采用I²C總線連接設(shè)計的觸摸屏控制器

集成到LCD(通常為TFT)或作為PCB的一部分的觸摸屏已成為現(xiàn)代手持設(shè)備的事實上的用戶界面。這些透明或不透明的表面主要基于電阻和電容技術(shù)，取代機械開關(guān)，薄膜開關(guān)，圓頂開關(guān)和按鈕，為嵌入式微型設(shè)備提供用戶界面信息，遠遠超出按鈕按壓。

專用觸摸屏接口芯片的出現(xiàn)有助于減輕主機處理器的負擔并提供額外的功能。雖然它們可能會增加成本并需要更多的PCB空間，但它們使工程師能夠更快地將設(shè)計推向市場，并采用經(jīng)過高度測試和可靠的觸摸技術(shù)。本文討論I²C連接的觸摸屏控制器。

超越連接性

用戶界面遠遠超出了交換機和聯(lián)系人關(guān)閉。例如，用于擴展視圖，收縮視圖或滾動的手勢可以通過任何單個離散按鈕或開關(guān)實現(xiàn)更多功能。圓周運動也取代了早期iPod流行的機械JOG環(huán)。使用模擬微調(diào)電阻器的滑塊也正在被觸敏技術(shù)取代。

所有這些功能和靈活性意味著需要更多的處理能力來檢測，解碼，去抖，并將用戶意圖傳遞給主機處理器。這意味著需要更高性能(和更昂貴)的處理器或?qū)Ｓ每刂破鳌?/p>

兩者都是有效的方法?，F(xiàn)代微控制器和微處理器通常具有很大的功率，并具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，以及可以實現(xiàn)基本觸摸屏界面的運算放大器和比較器。但是，這種方法需要將實時和時間敏感的檢測和響應編碼到主處理器的負載時間表中。因此，這意味著更多的片上代碼閃存，以及暫存器和緩沖RAM，這反過來可能意味著更大的更昂貴的微處理器。

尺寸通常是任何手持或便攜式設(shè)備的驅(qū)動約束，因此如果需要大量I/O來實現(xiàn)觸摸界面，則不合需要。根據(jù)經(jīng)驗，執(zhí)行功能所需的微引腳數(shù)量越少，設(shè)計策略就越好。因此，串行接口用于將復雜功能連接到常駐微型計算機，而無需燒錄寶貴的I/O引腳。

I²C是一種簡單而有效的雙線雙向通信技術(shù)，它允許外圍芯片執(zhí)行復雜功能，同時僅使用主處理器的兩條I/O線。這是一個如此簡單的協(xié)議，如果微處理器沒有內(nèi)置專用的I²C硬件，它可以很容易地進行位操作。

正如您所料，這種普遍接受的標準用于允許專用觸摸屏控制器接口芯片連接到具有最少數(shù)量I/O引腳的主機微控制器。此外，正如您所料，許多觸摸屏控制器芯片都是專用處理器和片上系統(tǒng)(SoC)。這意味著雖然它們可以針對觸摸界面進行優(yōu)化，但是它們還可以執(zhí)行其他系統(tǒng)功能，進一步減輕主處理器的負擔。

以賽普拉斯CY8CTST200A-48LTXI基于PSoC的專用微控制器為例，這是一款8位，4 MIPS哈佛架構(gòu)，基于M8C的微控制器，可編程用作專用觸摸接口控制器(圖1)。電容式感應IC采用公司的True Touch技術(shù)，包含參考驅(qū)動器，多路復用器，比較器，定時器以及實現(xiàn)各種觸摸感應算法所需的邏輯，如正電荷積分，負電荷積分，逐次逼近，sigma delta電容式傳感和張弛振蕩器頻率變化。

圖1：賽普拉斯True Touch控制器中的嵌入式處理器可以運行各種觸摸傳感算法并通過I²C與主處理器通信時執(zhí)行其他外圍功能。

除I²C外，賽普拉斯的器件還具有USB，SPI和UART接口。憑借32 Kb的片上閃存和僅2 Kb的SRAM，核心處理器可根據(jù)您的特定觸摸需求進行定制，作為專用觸摸控制器。它很可能沒有完全運行你的設(shè)計的馬力，但它并不打算。它更像是一個可編程外圍芯片，其核心是micro。

Atmel是Qtouch技術(shù)領(lǐng)域的另一個參與者。例如，Atmel AT42QT1060-MMUQS397適用于手機和智能手機，將觸摸控制與基于PWM的LED驅(qū)動器相結(jié)合，將兩個所需功能集成在一個封裝中(圖2)。

圖2：除了監(jiān)控觸摸板外，Atmel Q-Touch還具有可調(diào)光LED驅(qū)動器。所有觸摸事件和調(diào)光控制均超過I²C。

Qtouch技術(shù)基于數(shù)字突發(fā)模式電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)，可檢測按鈕中的電容變化。擴頻頻率的調(diào)制突發(fā)用于抑制RF發(fā)射并減少環(huán)境噪聲的影響。這也有助于減少對手機中使用的敏感RF級的干擾。 Digi-Key的網(wǎng)站上提供了培訓模塊，詳細介紹了Atmel Qtouch技術(shù)。

滑塊

有趣的部分來自IDT，它的LDS6000NQGI8設(shè)計用于支持多達15個滑塊和觸摸環(huán)傳感器。 IDT稱其觸摸技術(shù)為PureTouch，基于電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，考慮使用內(nèi)部500 KHz sigma delta開關(guān)矩陣(圖3)。

圖3：內(nèi)置于IDT Pure Touch控制器的sigma delta開關(guān)矩陣針對多個滑塊和微動環(huán)設(shè)計以及離散觸摸區(qū)。

LDS6000N的一個很好的特性是它 - 芯片校準邏輯，持續(xù)監(jiān)控環(huán)境以調(diào)整開關(guān)閾值，使輸入更能抵抗噪聲。除I²C外，LDS6000還有一個SPI端口，可以指定并用作外部輸入狀態(tài)選擇的串行通信鏈路。

如果需要更高分辨率和更多傳感器輸入，您可能需要查看STMicroelectronics的STMPE24M31QTR。該部件基于該公司的S-Touch技術(shù)，最多支持24個傳感器輸入，滑塊/滾輪分辨率為256級。它還具有8個PWM，可控制多達16個LED，具有亮度控制和閃爍功能。

I²C接口具有完整的400 Kbit/s數(shù)據(jù)速率，所有輸入引腳均受到8 kV的ESD保護。該部件還具有16個通用I/O，主要針對移動電話，便攜式媒體播放器，筆記本電腦和游戲機，但可用于任何電容式觸摸系統(tǒng)。

ST提供STEVAL-ICB003V1評估套件，其中包含8個觸摸按鍵，旋轉(zhuǎn)編碼器接口和4至7段LED顯示屏(圖4)。該公司還在線提供了一個培訓模塊，詳細介紹了其電容式觸摸傳感解決方案。

圖4：意法半導體的開發(fā)和評估板旨在展示前面板解決方案，包括該公司的Pure Touch技術(shù)。數(shù)據(jù)表中的參考設(shè)計演示了各種傳感器，包括滑塊，旋轉(zhuǎn)編碼器和液位傳感器。

飛思卡爾半導體還有一個有趣的I²C觸摸感應控制器。 MPR121QR2是該公司的第二代觸摸屏控制器，最多可支持12個觸摸板。

這一部分的一個很好的功能是內(nèi)部濾波和去抖電路以及模擬電極，其中所有12個電荷一起充電，以允許更大的近距離檢測距離和增加的感應區(qū)域。

在操作中，一旦獲得電極電容數(shù)據(jù)，就確定電極觸摸/釋放狀態(tài)，將其與電容基線值進行比較。電容基線由MPR121QR2跟蹤，自動根據(jù)背景電容變化。

將基線值與當前的即時電極數(shù)據(jù)進行比較，以確定是否發(fā)生了觸摸或釋放。設(shè)計師可以設(shè)置觸摸/釋放閾值，以及觸摸/釋放去抖時間。這是為了消除由于噪聲引起的抖動和誤觸摸。該器件還具有硬件可配置的I²C地址，因此您可以對共享相同I²C線的器件進行仲裁。有關(guān)飛思卡爾觸摸技術(shù)的培訓模塊，請訪問Digi-Key的網(wǎng)站。

總結(jié)

觸摸傳感技術(shù)可以可靠地替換機械按鈕和開關(guān)，以消除機械磨損?，F(xiàn)代觸摸傳感器可配置為簡單的滑塊，旋轉(zhuǎn)輪和觸摸板，為更直觀的用戶界面提供顯著優(yōu)勢，為設(shè)計人員提供更大的自由度，同時降低整體系統(tǒng)成本。由I²C接口驅(qū)動的觸摸傳感器控制器消除了主機微控制器的處理負擔，正如我們在幾個部分示例中所見，也可以執(zhí)行其他外設(shè)功能。