功能強(qiáng)大，操作簡便等特點。手持式觸摸屏的顯示和輸入設(shè)備選用了ADS7843 和SED1335 兩種主流觸摸和LCD 顯示芯片。通過現(xiàn)場的實驗驗證，基于AT91X40 系列的手持式觸摸屏穩(wěn)定性高，工作可靠，具有實際應(yīng)用價值。
手持系統(tǒng)是一種當(dāng)前頗為流行的便攜設(shè)備，其具有體積小巧，功能強(qiáng)大，操作簡便等特點。常見的手持系統(tǒng)如PDA掌上電腦就是一種高級的設(shè)備，現(xiàn)在的手持系統(tǒng)已經(jīng)成為眾多大公司追逐的新寵，未來的前景更是被廣泛看好。隨著科技發(fā)展，人們生活水平日益提高，新型的掌上手持系統(tǒng)越來越受到廣大消費者的喜愛。原來的手持設(shè)備多以鍵盤作為輸入設(shè)備，這樣限制了設(shè)備本身的體積大小與便攜性。如今大多手持設(shè)備已經(jīng)采用LCD 液晶屏作為顯示屏，用觸摸屏代替原來的鍵盤， 使在功能不變的情況下操作更簡便?；贏T91X40 系列微控制器的手持系統(tǒng)，突出體現(xiàn)了電子產(chǎn)品的性價比較高的優(yōu)勢。目前，AT91X40 系列微控制器應(yīng)用廣泛，材料易于購買， 與速度較高的其他芯片相比價格也相對低廉，適用于大眾化的中低端產(chǎn)品。手持系統(tǒng)的顯示和輸入設(shè)備，采用了現(xiàn)在流行的觸摸屏。觸摸屏技術(shù)發(fā)展速度快，前景廣闊，目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，具有極大的研究價值。這個系統(tǒng)中，選用了ADS7843 和SED1335 兩種主流觸摸和LCD 顯示芯片。整個硬件的選擇突出了主流性、先進(jìn)性，保證研究成果擁有一定實際價值。
1 系統(tǒng)的核心控制芯片
AT91X40 系列微控制器集成了ARM7TDMI 核、嵌入式ICE 接口、存儲器以及外圍部件。系列結(jié)構(gòu)有兩條主要總線：
先進(jìn)系統(tǒng)總線ASB （Advanced System Bus） 和先進(jìn)外圍總線APB（Advanced Peripheral Bus）。ARM7TDMI 通過ASB 接口實現(xiàn)與片內(nèi)32 位存儲器、外部總線接口EBI 以及AMBA 橋的互連。AMBA 橋用來驅(qū)動APB；APB 用來訪問片內(nèi)外圍，優(yōu)化系統(tǒng)功耗。AT91X40 系列方框圖如圖1 所示。
圖1 AT91X40 系列方框圖
1.1 存儲器
AT91X40 系列微控制器有多達(dá)256 kB 的片內(nèi)SRAM 和128 kB 的片內(nèi)ROM。內(nèi)部存儲器通過32 位數(shù)據(jù)總線與ARM核連接，具有單周期訪問的特性。當(dāng)使用ARM 指令集時可以達(dá)到0.9 MIPS/MHz 的性能，系統(tǒng)功耗最小，性能優(yōu)于使用分開存儲器的方案。該系列產(chǎn)品具有外部總線接口EBI。通過它，ARM 核可以與外部存儲器及專用外設(shè)相連接[2]。EBI 支持8 位和16 位器件， 并可以用兩個8 位器件來仿真一個16 位器件。EBI 還實現(xiàn)了早讀協(xié)議，使用戶可以獲得比標(biāo)準(zhǔn)讀協(xié)議更快的存儲器訪問速度。
1.2 片內(nèi)外圍
AT91X40 系列產(chǎn)品集成有片內(nèi)外圍，分為系統(tǒng)外圍和用戶外圍。ARM 核可以通過AMBA 橋以32 位的總線寬度訪問，用最少的指令編程所有的片內(nèi)外圍。外圍寄存器集包括控制寄存器、模式寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器以及使能/禁止/狀態(tài)寄存器。片內(nèi)外圍數(shù)據(jù)控制器PDC （PeripheralData Controller） 用來在USART 和片內(nèi)/外存儲器之間傳送數(shù)據(jù)而無需處理器的干預(yù)。最重要的是，PDC 省去了處理器中斷處理的開銷，使得系統(tǒng)無需重新編程起始地址就可以連續(xù)傳送多達(dá)64 kB 的數(shù)據(jù)，從而提高了微控制器的性能，降低了功耗。
2 觸摸屏的結(jié)構(gòu)及功能特性
2.1 觸摸屏的結(jié)構(gòu)
典型觸摸屏的工作部分一般由3 部分組成， 如圖2 所示：兩層透明的阻性導(dǎo)體層、兩層導(dǎo)體之間的隔離層、電極。
阻性導(dǎo)體層選用阻性材料，如銦錫氧化物（ITO）涂在襯底上構(gòu)成，上層襯底用塑料，下層襯底用玻璃。隔離層為粘性絕緣液體材料，如聚脂薄膜。電極選用導(dǎo)電性能極好的材料（如銀粉墨）構(gòu)成，其導(dǎo)電性能大約為ITO 的1 000 倍。
圖2 觸摸屏結(jié)構(gòu) 2.2 觸摸控制芯片ADS7843 的功能特性 ADS7843 是4 線電阻觸摸屏轉(zhuǎn)換接口芯片。它是一款具有同步串行接口的12 位取樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在125 kHz 吞吐速率和2.7 V 電壓下的功耗為750 μW，而在關(guān)閉模式下的功耗僅為0.5 μW。因此，ADS7843 以其低功耗和高速率等特性，被廣泛應(yīng)用在采用電池供電的小型手持設(shè)備上。ADS7843 采用SSOP-16 引腳封裝形式，溫度范圍是-40～+85 ℃。ADS7843具有兩個輔助輸入（IN3、IN4），可設(shè)為8 位或12 位模式。其外部連接電路如圖3 所示， 該電路的工作電壓Vcc 在2.7～5.25 V 之間，基準(zhǔn)電壓介于1 V～+Vcc。該電路基準(zhǔn)電壓確定了轉(zhuǎn)換器輸入范圍，輸出數(shù)據(jù)中每個數(shù)字位代表的模擬電壓等于基準(zhǔn)電壓除以4 096。平均基準(zhǔn)輸入電流由ADS7843 轉(zhuǎn)換率來確定。 圖3 ADS7843 外部連接電路 3 液晶顯示芯片SED1335 的結(jié)構(gòu)和特點 液晶顯示器簡稱LCD， 由于液晶顯示器具有低損耗、低價格、壽命長、接口方便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、照相機(jī)、計算機(jī)、智能儀器儀表等產(chǎn)品上。主要有兩種液晶顯示控制器。一種是將控制器集成在CPU 中，制成帶液晶顯示控制器的專用CPU。這種控制器的CPU 功能強(qiáng)大，外電路簡單，一般只適用于小規(guī)模LCD 模塊。另一種是專用控制器芯片。這種芯片具有較強(qiáng)的指令功能，與CPU 接口簡單，便于控制，驅(qū)動能力可達(dá)640 ×256 點陣。本系統(tǒng)液晶顯示控制芯片SED1335 具有功能較強(qiáng)的I/O 緩沖器和豐富的指令系統(tǒng)，可以并行傳送4 位數(shù)據(jù)，最大驅(qū)動能力達(dá)640×256 點陣，而且能夠?qū)崿F(xiàn)圖形和文本格式混合顯示。它的結(jié)構(gòu)包括接口部分、管理控制部分和LCD 顯示驅(qū)動部分。其電路原理如圖4所示。 圖4 電路原理圖 3.1 接口部分 SED1335 接口部分由指令輸入緩沖器、數(shù)據(jù)輸入緩沖器、數(shù)據(jù)輸出緩沖器和標(biāo)志寄存器組成。常用接口引腳功能如表1 所示。這些緩沖器通道的選擇由引腳A0 和讀/寫操作信號聯(lián)合控制。“忙”標(biāo)志寄存器是一位只讀寄存器。僅有一位“忙”標(biāo)志位BF。當(dāng)BF=1 時，表示SED1335 正向液晶顯示模塊傳送有效顯示數(shù)據(jù)。在傳送完一行有效顯示數(shù)據(jù)起到下一行傳送開始之前的間歇內(nèi)BF=0。當(dāng)大屏上大量顯示數(shù)據(jù)修改時，若BF=0，傳送不影響大屏的顯示效果。 表1 SED1335 常用引腳功能
SED1335 接口部分帶有功能較強(qiáng)的I/O 緩沖器， 可隨時準(zhǔn)備接收MPU 的訪問，并按內(nèi)部時序，及時把MPU 發(fā)來的指令和數(shù)據(jù)傳輸就位。SED1335 在接口部分設(shè)置了適配8080系列和M6800 系列MPU 的兩種操作時序電路， 通過設(shè)置引腳電平來選擇操作時序。
3.2 控制部分
SED1335 的控制部分由振蕩器、功能邏輯電路、顯示RAM 管理電路、字符庫管理電路以及產(chǎn)生驅(qū)動時序的時序發(fā)生器等組成。振蕩器的工作頻率范圍為1 ～10 MHz。
SED1335 能在很高的工作頻率下迅速地編譯MPU 發(fā)來的指令代碼。將參數(shù)置入相應(yīng)寄存器內(nèi)，并觸發(fā)相應(yīng)的邏輯功能電路。顯示RAM 管理電路用以管理64 k 顯示RAM 及內(nèi)藏的字符發(fā)生器CGRAM 或EXCGROM。
1）文本顯示特性具有文本顯示特性的顯示RAM 區(qū)用于文本顯示，在該顯示RAM 區(qū)中，每個字節(jié)的數(shù)據(jù)都是字符代碼。SED1335 利用這些字符代碼來確定字符庫中字符的首地址，然后將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳送到液晶顯示模塊上，在液晶屏上以8×8 點陣塊顯示該字符。SED1335 中專門有一組寄存器來管理這兩種特性的顯示區(qū)， 使其既可以單獨顯示一個特性，也可按某種邏輯關(guān)系顯示兩個特性。顯示方式的設(shè)置可以通過軟件指令來完成。
2）圖形顯示特性具有圖形顯示特性的顯示RAM 區(qū)用于圖形顯示。在該顯示RAM 區(qū)中，每一個字節(jié)的數(shù)據(jù)都直接送到液晶顯示模塊上，每一位的電平?jīng)Q定上一個點的顯示狀態(tài)。“1”為顯示，“0”為不顯示。所以，圖形顯示RAM 的一個字節(jié)對應(yīng)顯示屏上的8×1 點陣。SED1335 中專門有一組寄存器來管理這兩種特性的顯示區(qū)， 使其既可以單獨顯示一個特性，也可按某種邏輯關(guān)系顯示兩個特性。顯示方式的設(shè)置可以通過軟件指令來完成。
3）字符發(fā)生器CGROM SED1335 管理內(nèi)藏字符發(fā)生器CGROM， 在字符發(fā)生器內(nèi)固化了160 種5×7 點陣字符的字模。SED1335 還有外擴(kuò)字符發(fā)生器，需要外擴(kuò)字符發(fā)生器時，既可以用RAM 區(qū)開辟的CGRAM，也可以用EPROM 固化字庫來實現(xiàn)。由SED1335 僅能處理8 位的字符代碼，所以一次最多只能顯示及建立156 種字符。在SED1335 的字符表中給出了內(nèi)部字符發(fā)生器的全部內(nèi)容。同時也給出了外擴(kuò)字符發(fā)生器的字符代碼范圍：80H-9FH 和E0H-FFH 共64 種。
4 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)要點及程序流程
在調(diào)試核心控制芯片AT91X40 系列微控制器時， 根據(jù)觸摸屏的參數(shù)要求，要設(shè)置了一些基本參數(shù)。例如：系統(tǒng)時鐘、中斷類型、I/O 口選用方式。因為沒有大功率的外部設(shè)備需要驅(qū)動，把各個管腳統(tǒng)一設(shè)置為漏極模式。因為只用到了0中斷這個特殊功能，所以把其他功能關(guān)閉。SED1335 的設(shè)置很繁瑣，關(guān)鍵之處在于初始化的設(shè)置，把握住幾個關(guān)鍵性參數(shù)的設(shè)置即可，比如：屏幕顯示大小、顯示頻率、開關(guān)屏指令。
觸摸功能的實現(xiàn)在于坐標(biāo)采集的正確，以及中斷服務(wù)程序的編寫。如果單純考慮控制芯片對中斷的響應(yīng)，而加大延遲，勢必造成程序運行不流暢甚至死機(jī)的后果?？墒遣患哟笱舆t，就要通過長時間的觸摸一點來達(dá)到系統(tǒng)對中斷的充分響應(yīng)，這樣一來會使觸摸按鍵顯得過于遲鈍。在觸摸點坐標(biāo)采集的問題上，現(xiàn)在有幾種理論思想。第一種，多次測量觸摸點坐標(biāo)取平均值，這樣采集到的坐標(biāo)點很精確，但是耗時較多；第二種，通過查表的方式來確定坐標(biāo)點。其原理大概是，事先編好一個坐標(biāo)的數(shù)據(jù)表，當(dāng)觸摸點在一個區(qū)域內(nèi)時，根據(jù)查表的結(jié)果判定觸摸的位置。這種方法適用于觸摸固定位置的屏，因為要事先編數(shù)據(jù)表，所以靈活性稍差。這里采用了第二種方法，但是根據(jù)實際情況適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行了簡化。具體的程序流程圖如圖5 所示。主要包括：AT91X40 系列控制芯片的初始化設(shè)置，ADS7843 的初始化設(shè)置，SED1335 的初始化設(shè)置，圖形顯示，清屏功能。
圖5 程序流程圖
5 結(jié)束語
基于AT91X40 系列的手持式觸摸屏，具有體積小巧，功能強(qiáng)大，操作簡便等特點。手持式觸摸屏的顯示和輸入設(shè)備，采用了現(xiàn)在流行的觸摸屏。觸摸屏技術(shù)發(fā)展速度快，前景廣闊，目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，具有極大的研究價值。這個系統(tǒng)中，選用了ADS7843 和SED1335 兩種主流觸摸和LCD 顯示芯片。整個硬件的選擇突出了主流性、先進(jìn)性，保證研究成果擁有一定實際價值。
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