四線電阻觸摸屏工作原理及控制芯片簡(jiǎn)介
本文簡(jiǎn)要介紹觸摸屏的結(jié)構(gòu)及工作原理，并以Burr-Brown公司的觸摸屏控制芯片ADS7843為例，介紹觸摸屏應(yīng)用的典型電路和操作。由于ADS7843內(nèi)置12位A/D，理論上觸摸屏的輸入坐標(biāo)識(shí)別精度為有效長(zhǎng)寬的1/4096。
1 觸摸屏的基本原理
典型觸摸屏的工作部分一般由三部分組成，如圖1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1000倍。
觸摸屏工作時(shí)，上下導(dǎo)體層相當(dāng)于電阻網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。
當(dāng)某一層電極加上電壓時(shí)，會(huì)在該網(wǎng)絡(luò)上形成電壓梯度。如有外力使得上下兩層在某一點(diǎn)接觸，則在電極未加電壓的另一層可以測(cè)得接觸點(diǎn)處的電壓，從而知道接觸點(diǎn)處的坐標(biāo)。比如，在頂層的電極(X+,X－)上加上電壓，則在頂層導(dǎo)體層上形成電壓梯度，當(dāng)有外力使得上下兩層在某一點(diǎn)接觸，在底層就可以測(cè)得接觸點(diǎn)處的電壓，再根據(jù)該電壓與電極(X+)之間的距離關(guān)系，知道該處的X坐標(biāo)。然后，將電壓切換到底層電極（Y+,Y－）上，并在頂層測(cè)量接觸點(diǎn)處的電壓，從而知道Y坐標(biāo)。
72 觸摸屏的控制實(shí)現(xiàn)
現(xiàn)在很多PDA應(yīng)用中，將觸摸屏作為一個(gè)輸入設(shè)備，對(duì)觸摸屏的控制也有專(zhuān)門(mén)的芯片。很顯然，觸摸屏的控制芯片要完成兩件事情：其一，是完成電極電壓的切換；其二，是采集接觸點(diǎn)處的電壓值（即A/D）。本文以BB(Burr-Brown)公司生產(chǎn)的芯片ADS7843為例，介紹觸摸屏控制的實(shí)現(xiàn)。
2.1 ADS7843的基本特性與典型應(yīng)用
ADS7843是一個(gè)內(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換、低導(dǎo)通電阻模擬開(kāi)關(guān)的串行接口芯片。供電電壓2.7~5 V，參考電壓VREF為1 V~+VCC，轉(zhuǎn)換電壓的輸入范圍為0~ VREF，最高轉(zhuǎn)換速率為125 kHz。ADS7843的引腳配置如圖3所示。
表1為引腳功能說(shuō)明，圖4為典型應(yīng)用。
72.2 ADS7843的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及參考電壓模式選擇
ADS7843之所以能實(shí)現(xiàn)對(duì)觸摸屏的控制，是因?yàn)槠鋬?nèi)部結(jié)構(gòu)很容易實(shí)現(xiàn)電極電壓的切換，并能進(jìn)行快速A/D轉(zhuǎn)換。
圖5所示為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，A2~A0和SER/為控制寄存器中的控制位，用來(lái)進(jìn)行開(kāi)關(guān)切換和參考電壓的選擇。
ADS7843支持兩種參考電壓輸入模式：一種是參考電壓固定為VREF，另一種采取差動(dòng)模式，參考電壓來(lái)自驅(qū)動(dòng)電極。這兩種模式分別如圖6(a)、(b)所示。
采用圖6(b)的差動(dòng)模式可以消除開(kāi)關(guān)導(dǎo)通壓降帶來(lái)的影響。表2和表3為兩種參考電壓輸入模式所對(duì)應(yīng)的內(nèi)部開(kāi)關(guān)狀況。
72.3 ADS7843的控制字及數(shù)據(jù)傳輸格式
ADS7843的控制字如表4所列，其中S為數(shù)據(jù)傳輸起始標(biāo)志位，該位必為"1"。A2~A0進(jìn)行信道選擇（見(jiàn)表2和3）。MODE用來(lái)選擇A/D轉(zhuǎn)換的精度，"1"選擇8位，"0"選擇12位。SER/選擇參考電壓的輸入模式（見(jiàn)表2和3）。PD1、PD0選擇省電模式："00"省電模式允許，在兩次A/D轉(zhuǎn)換之間掉電，且中斷允許；"01"同"00"，只是不允許中斷；"10"保留；"11"禁止省電模式。
為了完成一次電極電壓切換和A/D轉(zhuǎn)換，需要先通過(guò)串口往ADS7843發(fā)送控制字，轉(zhuǎn)換完成后再通過(guò)串口讀出電壓轉(zhuǎn)換值。標(biāo)準(zhǔn)的一次轉(zhuǎn)換需要24個(gè)時(shí)鐘周期，如圖7所示。
由于串口支持雙向同時(shí)進(jìn)行傳送，并且在一次讀數(shù)與下一次發(fā)控制字之間可以重疊，所以轉(zhuǎn)換速率可以提高到每次16個(gè)時(shí)鐘周期，如圖8所示。
如果條件允許，CPU可以產(chǎn)生15個(gè)CLK的話（比如FPGAs和ASICs）,轉(zhuǎn)換速率還可以提高到每次15個(gè)時(shí)鐘周期，如圖9所示。
72.4 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序的程序設(shè)計(jì)
ADS7843的典型應(yīng)用如圖4所示。假設(shè)μP接口與51單片機(jī)的P1.3~P1.7相連，現(xiàn)以一次轉(zhuǎn)換需24個(gè)時(shí)鐘周期為例，介紹A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序的程序設(shè)計(jì)。
; A/D 接口控制線
DCLKBITP1.3
CSBITP1.4
DINBITP1.5
BUSYBITP1.6
DOUTBITP1.7[!--empirenews.page--]
; A/D 信道選擇命令字和工作寄存器
CHXEQU094H;信道X+的選擇控制字
CHYEQU0D4H;信道Y+的選擇控制字
CH3EQU0A4H
CH4EQU0E4H
AD_CHEQU35H;信道選擇寄存器
AD_DATAHEQU36H;存放12 bit A/D值
AD_DATALEQU37H
; 存放信道CHX+的A/D值
CHX_AdHEQU38H
CHX_AdLEQU39H
; 存放信道CHY+的A/D值
CHY_AdHEQU3AH
CHY_AdLEQU3BH
;===============================
; 采集信道CHX+的程序段(CHXAD)
CHXAD:
MOVAD_CH,#CHX
LCALLAD_RUN
MOVCHX_AdH,AD_DATAH
MOVCHX_AdL,AD_DATAL
RET
; 采集信道CHY+的程序段(CHYAD)
CHYAD:
MOVAD_CH,#CHY
LCALLAD_RUN
MOVCHY_AdH,AD_DATAH
MOVCHY_AdL,AD_DATAL
RET
;=====================================
; A/D轉(zhuǎn)換子程序(AD_RUN)
7; 輸入: AD_CH-模式和信道選擇命令字
; 輸出: AD_RESULTH,L ;12 bit的A/D轉(zhuǎn)換值
; 使用: R2 ;輔助工作寄存器
AD_RUN:
CLRCS; 芯片允許
CLRDCLK
MOVR2,#8;先寫(xiě)8 bit命令字
MOVA,AD_CH
AD_LOOP:
MOVC, ACC.7
MOVDIN,C;時(shí)鐘上升沿鎖存DIN
SETBDCLK;開(kāi)始發(fā)送命令字
CLRDCLK;時(shí)鐘脈沖，一共24個(gè)
RL A
DJNZR2,AD_LOOP
NOP
NOP
NOP
NOP
ADW0:
JNBBUSY,AD_WAIT;等待轉(zhuǎn)換完成
SJMPADW1
AD_WAIT:
LCALLWATCHDOG
NOP
SJMPADW0
CLRDIN
ADW1:
MOVR2,#12;開(kāi)始讀取12bit結(jié)果
SETBDCLK
CLRDCLK
AD_READ:
SETBDCLK
CLRDCLK;用時(shí)鐘的下降沿讀取
MOVA,AD_DATAL
MOVC,DOUT
RLCA
MOVAD_DATAL,A
MOVA,AD_DATAH
RLCA
MOVAD_DATAH,A
DJNZR2,AD_READ
MOVR2,#4;最后是沒(méi)用的4個(gè)時(shí)鐘
IGNORE:
SETBDCLK
CLRDCLK
DJNZR2,IGNORE
SETBCS;禁止芯片
ANLAD_DATAH,#0FH;屏蔽高4 bit
RET
72.5 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的資料格式
ADS7843轉(zhuǎn)換結(jié)果為二進(jìn)制格式。需要說(shuō)明的是，在進(jìn)行公式計(jì)算時(shí)，參考電壓在兩種輸入模式中是不一樣的。而且，如果選取8位的轉(zhuǎn)換精度，1LSB=VREF/256，一次轉(zhuǎn)換完成時(shí)間可以提前4個(gè)時(shí)鐘周期，此時(shí)串口時(shí)鐘速率也可以提高一倍。
結(jié)束語(yǔ)
在許多嵌入式系統(tǒng)中，CPU提供專(zhuān)門(mén)的模塊來(lái)支持液晶顯示和觸摸屏的輸入，使得接口非常簡(jiǎn)單。比如，MOTOROLA的MC68VZ328(稱(chēng)為Dragon Ball)就提供專(zhuān)門(mén)的引腳來(lái)支持8位和4位的液晶顯示，對(duì)觸摸屏的支持通過(guò)SPI2借助ADS7843也很容易完成。
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