基于LPC2210的觸摸屏觸摸點數據采集系統(tǒng)設計

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來實現觸摸屏觸摸點數據采集系統(tǒng)的設計，并完成了微控制器與上位機之間的物理層電路轉換，實現了基于LIN總線的數據通信，能夠在上位機得到觸摸點的精確坐標以及控制菜單信息，并且準確可靠、傳輸速率高。
關鍵詞：LPC2210；μC／OS-Ⅱ；觸摸屏；LIN總線

引言
    嵌入式系統(tǒng)實際上是“嵌入式計算機系統(tǒng)”的簡稱，是相對于通用計算機系統(tǒng)而言的，根據應用的要求，將操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計算機硬件系統(tǒng)中，以應用為中心，計算機技術為基礎，實現軟件與硬件的一體化。其適用于對功能、可靠性、成本、體積和功耗等有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。
    觸摸屏又稱為“觸控屏”、“觸控面板”，是一種附加在顯示器表面的透明介質。觸摸屏作為一種新的輸入設備，是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。通過使用者的手指觸摸，該介質實現對計算機的操作定位，大大簡化了計算機的輸入方式，實現零距離操作。而在觸摸屏的使用中，對觸摸點的精確定位至關重要，本文提出了一種觸摸屏的坐標算法，該算法具有良好的可移植性和擴展性。

1 研究背景
    觸摸技術已經非常成熟，在歐美和日本已經有近20年的發(fā)展歷史。而在技術發(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，產品以大尺寸居多。日本觸摸技術以4線電阻式為主要發(fā)展方向，產品以中小尺寸為主，而中國臺灣也以4線電阻式居多。
    目前，觸摸技術大量應用于嵌入式系統(tǒng)中，結合了先進的計算機技術、半導體技術以及電子技術，形成嵌入式高端產品。其以體積小、功耗低、處理能力強等諸多優(yōu)點，在通信、網絡、工控、醫(yī)療、電子等領域發(fā)揮著越來越重要的作用。嵌入式系統(tǒng)經歷了20多年的發(fā)展，已經從普通的低端應用進入到一個高、低端并行發(fā)展，且不斷提升低端應用的時代，觸摸技術在嵌入式系統(tǒng)既有很強的應用價值和市場前景，又有很重要的實際意義。

2 設計方法
2．1 系統(tǒng)總體設計
    系統(tǒng)采用Philipa公司的LPC2210作為CPU，由于其片內無程序存儲器，所以需要外擴Flash，還可以擴展靜態(tài)RAM。LPC2210最小系統(tǒng)需要2組電源、復位電路、晶振電路和程序存儲器等，觸摸屏接口芯片采用ADS7843作為設備控制器，整個系統(tǒng)可實現對觸摸屏觸摸點的數據采集，系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

2．1．1 LPC2210芯片簡介
    LPC2210是基于支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16／32位ARM7核的微控制器，對代碼規(guī)模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式，可將代碼規(guī)模降低超過30％，而性能的損失卻很小。
    LPC2210采用144引腳封裝，通過配置總線，最多可提供76個GPIO。其擁有極低的功耗、多個32位定時器、8路10位ADC、PWM輸出，以及多達9個外部中斷。它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和POS機等，又由于內置了寬范圍的串行通信接口，非常適合于通信網關協(xié)議轉換器、嵌入式軟Modem以及其他各種類型的應用。
2．1．2 ADS7843芯片簡介
    ADS7843是一種專門對觸摸屏輸入設備進行控制的芯片，其主要完成兩件事：一是完成電極電壓的切換，二是采集接觸點處的電壓值。
ADS7843是一款連續(xù)近似記錄(SAR)的A／D轉換器，具有同步串行接口，內置12位模／數轉換、低導通電阻模擬開關，根據微控制器發(fā)來的不同測量命令使相應的模擬開關導通，向觸摸屏電極對提供電壓，并把觸摸點位置的電壓引入A／D轉換器，以其低功耗和高速率等特性被廣泛應用。
2．2 系統(tǒng)硬件設計
    觸摸屏的數據采集系統(tǒng)主要由兩個部分組成：觸摸屏的控制和數據的傳輸。
    觸摸屏的控制是通過微控制器進行異步數據傳送，向ADS7843發(fā)送控制字來讀取ADS7843的A／D轉換結果，微控制器完成一次觸摸屏數據采集，兩者之間需要進行3次通信。微控制器讀取到A／D轉換結果后，對數據進行處理，得到觸摸點的坐標。為了得到坐標值，可以通過串
口傳輸到上位機進行顯示。數據經過串口進行傳輸的方法很多，從成本的角度考慮，選擇LIN總線來進行數據的傳輸，結構簡單、且容易實現。硬件電路如圖2所示。

2．3 系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)的軟件平臺核心為μC／OS—II，它是一個源碼公開、可移植、可固化、可裁剪的占先式多任務管理的實時操作系統(tǒng)內核。它已在相當多的系統(tǒng)中得到應用，是一個經實踐證明穩(wěn)定可靠的內核，且其核心代碼短小精悍、簡單易學。在對系統(tǒng)進行軟件設計之前，必須要先完成μC／OS—II的移植，與移植有關的代碼包括一個匯編文件OS_CPU_A．ASM、一個C程序文件OS_CPU_C．C和一個頭文件OS_CPU．H，根據處理器的不同，移植所要編寫和修改的代碼數不同，代碼移植好以后，應編寫一個簡單的應用程序對其進行測試。
2．3．1 觸摸屏ADS7843軟件設計
    系統(tǒng)上電以后，觸摸屏上會顯示相應的控制菜單，而每個控制菜單都具有相應的執(zhí)行程序。設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)送信號控制ADS7843操作，通過觸摸屏X+極將觸摸信號輸入到A／D轉換器，同時打開Y+和Y一驅動。ADS 7843轉換結果為二進制格式，如果選取8位的轉換精度，1LSB=VREF／256；如果選取12位的轉換精度，1LSB=VREF／4 096，將轉換結果與1LSB相乘就可以得到觸摸點的電壓VOY。
    由于觸摸屏導電層分布均勻，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為觸摸屏導電介質的高度，從而得到當前Y方向的坐標，同理也可以得到X方向的坐標，ADS7843坐標值測量流程如圖3所示。

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

結語
    觸摸屏是集信息顯示、通信、處理和控制于一體的輸入設備，它大量應用于各個領域，系統(tǒng)采用Philips公司的LPC2210微控制器作為主控芯片，其內部資源豐富，可以對系統(tǒng)功能進行擴充。在對觸摸屏進行數據采集時，刷新頻率高，保證了數據的準確和不丟失，并實現了微控制器與上位機之間通過半雙工的方式進行通信，結構簡單、傳輸可靠，大大降低了成本。整個系統(tǒng)可移植性強，具有一定的實用價值。