触摸屏的应用与工作原理
触摸屏的应用与工作原理
摘 要：简要介绍触摸屏的结构及工作原理，并以burr-brown公司的触摸屏控制芯片ads7843为例，介绍触摸屏应用的典型电路和操作。由于ads7843内置12位a/d，理论上触摸屏的输入坐标识别精度为有效长宽的1/4096。
关键词：触摸屏 ito ads7843 嵌入式系统
1 触摸屏的基本原理
典型触摸屏的工作部分一般由三部分组成，如图1所示：两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极。阻性导体层选用阻性材料，如铟锡氧化物(ito)涂在衬底上构成，上层衬底用塑料，下层衬底用玻璃。隔离层为粘性绝缘液体材料，如聚脂薄膜。电极选用导电性能极好的材料(如银粉墨)构成，其导电性能大约为ito的1000倍。
触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络，如图2所示。当某一层电极加上电压时，会在该网络上形成电压梯度。如有外力使得上下两层在某一点接触，则在电极未加电压的另一层可以测得接触点处的电压，从而知道接触点处的坐标。比如，在顶层的电极(x+,x－)上加上电压，则在顶层导体层上形成电压梯度，当有外力使得上下两层在某一点接触，在底层就可以测得接触点处的电压，再根据该电压与电极(x+)之间的距离关系，知道该处的x坐标。然后，将电压切换到底层电极(y+,y－)上，并在顶层测量接触点处的电压，从而知道y坐标。
2 触摸屏的控制实现
现在很多pda应用中，将触摸屏作为一个输入设备，对触摸屏的控制也有专门的芯片。很显然，触摸屏的控制芯片要完成两件事情：其一，是完成电极电压的切换；其二，是采集接触点处的电压值(即a/d)。本文以bb (burr-brown)公司生产的芯片ads7843为例，介绍触摸屏控制的实现。
2.1 ads7843的基本特性与典型应用
ads7843是一个内置12位模数转换、低导通电阻模拟开关的串行接口芯片。供电电压2.7~5 v，参考电压vref为1 v~+vcc，转换电压的输入范围为0~ vref，最高转换速率为125 khz。ads7843的引脚配置如图3所示。表1为引脚功能说明，图4为典型应用。
2.2 ads7843的内部结构及参考电压模式选择
ads7843之所以能实现对触摸屏的控制，是因为其内部结构很容易实现电极电压的切换，并能进行快速a/d转换。图5所示为其内部结构，a2~a0和ser/为控制寄存器中的控制位，用来进行开关切换和参考电压的选择。
ads7843支持两种参考电压输入模式：一种是参考电压固定为vref，另一种采取差动模式，参考电压来自驱动电极。这两种模式分别如图6(a)、(b)所示。采用图6(b)的差动模式可以消除开关导通压降带来的影响。表2和表3为两种参考电压输入模式所对应的内部开关状况。
2.3 ads7843的控制字及数据传输格式
ads7843的控制字如表4所列，其中s为数据传输起始标志位，该位必为1。a2~a0进行通道选择(见表2和3)。
mode用来选择a/d转换的精度，1选择8位，0选择12位。
ser/选择参考电压的输入模式(见表2和3)。pd1、pd0选择省电模式：
00省电模式允许，在两次a/d转换之间掉电，且中断允许；
01同00，只是不允许中断；
10保留；
11禁止省电模式。
为了完成一次电极电压切换和a/d转换，需要先通过串口往ads7843发送控制字，转换完成后再通过串口读出电压转换值。标准的一次转换需要24个时钟周期，如图7所示。由于串口支持双向同时进行传送，并且在一次读数与下一次发控制字之间可以重叠，所以转换速率可以提高到每次16个时钟周期，如图8所示。如果条件允许，cpu可以产生15个clk的话(比如fpgas和asics),转换速率还可以提高到每次15个时钟周期，如图9所示。
2.4 a/d转换时序的程序设计
ads7843的典型应用如图4所示。假设μp接口与51单片机的p1.3~p1.7相连，现以一次转换需24个时钟周期为例，介绍a/d转换时序的程序设计。
; a/d 接口控制线
dclk bit p1.3
cs bit p1.4
din bit p1.5
busy bit p1.6
dout bit p1.7
; a/d 通道选择命令字和工作寄存器
chx equ 094h ;通道x+的选择控制字
chy equ 0d4h;通道y+的选择控制字
ch3 equ 0a4h
ch4 equ 0e4h
ad_ch equ 35h ;通道选择寄存器
ad_resulth equ 36h ;存放12 bit a/d值
ad_resultl equ 37h
; 存放通道chx+的a/d值
chxadresulth equ 38h
chxadresultl equ 39h
; 存放通道chy+的a/d值
chyadresulth equ 3ah
chyadresultl equ 3bh
; 采集通道chx+的程序段(chxad)
chxad: mov ad_ch,#chx
lcall ad_run
mov chxadresulth,ad_resulth
mov chxadresultl,ad_resultl
ret
; 采集通道chy+的程序段(chyad)
chyad: mov ad_ch,#chy
lcall ad_run
mov chyadresulth,ad_resulth
mov chyadresultl,ad_resultl
ret
; a/d转换子程序(ad_run)
; 输入: ad_ch-模式和通道选择命令字
; 输出: ad_resulth,l ;12 bit的a/d转换值
; 使用: r2 ;辅助工作寄存器
ad_run:
clr cs ; 芯片允许
clr dclk
mov r2,#8 ;先写8 bit命令字
mov a,ad_ch
ad_loop:
mov c, acc.7
mov din,c ;时钟上升沿锁存din
setb dclk ;开始发送命令字
clr dclk ;时钟脉冲，一共24个
rl a
djnz r2,ad_loop
nop
nop
nop
nop
adw0: jnb busy,ad_wait ;等待转换完成
sjmp adw1
ad_wait:
lcall watchdog
nop
sjmp adw0
clr din
adw1: mov r2,#12 ;开始读取12bit结果
setb dclk
clr dclk
ad_read:
setb dclk
clr dclk ;用时钟的下降沿读取
mov a,ad_resultl
mov c,dout
rlc a
mov ad_resultl,a
mov a,ad_resulth
rlc a
mov ad_resulth,a
djnz r2,ad_read
mov r2,#4 ;最后是没用的4个时钟
ignore:
setb dclk
clr dclk
djnz r2,ignore
setb cs ;禁止芯片
anl ad_resulth,#0fh ;屏蔽高4 bit
ret
2.5 a/d转换结果的数据格式
ads7843转换结果为二进制格式。需要说明的是，在进行公式计算时，参考电压在两种输入模式中是不一样的。而且，如果选取8位的转换精度，1lsb=vref/256，一次转换完成时间可以提前4个时钟周期，此时串口时钟速率也可以提高一倍。
结束语
在许多嵌入式系统中，cpu提供专门的模块来支持液晶显示和触摸屏的输入，使得接口非常简单。比如，motorola的mc68vz328(称为 dragon ball)就提供专门的引脚来支持8位和4位的液晶显示，对触摸屏的支持通过spi2借助ads7843也很容易完成。
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摘 要：简要介绍触摸屏的结构及工作原理，并以burr-brown公司的触摸屏控制芯片ads7843为例，介绍触摸屏应用的典型电路和操作。由于ads7843内置12位a/d，理论上触摸屏的输入坐标识别精度为有效长宽的1/4096。
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1 触摸屏的基本原理
典型触摸屏的工作部分一般由三部分组成，如图1所示：两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极。阻性导体层选用阻性材料，如铟锡氧化物(ito)涂在衬底上构成，上层衬底用塑料，下层衬底用玻璃。隔离层为粘性绝缘液体材料，如聚脂薄膜。电极选用导电性能极好的材料(如银粉墨)构成，其导电性能大约为ito的1000倍。
触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络，如图2所示。当某一层电极加上电压时，会在该网络上形成电压梯度。如有外力使得上下两层在某一点接触，则在电极未加电压的另一层可以测得接触点处的电压，从而知道接触点处的坐标。比如，在顶层的电极(x+,x－)上加上电压，则在顶层导体层上形成电压梯度，当有外力使得上下两层在某一点接触，在底层就可以测得接触点处的电压，再根据该电压与电极(x+)之间的距离关系，知道该处的x坐标。然后，将电压切换到底层电极(y+,y－)上，并在顶层测量接触点处的电压，从而知道y坐标。
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现在很多pda应用中，将触摸屏作为一个输入设备，对触摸屏的控制也有专门的芯片。很显然，触摸屏的控制芯片要完成两件事情：其一，是完成电极电压的切换；其二，是采集接触点处的电压值(即a/d)。本文以bb (burr-brown)公司生产的芯片ads7843为例，介绍触摸屏控制的实现。
2.1 ads7843的基本特性与典型应用
ads7843是一个内置12位模数转换、低导通电阻模拟开关的串行接口芯片。供电电压2.7~5 v，参考电压vref为1 v~+vcc，转换电压的输入范围为0~ vref，最高转换速率为125 khz。ads7843的引脚配置如图3所示。表1为引脚功能说明，图4为典型应用。
2.2 ads7843的内部结构及参考电压模式选择
ads7843之所以能实现对触摸屏的控制，是因为其内部结构很容易实现电极电压的切换，并能进行快速a/d转换。图5所示为其内部结构，a2~a0和ser/为控制寄存器中的控制位，用来进行开关切换和参考电压的选择。
ads7843支持两种参考电压输入模式：一种是参考电压固定为vref，另一种采取差动模式，参考电压来自驱动电极。这两种模式分别如图6(a)、(b)所示。采用图6(b)的差动模式可以消除开关导通压降带来的影响。表2和表3为两种参考电压输入模式所对应的内部开关状况。
2.3 ads7843的控制字及数据传输格式
ads7843的控制字如表4所列，其中s为数据传输起始标志位，该位必为1。a2~a0进行通道选择(见表2和3)。
mode用来选择a/d转换的精度，1选择8位，0选择12位。
ser/选择参考电压的输入模式(见表2和3)。pd1、pd0选择省电模式：
00省电模式允许，在两次a/d转换之间掉电，且中断允许；
01同00，只是不允许中断；
10保留；
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为了完成一次电极电压切换和a/d转换，需要先通过串口往ads7843发送控制字，转换完成后再通过串口读出电压转换值。标准的一次转换需要24个时钟周期，如图7所示。由于串口支持双向同时进行传送，并且在一次读数与下一次发控制字之间可以重叠，所以转换速率可以提高到每次16个时钟周期，如图8所示。如果条件允许，cpu可以产生15个clk的话(比如fpgas和asics),转换速率还可以提高到每次15个时钟周期，如图9所示。
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; a/d 接口控制线
dclk bit p1.3
cs bit p1.4
din bit p1.5
busy bit p1.6
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; a/d 通道选择命令字和工作寄存器
chx equ 094h ;通道x+的选择控制字
chy equ 0d4h;通道y+的选择控制字
ch3 equ 0a4h
ch4 equ 0e4h
ad_ch equ 35h ;通道选择寄存器
ad_resulth equ 36h ;存放12 bit a/d值
ad_resultl equ 37h
; 存放通道chx+的a/d值
chxadresulth equ 38h
chxadresultl equ 39h
; 存放通道chy+的a/d值
chyadresulth equ 3ah
chyadresultl equ 3bh
; 采集通道chx+的程序段(chxad)
chxad: mov ad_ch,#chx
lcall ad_run
mov chxadresulth,ad_resulth
mov chxadresultl,ad_resultl
ret
; 采集通道chy+的程序段(chyad)
chyad: mov ad_ch,#chy
lcall ad_run
mov chyadresulth,ad_resulth
mov chyadresultl,ad_resultl
ret
; a/d转换子程序(ad_run)
; 输入: ad_ch-模式和通道选择命令字
; 输出: ad_resulth,l ;12 bit的a/d转换值
; 使用: r2 ;辅助工作寄存器
ad_run:
clr cs ; 芯片允许
clr dclk
mov r2,#8 ;先写8 bit命令字
mov a,ad_ch
ad_loop:
mov c, acc.7
mov din,c ;时钟上升沿锁存din
setb dclk ;开始发送命令字
clr dclk ;时钟脉冲，一共24个
rl a
djnz r2,ad_loop
nop
nop
nop
nop
adw0: jnb busy,ad_wait ;等待转换完成
sjmp adw1
ad_wait:
lcall watchdog
nop
sjmp adw0
clr din
adw1: mov r2,#12 ;开始读取12bit结果
setb dclk
clr dclk
ad_read:
setb dclk
clr dclk ;用时钟的下降沿读取
mov a,ad_resultl
mov c,dout
rlc a
mov ad_resultl,a
mov a,ad_resulth
rlc a
mov ad_resulth,a
djnz r2,ad_read
mov r2,#4 ;最后是没用的4个时钟
ignore:
setb dclk
clr dclk
djnz r2,ignore
setb cs ;禁止芯片
anl ad_resulth,#0fh ;屏蔽高4 bit
ret
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