TrueTouch電容觸摸屏方案的通訊接口的設(shè)計

電容式觸摸屏是在玻璃表面貼上一層透明的特殊金屬導(dǎo)電物質(zhì)。當(dāng)手指觸摸在金屬層上時，觸點(diǎn)的電容就會發(fā)生變化，使得與之相連的振蕩器頻率發(fā)生變化，通過測量頻率變化可以確定觸摸位置獲得信息。電容式觸摸屏在觸摸屏四邊均鍍上狹長的電極，在導(dǎo)電體內(nèi)形成一個低電壓交流電場。在觸摸屏幕時，由于人體電場，手指與導(dǎo)體層間會形成一個耦合電容，四邊電極發(fā)出的電流會流向觸點(diǎn)，而電流強(qiáng)弱與手指到電極的距離成正比，位于觸摸屏幕后的控制器便會計算電流的比例及強(qiáng)弱，準(zhǔn)確算出觸摸點(diǎn)的位置。電容觸摸屏的雙玻璃不但能保護(hù)導(dǎo)體及感應(yīng)器，更有效地防止外在環(huán)境因素對觸摸屏造成影響，就算屏幕沾有污穢、塵?；蛴蜐n，電容式觸摸屏依然能準(zhǔn)確算出觸摸位置。由于電容隨溫度、濕度或接地情況的不同而變化，故其穩(wěn)定性較差，往往會產(chǎn)生漂移現(xiàn)象。該種觸摸屏適用于系統(tǒng)開發(fā)的調(diào)試階段。

　　一、 Cypress TrueTouch電容觸摸屏方案介紹

　　Cypress半導(dǎo)體公司生產(chǎn)高性能IC產(chǎn)品，用于數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程通訊、PC和軍用系統(tǒng)。公司1982年成立，是一家國際化大公司。目前約有人員3000人，已經(jīng)在全球建立了銷售網(wǎng)絡(luò)。公司總部設(shè)在美國加州San Jose.賽普拉斯（Cypress）為消費(fèi)類電子、計算、數(shù)據(jù)通信、汽車、工業(yè)和太陽能等系統(tǒng)核心部分提供高性能的解決方案。賽普拉斯致力于客戶服務(wù)，充分利用基于產(chǎn)品性能的工藝以及制造技術(shù)專長，使其產(chǎn)品系列擴(kuò)展到有線與無線USB器件、CMOS圖像傳感器、計時技術(shù)解決方案、網(wǎng)絡(luò)搜索引擎、專業(yè)存儲器、高帶寬同步和微功耗存儲器產(chǎn)品、光學(xué)解決方案以及可再配置的混合信號陣列等。

　　Cypress PSoC 技術(shù)將可編程模擬 / 數(shù)字資源集成在單顆芯片上，為感應(yīng)電容式觸摸屏提供了TrueTouch？解決方案，它涵蓋了從單點(diǎn)觸摸、多點(diǎn)觸摸識別手勢到多點(diǎn)觸摸識別位置的全部領(lǐng)域。配合高效靈活的PSoC Designer 5.0 開發(fā)環(huán)境，Cypress TrueTouch？方案正在業(yè)界獲得廣泛的應(yīng)用。

　　PSoC系列單片機(jī)是在一個專有的MCU（Microprogrammed Control Unit）內(nèi)核周圍集成了可配置的模擬和數(shù)字外圍器件陣列PSoC塊，利用芯片內(nèi)部的可編程互聯(lián)陣列，有效地配置芯片上的模擬和數(shù)字塊資源，達(dá)到可編程片上系統(tǒng)的目的。PSoC 是一種對于標(biāo)準(zhǔn)的“全數(shù)字式”微控制器設(shè)計、純粹的模擬設(shè)計以及介乎此二者之間的所有設(shè)計而言具有同等的高適用性的器件，是一種具有極端靈活且完全可編程的混合信號SOC 的基本原理的全新一代器件。

　　圖1是Cypress TrueTouch方案中經(jīng)常使用的軸坐標(biāo)式感應(yīng)單元矩陣的圖形，類似于觸摸板，將獨(dú)立的ITO 感應(yīng)單元串聯(lián)在一起可以組成Y 軸或X 軸的一個感應(yīng)單元，行感應(yīng)單元組成Y 軸，列感應(yīng)單元組成X 軸，行和列在分開的不同層上。多點(diǎn)觸摸識別位置方法是基于互電容的觸摸檢測方法（行單元上加驅(qū)動激勵信號，列單元上進(jìn)行感應(yīng)，有別于激勵和感應(yīng)的是同一感應(yīng)單元的自電容方式），可以應(yīng)用于任何觸摸手勢的檢測，包括識別雙手的10 個手指同時觸摸的位置（圖2）。它通過互電容檢測的方式可以完全消除“鬼點(diǎn)”，當(dāng)有多個觸摸點(diǎn)時，僅當(dāng)某個觸摸點(diǎn)所在的行感應(yīng)單元被驅(qū)動，列感應(yīng)單元被檢測時，才會有電容變化檢測值，這樣就可以檢測出多個行 / 列交*處觸摸點(diǎn)的絕對位置。

　　圖1 軸坐標(biāo)式感應(yīng)單元矩陣的圖形

　　圖2 Cypress TrueTouch 多點(diǎn)觸摸識別位置

　　方案同時顯示了5 個手指觸摸點(diǎn)的位置。

　　圖3顯示了Cypress TrueTouch方案的不同應(yīng)用領(lǐng)域，包括觸摸按鍵，圖像的兩手指手勢操作，以及同時識別多點(diǎn)觸摸位置和控制多個目標(biāo)。

　　圖3 Cypress TrueTouch 電容觸摸屏方案

　　二、Cypress TrueTouch電容觸摸屏的通訊接口

　　Cypress TrueTouch電容觸摸屏主要通過TX / I2C / SPI / USB 與主機(jī)實(shí)現(xiàn)物理通信，TrueTouch芯片可以直接報告一些基本手勢（如兩點(diǎn)觸摸的平移 / 縮放 / 旋轉(zhuǎn)），也可以提供專用的API 給用戶，用戶端獲得多點(diǎn)坐標(biāo)后通過API 運(yùn)算識別更多的或者自定義的手勢。API 使用標(biāo)準(zhǔn)C 語言編寫，可以運(yùn)行在51 / ARM 等多個平臺，這大大簡化了用戶端軟件開發(fā)的工作量。

　　通信接口（communication interface ）是指中央處理器和標(biāo)準(zhǔn)通信子系統(tǒng)之間的接口。 如：RS232接口。RS232接口就是串口，電腦機(jī)箱后方的9芯插座，旁邊一般有 “|O|O|” 樣標(biāo)識。計算機(jī)與計算機(jī)或計算機(jī)與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊二種方式。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠(yuǎn)程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。 在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同 的設(shè)備可以方便地連接起來進(jìn)行通訊。

　　1. TX 通信接口

　　Cypress Designer 5.0 提供了TX8SW用戶模塊，可以實(shí)現(xiàn)7 / 8位RS-232格式的軟件串行接口，支持115200，57600，38400，19200，9600，4800，2400，and 1200 bps的傳輸速度。用戶可以在代碼中設(shè)定相應(yīng)的I/O口，波特率，極性和停止位數(shù)。TX8SW接口不占用PSoC的數(shù)字 / 模擬模塊資源，提供了從PSoC到主機(jī)的單向通信連接。

　　2. I2C 通信接口

　　Cypress Designer 5.0 提供了多個I2C通信的用戶模塊，包括I2CHW（允許多主機(jī)通信，可以設(shè)定為主機(jī)或從機(jī)，支持7位/10位尋址模式），EzI2Cs（工作為從機(jī)模式，占用ROM/RAM資源最少），I2Cm（工作為主機(jī)模式）和I2Cs（工作為從機(jī)模式）。這幾種I2C模塊都與Philips的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I2C總線接口兼容，而且不占用PSoC的數(shù)字 / 模擬模塊資源，提供了從PSoC到主機(jī)的100 kbps / 400 kbps速率雙向通信連接。

　　PSoC 與主機(jī)I2C 通信時，通常是對所有的行 / 列感應(yīng)單元觸摸檢測完成后，通過一個GPIO 報告中斷給主機(jī)，主機(jī)響應(yīng)中斷并讀出所需的數(shù)據(jù)。以下方法可以確保主機(jī)讀出數(shù)據(jù)的完整性：

　　While（1） ｛

　　TSX_ScanAllSensors（）; // TSX 是Cypress 互電容檢測方式用戶模塊

　　TSX_UpdateAllBaselines（）; // 更新感應(yīng)單元Baseline

　　TSX_GetCentroids（）; // 獲得多點(diǎn)的位置

　　TSX_ReportINTwithOvertime（）; // 向主機(jī)報告中斷，有超時控制

　　// 檢測EzI2Cs 用戶模塊的RAM 讀/寫計數(shù)器，等待直到主機(jī)讀出全部數(shù)據(jù)

　　while （EzI2Cs_bRAM_RWcntr ！= sizeof（I2Cregs）） ｛｝;

　　…; // 運(yùn)行其它用戶代碼

　　｝

　　主機(jī)對I2C Structure 特定字節(jié)寫入預(yù)定義數(shù)據(jù)后，可以通知PSoC 進(jìn)入待機(jī)模式（定期工作模式 + 定期休眠模式）或 完全休眠模式。PSoC 在待機(jī)模式下主機(jī)可以進(jìn)入休眠，PSoC 通過Sleep Timer 定期喚醒自己進(jìn)入定期工作模式，檢測部分感應(yīng)單元（如僅掃描行單元）來獲知是否有用戶激活事件。如果有激活事件就通過中斷喚醒主機(jī)并進(jìn)入PSoC工作模式；沒有就再次休眠并定期喚醒自己以降低功耗，實(shí)際的電流功耗是工作模式和休眠模式以時間加權(quán)的平均值，例如：一秒內(nèi)喚醒PSoC 4 次進(jìn)入工作模式檢測，每次檢測16ms@3.2mA，其它時間進(jìn)入休眠模式@3uA，實(shí)際的電流功耗 = （16ms ＊ 4 ＊ 3.2mA + （1000ms – 16ms ＊ 4） ＊ 3uA ） / 1000ms ～= 0.208 mA。

　　PSoC Sleep mode 下將關(guān)閉Analog / Digital UM，使所有GPIO 不形成電流通路，使能I2C 通信引腳的外部中斷喚醒，然后進(jìn)入Sleep mode，主機(jī)隨后可以調(diào)用一次I2C 讀或?qū)懯录韱拘裀SoC。

　　隨著手機(jī)、PDA等便攜式電子產(chǎn)品的普及，人們需要更小的產(chǎn)品尺寸和更大的LCD顯示屏。受到整機(jī)重量和機(jī)械設(shè)計的限制，人機(jī)輸入接口開始由傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵向電阻式觸摸屏過渡。2007年iPhone面世并取得了巨大成功，它采用的電容式觸摸屏提供了更高的透光性和新穎的多點(diǎn)觸摸功能，開始成為便攜式產(chǎn)品的新熱點(diǎn)，主機(jī)隨后可以調(diào)用一次I2C 讀或?qū)懯录韱拘裀SoC。

　　3. SPI 通信接口

　　SPI，是英語Serial Peripheral interface的縮寫，顧名思義就是串行外圍設(shè)備接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。SPI接口主要應(yīng)用在 EEPROM，F(xiàn)LASH，實(shí)時時鐘，AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間。SPI，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡單易用的特性。

　　Cypress Designer 5.0 提供了SPIM（設(shè)定為主機(jī)模式），和SPIS（設(shè)定為從機(jī)模式） UM。它們使用Tx Buffer / Rx Buffer，Control / Shift寄存器和Digital通信模塊，實(shí)現(xiàn)了8bit全雙工同步通訊。用戶可以選擇SCLK（由SPI主機(jī)產(chǎn)生來設(shè)定通信bps）頻率和極性，LSB First等屬性以支持SPI mode 0，1，2和3（見表1）。

　　表1 SPI 模式選擇

　　4. USB 通信接口

　　Cypress Designer 5.0 提供了USBUART（使用USB接口來模擬一個COM口），和USBFS UM。

　　USBUART使用時在PSoC端和PC端就像使用串行口一樣方便，用戶在設(shè)定VendorID /ProductID / VendorString / ProductString / SerialNumberType /SerialNumberString / DevicePower / MaxPower這些參數(shù)后，編譯項(xiàng)目就可以自動生成INF文件。當(dāng)PSoC與PC連接后，PC安裝這個INF文件，雙方就可以進(jìn)行雙向通信。

　　USBFS支持Control / Interrupt / Bulk / Isochronous 傳輸，提供了USB IN / OUT控制節(jié)點(diǎn)的底層驅(qū)動模式，解釋來自USB Host的請求并分配給相應(yīng)的函數(shù)。通過USBFS Setup Wizard可以很方便的配置器件描述符，用戶還可以將USB配置成HID（Human Interface Devices）器件或通用USB器件。

　　USBUART和USBFS接口都不占用PSoC的數(shù)字 / 模擬模塊資源，提供了從PSoC到主機(jī)的USBFull Speed雙向連接。

　　三、Cypress TrueTouch 電容觸摸屏不同通訊接口的選擇

　　選用Cypress TrueTouch 觸摸屏解決方案時，可以根據(jù)具體應(yīng)用的需要靈活選擇通訊接口（見表2）。

　　表2

　　電容式觸摸屏的優(yōu)點(diǎn)正在被廣泛認(rèn)可，其增強(qiáng)的耐用性、優(yōu)雅的人機(jī)界面帶給消費(fèi)者全新的操作體驗(yàn)。隨著電容式觸摸屏市場的逐漸擴(kuò)大，靈活的通訊接口選擇將有助于Cypress TrueTouch 電容觸摸屏方案更好的為用戶服務(wù)。