基于LPC2210的觸摸屏觸摸點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：提出了基于ARM7系列LPC2210微控制器和嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS—II來(lái)實(shí)現(xiàn)觸摸屏觸摸點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并完成了微控制器與上位機(jī)之間的物理層電路轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了基于LIN總線的數(shù)據(jù)通信，能夠在上位機(jī)得到觸摸點(diǎn)的精確坐標(biāo)以及控制菜單信息，并且準(zhǔn)確可靠、傳輸速率高。
關(guān)鍵詞：LPC2210；μC／OS-Ⅱ；觸摸屏；LIN總線

引言
    嵌入式系統(tǒng)實(shí)際上是“嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”的簡(jiǎn)稱(chēng)，是相對(duì)于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言的，根據(jù)應(yīng)用的要求，將操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中，以應(yīng)用為中心，計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)軟件與硬件的一體化。其適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積和功耗等有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
    觸摸屏又稱(chēng)為“觸控屏”、“觸控面板”，是一種附加在顯示器表面的透明介質(zhì)。觸摸屏作為一種新的輸入設(shè)備，是目前最簡(jiǎn)單、方便、自然的一種人機(jī)交互方式。通過(guò)使用者的手指觸摸，該介質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)的操作定位，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算機(jī)的輸入方式，實(shí)現(xiàn)零距離操作。而在觸摸屏的使用中，對(duì)觸摸點(diǎn)的精確定位至關(guān)重要，本文提出了一種觸摸屏的坐標(biāo)算法，該算法具有良好的可移植性和擴(kuò)展性。

1 研究背景
    觸摸技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在歐美和日本已經(jīng)有近20年的發(fā)展歷史。而在技術(shù)發(fā)展上，歐美的觸摸屏以電容式、表面聲波式及5線電阻式為發(fā)展方向，產(chǎn)品以大尺寸居多。日本觸摸技術(shù)以4線電阻式為主要發(fā)展方向，產(chǎn)品以中小尺寸為主，而中國(guó)臺(tái)灣也以4線電阻式居多。
    目前，觸摸技術(shù)大量應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，結(jié)合了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)以及電子技術(shù)，形成嵌入式高端產(chǎn)品。其以體積小、功耗低、處理能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在通信、網(wǎng)絡(luò)、工控、醫(yī)療、電子等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。嵌入式系統(tǒng)經(jīng)歷了20多年的發(fā)展，已經(jīng)從普通的低端應(yīng)用進(jìn)入到一個(gè)高、低端并行發(fā)展，且不斷提升低端應(yīng)用的時(shí)代，觸摸技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)既有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景，又有很重要的實(shí)際意義。

2 設(shè)計(jì)方法
2．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)采用Philipa公司的LPC2210作為CPU，由于其片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器，所以需要外擴(kuò)Flash，還可以擴(kuò)展靜態(tài)RAM。LPC2210最小系統(tǒng)需要2組電源、復(fù)位電路、晶振電路和程序存儲(chǔ)器等，觸摸屏接口芯片采用ADS7843作為設(shè)備控制器，整個(gè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)觸摸屏觸摸點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2．1．1 LPC2210芯片簡(jiǎn)介
    LPC2210是基于支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的16／32位ARM7核的微控制器，對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式，可將代碼規(guī)模降低超過(guò)30％，而性能的損失卻很小。
    LPC2210采用144引腳封裝，通過(guò)配置總線，最多可提供76個(gè)GPIO。其擁有極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC、PWM輸出，以及多達(dá)9個(gè)外部中斷。它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問(wèn)控制和POS機(jī)等，又由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，非常適合于通信網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟Modem以及其他各種類(lèi)型的應(yīng)用。
2．1．2 ADS7843芯片簡(jiǎn)介
    ADS7843是一種專(zhuān)門(mén)對(duì)觸摸屏輸入設(shè)備進(jìn)行控制的芯片，其主要完成兩件事：一是完成電極電壓的切換，二是采集接觸點(diǎn)處的電壓值。
ADS7843是一款連續(xù)近似記錄(SAR)的A／D轉(zhuǎn)換器，具有同步串行接口，內(nèi)置12位模／數(shù)轉(zhuǎn)換、低導(dǎo)通電阻模擬開(kāi)關(guān)，根據(jù)微控制器發(fā)來(lái)的不同測(cè)量命令使相應(yīng)的模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，向觸摸屏電極對(duì)提供電壓，并把觸摸點(diǎn)位置的電壓引入A／D轉(zhuǎn)換器，以其低功耗和高速率等特性被廣泛應(yīng)用。
2．2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    觸摸屏的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分組成：觸摸屏的控制和數(shù)據(jù)的傳輸。
    觸摸屏的控制是通過(guò)微控制器進(jìn)行異步數(shù)據(jù)傳送，向ADS7843發(fā)送控制字來(lái)讀取ADS7843的A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，微控制器完成一次觸摸屏數(shù)據(jù)采集，兩者之間需要進(jìn)行3次通信。微控制器讀取到A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)。為了得到坐標(biāo)值，可以通過(guò)串
口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)串口進(jìn)行傳輸?shù)姆椒ê芏啵瑥某杀镜慕嵌瓤紤]，選擇LIN總線來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、且容易實(shí)現(xiàn)。硬件電路如圖2所示。

2．3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件平臺(tái)核心為μC／OS—II，它是一個(gè)源碼公開(kāi)、可移植、可固化、可裁剪的占先式多任務(wù)管理的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。它已在相當(dāng)多的系統(tǒng)中得到應(yīng)用，是一個(gè)經(jīng)實(shí)踐證明穩(wěn)定可靠的內(nèi)核，且其核心代碼短小精悍、簡(jiǎn)單易學(xué)。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)之前，必須要先完成μC／OS—II的移植，與移植有關(guān)的代碼包括一個(gè)匯編文件OS_CPU_A．ASM、一個(gè)C程序文件OS_CPU_C．C和一個(gè)頭文件OS_CPU．H，根據(jù)處理器的不同，移植所要編寫(xiě)和修改的代碼數(shù)不同，代碼移植好以后，應(yīng)編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序?qū)ζ溥M(jìn)行測(cè)試。
2．3．1 觸摸屏ADS7843軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)上電以后，觸摸屏上會(huì)顯示相應(yīng)的控制菜單，而每個(gè)控制菜單都具有相應(yīng)的執(zhí)行程序。設(shè)置觸摸屏接口為等待中斷模式，等待觸摸屏被按下。如果中斷發(fā)生，微控制器發(fā)送信號(hào)控制ADS7843操作，通過(guò)觸摸屏X+極將觸摸信號(hào)輸入到A／D轉(zhuǎn)換器，同時(shí)打開(kāi)Y+和Y一驅(qū)動(dòng)。ADS 7843轉(zhuǎn)換結(jié)果為二進(jìn)制格式，如果選取8位的轉(zhuǎn)換精度，1LSB=VREF／256；如果選取12位的轉(zhuǎn)換精度，1LSB=VREF／4 096，將轉(zhuǎn)換結(jié)果與1LSB相乘就可以得到觸摸點(diǎn)的電壓VOY。
    由于觸摸屏導(dǎo)電層分布均勻，則有VOY／Y—VCC／H，其中，VOY是從X+極采集到的電壓值，VCC為ADS7843的電源電壓，H為觸摸屏導(dǎo)電介質(zhì)的高度，從而得到當(dāng)前Y方向的坐標(biāo)，同理也可以得到X方向的坐標(biāo)，ADS7843坐標(biāo)值測(cè)量流程如圖3所示。

2．3．2 觸摸屏坐標(biāo)算法
    微控制器得到觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)以后，要作相應(yīng)的處理。而在動(dòng)作之前，微控制器還必須要知道觸摸屏中哪個(gè)控制菜單被按下，這樣才能去執(zhí)行相應(yīng)菜單的程序。設(shè)控制菜單的右下角坐標(biāo)為Xa、Ya，左上角坐標(biāo)為Xb、Yb，只需要觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)X在Xa和Xb之間，Y在Ya和Yb之間，則認(rèn)為是該控制菜單被按下。在程序中定義一個(gè)數(shù)組S[]，數(shù)組中每連續(xù)的5個(gè)值描述一個(gè)菜單信息，前兩個(gè)代表控制菜單右下角坐標(biāo)，第3、4個(gè)代表控制菜單左上角坐標(biāo)，第5個(gè)代表控制菜單，觸摸屏坐標(biāo)算法流程圖如圖4所示。

結(jié)語(yǔ)
    觸摸屏是集信息顯示、通信、處理和控制于一體的輸入設(shè)備，它大量應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，系統(tǒng)采用Philips公司的LPC2210微控制器作為主控芯片，其內(nèi)部資源豐富，可以對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行擴(kuò)充。在對(duì)觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，刷新頻率高，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和不丟失，并實(shí)現(xiàn)了微控制器與上位機(jī)之間通過(guò)半雙工的方式進(jìn)行通信，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳輸可靠，大大降低了成本。整個(gè)系統(tǒng)可移植性強(qiáng)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。