觸摸屏作為智能儀器、儀表的輸入設(shè)備，是具有簡(jiǎn)單、方便、自然的人機(jī)交互方式。按照工作原理和傳輸信息介質(zhì)的不同，觸摸屏主要分為電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、紅外線式觸摸屏及表面聲波觸摸屏4類。電阻式觸摸屏對(duì)外完全隔離，不怕油污、灰塵、水，經(jīng)濟(jì)性很好，適應(yīng)于各種領(lǐng)域，其產(chǎn)品在觸摸屏產(chǎn)品中占90％的市場(chǎng)份額?，F(xiàn)介紹電阻式觸摸屏的結(jié)構(gòu)及接口設(shè)計(jì)。
1 電阻式觸摸屏的結(jié)構(gòu)
電阻式觸摸屏的檢測(cè)部件是一塊與顯示器表面緊密配合的多層復(fù)合薄膜，由一層玻璃或有機(jī)玻璃作為基層，表面涂有一層阻性導(dǎo)體層(如銦錫氧化物ITO)，上面再蓋有一層外表面被硬化處理、光滑防刮的塑料層，塑料層的內(nèi)表面也涂有一層阻性導(dǎo)體層。在兩導(dǎo)體層之間有一層具有許多細(xì)小隔離點(diǎn)的隔離層，把兩導(dǎo)體層隔開(kāi)絕緣，如圖1所示。當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)，兩導(dǎo)體層在觸摸點(diǎn)位置產(chǎn)生了接觸，控制器檢測(cè)到這個(gè)接通點(diǎn)后計(jì)算出X，Y坐標(biāo)，這就是電阻式觸摸屏的檢測(cè)原理。
電阻式觸摸屏根據(jù)引出線數(shù)的多少，分為4～8線等多種結(jié)構(gòu)。4線電阻觸摸屏最具代表性，其檢測(cè)原理如圖2所示。在外ITO層的上、下兩邊各渡一個(gè)狹長(zhǎng)電極，引出端為Y+，Y-，在內(nèi)IT0層的左、右兩邊分別渡上狹長(zhǎng)電極，引出端為X+，X-。為了獲得觸摸點(diǎn)在X方向的位置信號(hào)，在內(nèi)ITO層的兩電極 X+，X-上分別加VREF，0 V電壓，使內(nèi)IT0層上形成了從O～VREF的電壓梯度，觸摸點(diǎn)至X-端的電壓為該兩端電阻對(duì)VR-EF的分壓，分壓值代表了觸摸點(diǎn)在X方向的位置，然后將外ITO層的一個(gè)電極(如Y-)端懸空，可從另一電極(Y+)取出這一分壓，將該分壓進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，并與VREF進(jìn)行比較，便可得到觸摸點(diǎn)的X坐標(biāo)。
為了獲得觸摸點(diǎn)在Y方向的位置信號(hào)，需要在外ITO層的兩電極Y+，Y-上分別加VREF，O V電壓，而將內(nèi)ITO層的一個(gè)電極(X-)懸空，從另一電極(X+)上取出觸摸點(diǎn)在Y方向的分壓。
2 ADS7846的特性
2．1 基本特性
ADS7846是美國(guó)BB公司推出的新一代4線制觸摸屏控制器，他由低導(dǎo)通電阻模擬開(kāi)關(guān)，具有采樣／保持功能的逐次逼近型ADC、異步串行數(shù)據(jù)接口、溫度傳感器等組成。ADC是ADS7846的核心，其轉(zhuǎn)換速率可達(dá)125 kHz，分辨率可編程為8位或12位。該器件不僅具有X，Y坐標(biāo)測(cè)量功能，還具有電池電壓、芯片溫度、觸摸壓力和外模擬量4種測(cè)量功能，其工作方式可由控制字決定，片內(nèi)的6選1模擬多路開(kāi)關(guān)可根據(jù)微控制器送來(lái)的命令字選擇6個(gè)電壓量之一(X+，Y+，Y-，VBAT，TEMP，AUX-IN)，并將其送入 A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，然后再通過(guò)SPI接口將轉(zhuǎn)換值送入微控制器。ADS7846還集成有觸摸識(shí)別電路，當(dāng)檢測(cè)到有觸摸時(shí)，該電路會(huì)在引腳輸出一個(gè)低電平信號(hào)，向微控制器提出測(cè)量觸點(diǎn)坐標(biāo)的中斷請(qǐng)求。該芯片采用單電源供電，工作電壓為2．2～5．25 V，且內(nèi)部自帶+2．5 V的參考電壓。
2．2 引腳功能
ADS7846的引腳排列如圖3所示，引腳功能見(jiàn)表1。
2．3 控制字
ADS7846的控制功能主要是實(shí)現(xiàn)觸摸屏電極電壓的切換及觸摸點(diǎn)位置信號(hào)的A／D轉(zhuǎn)換。ADS7846的控制字如下：
S：數(shù)據(jù)傳輸起始標(biāo)志位。為1表示一個(gè)新的控制字節(jié)到來(lái)；為0則忽略DIN引腳上數(shù)據(jù)。
A2A1A0：通道選擇位。用于控制通道選擇器的輸入，觸摸信號(hào)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)及ADC的參考輸入電壓。當(dāng)A2A1A0=001時(shí)，采集Y坐標(biāo)信號(hào)；當(dāng)A2A1A0=101時(shí)，采集X坐標(biāo)信號(hào)。
MODE：用來(lái)選擇A／D轉(zhuǎn)換的精度。為1選擇8位精度；為0選擇12位精度。
用來(lái)選擇參考電壓的輸入模式。1為參考電壓非差動(dòng)輸入模式；O為參考電壓差動(dòng)輸入模式。
PDl，PD0：低功率模式選擇位。若為11，器件總處于供電狀態(tài)；若為OO，器件在兩次變換之間處于低功率模式。
2．4 轉(zhuǎn)換時(shí)序
ADS7846的轉(zhuǎn)換時(shí)序如圖4所示。一次完整的電極電壓切換和A／D轉(zhuǎn)換，需要ADS7846和微處理器進(jìn)行3次串行數(shù)據(jù)傳送，每次傳送需要8個(gè)時(shí)鐘周期。
第一次傳送由微處理器向ADS7846發(fā)送控制字，接下來(lái)的兩次傳送是微處理器從ADS7846讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果(最后4位自動(dòng)補(bǔ)O)。由于串口支持雙向同時(shí)進(jìn)行傳送，并且在一次讀數(shù)與下一次發(fā)控制字之間可以重疊，所以轉(zhuǎn)換速率可以提高到每次16個(gè)時(shí)鐘周期。
2．5 觸摸坐標(biāo)計(jì)算
由于四線電阻觸摸屏中，Y方向位置電壓從下向上逐漸增加，X方向位置電壓從右向左逐漸增加，因此Y，X位置電壓對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)原點(diǎn)在觸摸屏的右下角。為了獲得工程上使用的X，Y坐標(biāo)值(即將坐標(biāo)原點(diǎn)移為左下角)，應(yīng)將X位置電壓轉(zhuǎn)換值求補(bǔ)。另外，X，Y位置電壓轉(zhuǎn)換值還必須與顯示屏幕的點(diǎn)陣(采用的液晶為 240×160點(diǎn)陣)相對(duì)應(yīng)。因此校正后的X，Y坐標(biāo)計(jì)算公式為：
式中：Xmax，Xmin為X位置電壓轉(zhuǎn)換結(jié)果的最大、最小值；Ymax，Ymin為Y位置電壓轉(zhuǎn)換結(jié)果的最大、最小值；Y，X為觸摸點(diǎn)位置電壓的轉(zhuǎn)換值；x，y為校正后的觸摸點(diǎn)坐標(biāo)。
3 觸摸屏與微機(jī)的接口
3．1接口電路
應(yīng)用ADS7846實(shí)現(xiàn)觸摸屏與單片機(jī)80C55的接口電路如圖5所示，觸摸屏的X+，X-，Y+，Y-分別與ADS7846的相應(yīng)端連接，當(dāng)控制字中 A2A1-A0=001時(shí)，通過(guò)片內(nèi)模擬開(kāi)關(guān)的切換，將X+接電源VCC，X-接地，將Y+與Y-端以差動(dòng)形式接到A／D轉(zhuǎn)換器的輸入端，A／D轉(zhuǎn)換器的結(jié)果就是Y位置電壓。類似當(dāng)控制字中A2A1A0=101時(shí)，A／D轉(zhuǎn)換器的結(jié)果就是X位置電壓。單片機(jī)與ADS7846間的數(shù)據(jù)傳送采用串行通信方式時(shí)，由于單片機(jī)串口方式1～3為異部通信方式，與ADS7846的時(shí)序不相配；串口方式0為移存器方式，雖然與ADS7846時(shí)序可以配合，但串口數(shù)據(jù)輸入／輸出使用同一端子RXD(TXD)為同步脈沖輸出端)，ADS7846數(shù)據(jù)輸入／輸出采用不同端子DIN，DOUT。為了實(shí)現(xiàn)正確的數(shù)據(jù)雙向傳送，設(shè)計(jì)了雙向數(shù)據(jù)芯片GAL，該芯片的功能是當(dāng)E=O時(shí)，數(shù)據(jù)傳送方向?yàn)閅到A；當(dāng)E=1時(shí)，傳送方向?yàn)锽到Y(jié)。ADS7846的筆中斷信號(hào)接P2．4，當(dāng)信號(hào)有效時(shí)，單片機(jī)發(fā)送控制字。ADS7846的忙信號(hào)BUSY接P2．6，在BUSY信號(hào)的下降沿，單片機(jī)接收A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果。
3．2 接口程序
當(dāng)觸摸觸摸屏?xí)r，ADS7846中斷信號(hào)有效，單片機(jī)檢測(cè)到這一有效信號(hào)后，先送測(cè)量X坐標(biāo)控制字，并檢測(cè)BUSY信號(hào)是否有下降沿到來(lái)，下降沿到來(lái)后，讀X位置電壓；再送測(cè)量Y坐標(biāo)控制字，獲取Y位置電壓。將得到的X，Y位置電壓用式(1)、式(2)進(jìn)行計(jì)算便得到觸摸點(diǎn)的X，Y坐標(biāo)。軟件流程如圖6所示。
4 結(jié)語(yǔ)
設(shè)計(jì)的觸摸屏接口電路具有下列優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)增加雙向傳輸GAL芯片，解決了51系列單片機(jī)與觸摸屏控制器ADS7846的串行通信問(wèn)題；通過(guò)對(duì)觸摸點(diǎn)位置電壓進(jìn)行校正，獲得了正確的觸摸坐標(biāo)；接口電路易于實(shí)現(xiàn)，實(shí)用性強(qiáng)。