基于ARM微處理器的液晶觸摸屏的設計

　　0 引言

　　人機交互界面的種類較多，如鍵盤、數(shù)碼管顯示器、液晶顯示器及帶觸摸的液晶屏等。決定人機交互接口方式的主要因素是成本和實際應用的需要。近十年來，液晶觸摸屏以功耗低、重量輕、精度高和良好的人機界面等技術特點， 在電子設備特別是手持類電子產品中得到了普遍應用。帶觸摸的液晶屏，只要能測量出觸摸點的坐標位置，即可根據(jù)屏上對應坐標點的顯示內容或圖符獲知觸摸者的意圖， 通過微處理器處理聲音、圖像、文字及觸摸輸入控制等信息，使之成為能進行信息存取、輸入和輸出的集成系統(tǒng)?；谖⒖刂破髋c液晶模塊的硬件接口設計及軟件編程在智能系統(tǒng)設計中有著重要的應用價值。ARM 微處理器，運算速度快、資源豐富、性價比高，是當前較為流行的嵌入式控制器。本文介紹的一款基于ARM7微處理器LPC2148 接口的3.2 寸液晶觸摸屏，具有精度高、彩色顯示逼真、應用靈活等特點，可作為中高檔電子產品字符、圖像的顯示及人機對話的窗口。

　　1 總體設計方案

　　系統(tǒng)的總體設計方案如圖1 所示。液晶觸摸屏系統(tǒng)由31 2寸TFT 液晶屏模塊、觸摸屏和ARM 微處理器控制板組成。

　　觸摸屏由觸摸傳感部件和觸摸屏控制器ADS7843 組成，觸摸傳感部件安裝在LCD 液晶屏前面，用于檢測用戶觸摸位置，用戶觸摸信息送往ADS7843 控制器，并轉換成觸點坐標，送給ARM7 控制板，LPC2148 微處理器與液晶及觸摸模塊相連接，根據(jù)接收到的觸摸信息，進行信號運算和處理，輸出蜂鳴器等控制信號，控制液晶屏實現(xiàn)用戶畫面和數(shù)據(jù)的顯示。

　　圖1 液晶觸摸屏系統(tǒng)總體設計方案

　　2 電路及原理

　　2.1 液晶觸摸屏原理及ADS7843 觸摸控制電路

　　原理如圖2 所示。

　　U1為3.2 英寸TFT液晶模塊，+3.3V 供電;內置SSD1289 液晶控制器;液晶屏分辨率為240×320 像素;屏幕顏色26 萬色;屏幕尺寸為57mm×79mm， 有效顯示面積為51mm×65mm.SSD1289 液晶控制器由16 位并行數(shù)據(jù)接口、內部控制器和LCD 驅動器組成。液晶數(shù)據(jù)傳輸方式為16 位并行方式，LPC2148 的16 根I/ O 口線分別接液晶模塊的DB0~DB15.PWM 為亮度驅動控制輸入，經(jīng)9013 三極管放大后作為液晶背光。

　　觸摸屏部分由觸摸傳感部件和觸摸屏控制器ADS7843( U2) 組成。

　　圖2 液晶模塊及觸摸電路原理

　　觸摸傳感部件是一個四線電阻屏幕，屏上引出四根線，分別對應X 軸和Y 軸各兩根。測量X 方向的時候，將X + ， X- 之間加上參考電壓Vref ， Y- 斷開，Y + 作為A / D 輸入，獲得X 方向的電壓;同理測量Y 方向的時候，將Y+ ， Y- 之間加上參考電壓Vref，X - 斷開，X + 作為A/ D 輸入，進行A/ D轉換獲得Y 方向的電壓，之后再完成電壓與坐標的換算，整個過程類似一個電位器，觸摸不同的位置分得不同的電壓。

　　以上所需要的參考電壓、A/ D轉換等工作由觸摸屏控制器ADS7843 直接完成的，微處理器只需將相應的控制命令傳輸?shù)紸DS7843 即可，以獲得相應電壓的數(shù)據(jù)。

　　ADS7843是TI公司生產的四線電阻觸摸屏轉換接口芯片。它是一款具有同步串行接口的12 位取樣模數(shù)轉換器。在125kHz 吞吐速率和2.7V 電壓下，功耗為750LW.在關閉模式下，功耗僅為0.5LW.由于具有低功耗和高速等特性，被廣泛應用在電池供電的小型手持設備上。

　　ADS7843 與LPC2148的連結關系如圖3 所示。ADS7843工作電壓+ 3.3V， 轉換器的模擬輸入( X+ 、Y+ 、X- 、Y- )是一個4 通道多路器;DCLK(第4 引腳) 是外部時鐘輸入引腳;CS(第3 引腳) 是片選輸入端，低電平有效; DIN(第2引腳) 是串行輸入，控制數(shù)據(jù)通過該引腳輸入;DOUT第16 引腳)是串行數(shù)據(jù)輸出，用于輸出轉換后的觸摸位置數(shù)據(jù)，最大數(shù)為二進制的4095; PENIRQ(第15 引腳) 是PEN中斷，用于觸摸顯示屏后引發(fā)一個中斷。

　　2.2 微處理器控制電路

　　原理如圖3 所示。

　　圖3 微處理器控制電路原理圖

　　(1)LPC2148微處理器

　　ARM 處理器占有市場份額高，具有性能高、成本低、能耗省等特點。圖3 中LPC2148(U3)是PHILIPS 半導體公司推出的一個基于ARM7TDMI- S 核、支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32 位嵌入式ARM7 微處制器。該處理器內置了寬范圍的串行通信接口、14 通道10 位ADC、1 通道10 位DAC、45 個高速GPIO 線以及多達9 個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳。處理器集成有40kB 的片內SRAM、512kB 嵌入的高速Flash 存儲器，128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32 位代碼能夠在最大時鐘速率下運行， 為通信網(wǎng)關、協(xié)議轉換器、軟件modem、語音識別、低端成像等應用提供大規(guī)模的緩沖區(qū)和強大的處理功能，適合于彩色液晶的圖片處理和數(shù)據(jù)存儲。

　　(2)復位和晶振電路

　　LPC2148 第57 腳為復位信號輸入端，采用低電平復位，由C3、R9、R10、K1 構成的復位電路為系統(tǒng)提供上電復位和強制復位功能，K1 為系統(tǒng)強制復位按鍵。晶振電路由X1(12MH z) 、C7、C8 構成，支持微控制器芯片內部PLL 及ISP功能;X2(321 768KH z) 、C9、C10 為RTC(實時時鐘) 提供基準時鐘。

　　(3) 資源分配

　　LPC2148 的P0.8~ P0.23 作為16 位數(shù)據(jù)線( D0~ D15) ，經(jīng)JP1 插座與液晶模塊的DB0 ~ DB15 連接;P0.0、P0.26、P0.28~ P0.31 作為液晶模塊的控制口線使用，經(jīng)JP1 分別與液晶模塊的PWM、CS、RESET 、RS、RD 和WR 連接;P0.27、P1.16~ P1.20 用于觸摸屏控制，通過JP1 的連接分別接ADS7843 的BUSY、7843- CS ( CS ) 、DCLK、DIN、INT( PENIRQ) 和DOUT 引腳。

　　P1.26~ P1.31 作為JTAG 功能使用，JP2 為微處理器JTAG 程序調試及下載端口。

　　P0.25 作為蜂鳴器控制口線，蜂鳴器電路用于液晶觸摸或顯示時發(fā)出蜂鳴聲響，作為人機對話的輔助功能。蜂鳴器使用PNP 三極管8550(Q2)進行驅動，其放大倍數(shù)高(hFE =300)，基級偏置電阻R8 為1k， 當輸入低電平時，Q1 為深度飽和導通，可為蜂鳴器提供足夠的電流。

　　(4) 電源電路

　　LPC2148 為單電源供電，CPU 操作電壓為3.0~ 3.6V。

　　電路采用+ 3.3V 供電，外接+ 5V 直流電源經(jīng)AMS1117(U4) 穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后，輸出+ 3.3V 電壓，給液晶模塊和ADS7843 供電。AMS1117 的特點是輸出電流大( 800mA) ，輸出電壓精度在1%以內，具有電流限制和熱保護功能，穩(wěn)定性好。C4、C5、C6 均為電源濾波電容。

　　3 軟件編程

　　3.1 對液晶屏的C 程序設計

　　液晶屏的軟件設計采用C 語言編程。包括液晶屏初始化、寫液晶控制字、寫液晶數(shù)據(jù)子程序、讀液晶液晶數(shù)據(jù)、全屏顯示單色、指定位置顯示漢字和字符、指定位置顯示圖片、清屏等子程序。

　　寫液晶數(shù)據(jù)子程序為：

　　3.2 對觸摸屏的C 程序設計

　　觸摸屏的程序設計主要是確定其位置坐標與液晶屏上位置坐標的對應關系，通過一定的算法把觸摸屏觸摸信息轉化為液晶屏上的位置坐標。液晶屏像素為240×320， 從觸摸屏接收到的X 值不在0~ 320 范圍變化、Y 值也不在0~ 240范圍變化， 在觸摸屏的邊緣區(qū)域，X 、Y 方向輸出數(shù)據(jù)變化較大，是非線性關系，坐標值在中間大部分范圍內基本是成線性變化的。為了較準確的進行坐標轉換，可采用線性求值和查表相結合的方式進行坐標轉換。

　　觸摸屏的C 程序設計主要包括觸摸屏初始化子函數(shù)、讀A/ D 轉換值子函數(shù)、坐標原始值子函數(shù)和坐標轉換子函數(shù)。

　　與ADS7843 相關的引腳C 程序預處理為：

　　讀A/ D 轉換值子函數(shù)：

　　4 結束語

　　在嵌入式智能設備中，用液晶觸摸屏取代傳統(tǒng)的按鍵、LED 等人機對話部件，具有操作簡便、界面友好及功能較強等優(yōu)點。隨著LCD 液晶屏價格的進一步下降，液晶觸摸屏有著更寬廣的應用市場，基于ARM 微處理器與液晶觸摸屏的技術開發(fā)具有現(xiàn)實意義和社會經(jīng)濟價值。本系統(tǒng)以ARM7 處理器LPC2148 作為主控制器，與傳統(tǒng)單片機相比，具有較大的數(shù)據(jù)存儲容量和較快的圖片處理速度;液晶屏帶觸摸功能，大大增強了人機對話的交互能力;基于C 語言的編程方法有較強的實時性。所設計的液晶觸摸屏應用于ARM 嵌入式創(chuàng)新實訓系統(tǒng)和便攜式鐵路平調裝置故障檢測儀，觸摸鍵反應靈敏，與ARM7 處理器接口電路運行可靠，驗證了系統(tǒng)設計的可行性，具有較高的實際應用價值。