1 引言

觸摸屏技術應用於智能儀表中可以直接在顯示屏上進行觸摸輸入, 改善人機交互方式, 使用方便。觸摸屏的工作原理根據使用的介質不同而不同, 常見的有電阻式、 電容式、 紅外式、 聲表麵波式。電阻式觸摸屏可由任意輸入筆啟動、 結構簡單、 使用方便並且價格低廉, 所以這種觸摸屏非常適合在智能儀表中使用, 本文介紹四線電阻式觸摸屏的接口技術。

2 電阻式觸摸屏原理

四線電阻式觸摸屏由 3 層構成: 底層是絕緣層——玻璃基板, 上麵塗有兩層透明電阻層。每一電阻塗層各在 X/ Y 方向上有兩條檢測線, 共有 4 條檢測線: X+ 、 X- 、 Y+ 、 Y- 。沒有觸摸信號時, 兩層電阻層沒有接觸點, 互不導通; 當某一點被觸摸時, 則在這一點上兩層電阻短接, 測量 Y 軸方向阻值變化, 隻需在Y+ 與 Y- 方向施加電壓, 將 X+ 讀出的壓降值送入到A/ D 轉換器, 經過 A/ D 轉換即可得到相應的 Y軸坐標。同理, 測量 X 軸方向阻值變化, 則在 X 軸方向上施加電壓, 讀取 Y+ 的輸出值到 A/ D 轉換器即可。在智能儀表設計中, 觸摸屏的接口技術主要有: 與內置A/ D 的單片機直接接口; 與專用 A/ D 的接口。

3 觸摸屏與內置 A/ D的單片機接口技術

觸摸屏與內置 A/ D 的單片機接口可以通過 4 個三極管或 MOS 管分別給 X、 Y 方向施加電壓, 並通過A/ D通道讀取 Y、 X 方向的電壓值來實現。當單片機 P1. 1 電平為低、 P1. 2 電平為高時, 則對應的 PNP 三極管 TR1、 TR3 導通, TR2、 TR4 截止, Y軸電阻被施加電壓, 單片機通過 X+ 讀取 Y 軸數據到單片機的 A/ D 通道 AD1。而當 P1. 1 為高電平、 P1. 2為低電平時, 單片機從通道 AD0讀入 X 軸數據。需要指出的是, 一般的單片機上自帶的 A/ D 轉換器輸入阻抗較低( 一般為幾 kΩ , 而觸摸屏最大阻值為 500 Ω左右, 若對觸摸屏輸入的線性度、 精度有較高的要求, 還應在 A/ D輸入通道前加入緩衝器。

對觸摸屏輸入 A/ D 的數據讀取控製可采用定時查詢方式和中斷方式。定時查詢時, 利用單片機內的定時器, 產生 20ms 的定時中斷, CPU 響應定時器溢出中斷, 給Y 軸施加電壓, 從 X 軸讀取A/ D值, 若未發現觸摸輸入, 結束中斷; 若發現有觸摸信號, 再給 X 軸施加電壓, 從 Y 軸讀取A/ D 值, 分別得到 Y、 X 方向的坐標, 結束中斷。定時查詢時, 無論是否有觸摸輸入, 每20ms就需中斷一次, 需要占用 CPU 較多的時間。

為提高 CPU 的利用效率, 可以采用中斷方式。當有觸摸信號時便產生中斷請求, CPU 響應中斷, 分別讀取 X、 Y 軸的 A/ D 值, 得到 X、 Y 坐標。筆中斷產生電路, 給 Y 軸電阻施加電壓, 在觸摸屏的 X+ 輸出端上拉一個 100 k8 電阻 R 1 和一個二極管, 當沒有觸摸信號時, 兩層電阻沒有導通點, 二極管沒有接地,所以其正極輸出 C 點的電平為高; 當有觸摸信號時, 二極管通過觸摸屏電阻接地, 由於觸摸屏電阻相對於 R 1 很小, 則從 C 點輸出的電平變低, 產生中斷請求信號, 單片機響應這個中斷請求信號後發出啟動 A/ D轉換的命令。但是在進行 Y 軸轉換時, 由於二極管漏電流 I LEAKAGE 的影響使讀數產生誤差, 導致觸摸 A 點時輸出讀數誤差大, 觸摸 B 點時誤差小, 並且這個誤差難以用軟件進行補償, 為了減小該偏移誤差, 可以將筆中斷信號通過 R 2 電阻上拉到 Active 信號, 當單片機接收筆中斷進入中斷服務程序後, 先置 Active 為低, 然後分別給 X、 Y 軸施加電壓, 讀取相應的 A/ D 通道, 得到 X、 Y 坐標, 然後置 Active 為高, 從中斷服務程序返回。這樣, 在進行 X、 Y 測量時, 二極管截止, 此時二極管漏電流的影響可以被忽略掉。因為CS為低電平時的最大輸出為 0. 8V, 則 R 1 與 R 2 的選取可參照公式:

需要注意的是, R 2 要選取低阻值來盡量減小 Active 電平的下降沿時間。

觸摸屏與內置 A/ D 的單片機接口設計簡單, 成本低, 但觸摸屏輸入隻能完成一些要求簡單輸入控製操作, 如菜單式選擇等。如果要求進行諸如漢字手寫輸入等要求線性、 精度等較高的觸摸屏輸入, 就需要采用專用A/ D 接口。

4 觸摸屏與專用 A/ D芯片的接口技術

4．1 ADS7843 工作原理及接口技術

ADS7843 是某公司專為四線電阻式觸摸屏設計的專用接口芯片。它可以方便地與單片機接口, 對轉換信號進行處理和計算。

它是一個具有可編程的 8 位或 12 位分辨率的逐次逼近型A/ D 轉換器, 帶有一個同步串行接口, 可支持高達 125kHz 的轉換速率。它的工作電壓 V cc 為217~ 5V, 參考電壓在 1V 到 V cc 之間均可, 參考電壓的數值決定轉換器的輸入電壓範圍。 它有 4 路模擬信號輸入通道, X+ 、 Y+ 是觸摸屏輸入通道, IN3、 IN4 是兩個輔助模擬輸入通道。參考電壓模式設置分為兩種: 單端模式和差分模式。在單端模式中參考輸入電壓選取的是 V cc 和 GND, 由於內部的開關電阻壓降影響轉換結果帶來誤差, 所以轉換器內部的低阻開關對轉換精度有一定影響; 差分模式參考輸入由未選中的輸入通道 Y+ 、 Y- / X+ 、 X- 提供參考電源和地, 不管內部開關電阻如何變化, 其轉換結果總與觸摸屏的電阻成比例, 克服了內部開關電阻的影響, 但當轉換頻率很高時則增加了功耗, 需要考慮低功耗設計。

ADS7843 的筆中斷控製就是當有觸摸信號時, 發出一個中斷信號 PENIRQ 告知單片機發控製字, 進行數據采集。當 A/ D 被設定為筆中斷低功耗模式時, 一有觸摸信號, ADS7843 立刻進入工作模式, 無需等待電源的上升。這種模式與連續工作方式相比可以極大的降低功耗, 從 750LW 到低於 0. 5LW. 模式的設定可通過對相應的控製字的設定來實現。

觸摸屏在與 ADS7843接口時, 觸摸屏輸出的 4 條檢測線依次與ADS7843 的 X+ 、 Y+ 、 X- 、 Y- 管腳直接相連, 通過 A/ D 芯片內部的 MOS 管來進行讀取切換。筆中斷控製信號 PENIRQ 可以通過電阻上拉到V cc, 但為了避免片內二極管漏電流影響, PENIRQ最好上拉到片選信號CS。當沒有觸摸信號時, PENIRQ管腳輸出高電平; 當有觸摸信號時, 單片機接收到PENIRQ管腳輸出的低電平中斷信號後, 先置CS為低電平選中 A/ D 轉換器, 然後讀取 X、 Y 軸的轉換值, 再置CS為高, 消除了漏電流的影響。

4．2 ADS7843 與 AT89C2051的接口技術

某公司的 8 位 AT89C2051 單片機, 它與MCS- 51 係列產品兼容, 具有 2K 的 FLASH ROM, 15根 I/ O 口線, 使用方便靈活。 ADS7843 與AT 89C2051 的接口電路, 它們之間的接口信號包括:DCLK、 DIN、 DOUT 、 PENIRQ、 CS、 BUSY。

在圖中, ADS7843 設置為差分模式, 它是根據接收的時鍾信號 DCLK, DCLK、 DIN、 DOUT 3 個管腳進行同步串行輸入或輸出, 單片機通過自帶的定時器設置時鍾輸出到 A/ D 轉換器來實現同步。當有觸摸信號時, A/ D 的 PENIRQ 管腳產生低電平中斷請求信號, 單片機在接收到中斷請求信號準備響應後, 先置輸出 P1. 6 為低電平, 即CS= 0, 啟動 A/ D 轉換。在每個轉換周期開始, 單片機通過P1. 5 管腳先發送8 位控製字到 A/ D 的串行輸入 DIN, 然後 A/ D 進行相應的坐標轉換, 同時其 BUSY 管腳電平變高, 轉換完畢後,BUSY 管腳電平變低, 當單片機檢測到這個/ 忙0信號由高變低後, 從 A/ D的串行輸出口 DOUT 讀取 12 位的轉換數值。若轉換周期結束, 又有觸摸中斷請求信號, 則繼續進行轉換; 若沒有觸摸中斷請求信號, 則A/ D轉換器進入低功耗模式, 等待下次轉換。

5 A/ D的輸入保護

為了防止靜電釋放或逆光源引發的高能量脈衝信號通過觸摸屏耦合進入 A/ D 轉換器, 從而造成集成電路損壞或性能下降, 在實際應用中, 還需要在觸摸屏的X + 、 Y+ 輸出引線與A/ D輸入通道之間加入鉗位二極管與鐵氧體磁珠,。這樣脈衝信號在進入A/ D 轉換器之前先被濾除, 防止了脈衝信號的振幅超過電源電壓而損害零件, 保護A/ D 不受損壞。

6 結論

針對四線電阻式觸摸屏的接口技術, 設計了觸摸屏與內置 A/ D 的單片機接口和與專用 A/ D 的接口技術以及A/ D 輸入通道的保護技術等, 並在智能儀表研製中應用。實際應用表明: 電路穩定可靠, 簡單實用。

參 考 文 獻

[ 1] Skip Osgood, CK Ong, Rick Downs. TOU CH SCREEN CON -TROLLER TIPS. BURR - BROWN APPL ICATION BUL-LETIN, 2000.

[ 2] BURR- BROWN INC. ADS7843 DATA SHEET, 1998.

[ 3] 施保華, 金曉波, 秦娟英. DSP 芯片與觸摸屏的接口控製. 電子技術應用, 2001( 1) :65- 66.

 

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