四線電阻式觸摸屏的工作原理及在激光治療儀中的應(yīng)用

隨著社會(huì)自動(dòng)化程度的提高，人機(jī)交互能力急需大的轉(zhuǎn)變，向著更方便使用、更直觀的方向發(fā)展。激光治療機(jī)主要應(yīng)用激光的物理特性作用于人體，產(chǎn)生機(jī)體化學(xué)反應(yīng)從而達(dá)到治療疾病的目的。激光治療機(jī)作為一種精密儀器需要精確的控制及防塵、防靜電、防潮等方面的嚴(yán)格要求。激光治療機(jī)輸入設(shè)備采用觸摸屏控制，既是基于以上要求也是從方便使用者操作和界面直觀的角度考慮的。觸摸屏的應(yīng)用使得數(shù)據(jù)的顯示和數(shù)據(jù)的輸入結(jié)合為一體，簡(jiǎn)化了整個(gè)設(shè)備。

1 觸摸屏原理

觸摸屏附著在顯示器的表面，與顯示器配合使用。通過(guò)觸摸產(chǎn)生模擬電信號(hào)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)由微處理器計(jì)算得出觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)，從而得到操作者的意圖并執(zhí)行。觸摸屏按其技術(shù)原理可分為五類(lèi)：矢量壓力傳感式、電阻式、電容式、紅外線式和表面聲波式，其中電阻式觸摸屏在實(shí)際應(yīng)用中用的較多。電阻式觸摸屏由4層的透明薄構(gòu)成，最下面是玻璃或有機(jī)玻璃構(gòu)成的基層，最上面是一層外表面經(jīng)過(guò)硬化處理從而光滑防刮的塑料層，附著在上下兩層內(nèi)表面的兩層為金屬導(dǎo)電層(OTI，氧化銦)，這兩層由細(xì)小的透明隔離點(diǎn)進(jìn)行絕緣。當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)，兩導(dǎo)電層在觸摸點(diǎn)處接觸。

觸摸屏的兩個(gè)金屬導(dǎo)電層分別用來(lái)測(cè)量X軸和Y軸方向的坐標(biāo)。用于X坐標(biāo)測(cè)量的導(dǎo)電層從左右兩端引出兩個(gè)電極，記為X+和X-。用于Y坐標(biāo)測(cè)量的導(dǎo)電層從上下兩端引出兩個(gè)電極，記為Y+和Y-。這就是四線電阻觸摸屏的引線構(gòu)成。當(dāng)在一對(duì)電極上施加電壓時(shí)，在該導(dǎo)電層上就會(huì)形成均勻連續(xù)的電壓分布。若在X方向的電極對(duì)上施加一確定的電壓，而Y方向電極對(duì)上不加電壓時(shí)，在X平行電壓場(chǎng)中，觸點(diǎn)處的電壓值可以在Y+(或Y-)電極上反映出來(lái)，通過(guò)測(cè)量Y+電極對(duì)地的電壓大小，便可得知觸點(diǎn)的X坐標(biāo)值。同理，當(dāng)在Y電極對(duì)上加電壓，而X電極對(duì)上不加電壓時(shí)，通過(guò)測(cè)量X+電極的電壓，便可得知觸點(diǎn)的Y坐標(biāo)。測(cè)量原理如圖1所示。

五線式觸摸屏與四線式不同。主要區(qū)別在于五線觸摸屏將其中一導(dǎo)電層的四端均引出來(lái)作為四個(gè)電極，另一導(dǎo)電層僅僅作為測(cè)量的導(dǎo)體輸出X向和Y向的電壓，測(cè)量時(shí)要交替在X向和Y向上施加電壓。

2 觸摸屏控制器工作原理

觸摸屏控制器有多種，主要的功能均是在微處理器的控制下向觸摸屏的兩個(gè)方向分時(shí)施加電壓，并將相應(yīng)的電壓信號(hào)傳送給自身A/D轉(zhuǎn)換器，在微處理器SPI口提供的同步時(shí)鐘作用下將數(shù)字信號(hào)讀入微處理器?？刂破鰽DS7846基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1觸摸點(diǎn)P處測(cè)量結(jié)果計(jì)算如下：

ADS7846內(nèi)部可以通過(guò)寄存器的設(shè)置將A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率設(shè)為8位或12位，在本系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率取12位。則P點(diǎn)的二進(jìn)制輸出代碼為：

其中： 為加在ADS7846內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器上的參考電壓。

觸摸屏控制器的運(yùn)行是通過(guò)串行數(shù)據(jù)輸入口DIN輸入控制命令進(jìn)行控制的。

bit7指明發(fā)送命令開(kāi)始，高電平有效。A2:A0用于選擇數(shù)據(jù)輸入通道，101選擇X坐標(biāo)測(cè)量，001選擇Y坐標(biāo)測(cè)量。MODE將內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為8位(MODE=1)或12位(MODE=0)。SER/DFR為單端/雙端參考電壓選擇位。PD1:PD0根據(jù)省電模式的需要進(jìn)行選擇設(shè)置。這些命令控制位的設(shè)置將在程序代碼部分得以應(yīng)用。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

激光治療機(jī)的輸入系統(tǒng)由三部分組成：觸摸屏、觸摸屏控制器和微控制器。微控制器采用Microchip公司的新型芯片PIC16F876。內(nèi)部總線采用哈佛雙總線結(jié)構(gòu)。在內(nèi)部頻率相同的情況下，加快了數(shù)據(jù)的傳輸速度，避免了瓶頸現(xiàn)象。此芯片采用精簡(jiǎn)指令集(RISC)易于使用，加快了開(kāi)發(fā)速度。內(nèi)部含有8KB程序存儲(chǔ)器(分頁(yè)操作)，256字節(jié)EEPROM，368字節(jié)RAM，8路模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1個(gè)通用串行口(SCI)，1個(gè)I2C接口，1個(gè)串行外圍接口(SPI)，3個(gè)定時(shí)器及看門(mén)狗電路(WathcDog)等許多重要資源。外圍許多接口功能上的復(fù)用使得整個(gè)微控制器簡(jiǎn)潔，功能強(qiáng)大。

根據(jù)ADS7846與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口特征，選用PIC16F876的SPI口。SPI口包括三個(gè)信號(hào)：SDO(串行數(shù)據(jù)輸出)，SDI(串行數(shù)據(jù)輸入)，SCK(串行同步時(shí)鐘)。硬件連接關(guān)系見(jiàn)圖3。

本文側(cè)重于激光治療儀輸入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其它硬件的設(shè)計(jì)僅給出接口的含義。由于PIC16F876的內(nèi)部集成度較高，所以外圍接口相當(dāng)簡(jiǎn)單，但是要完成復(fù)雜的控制功能必須進(jìn)行內(nèi)部寄存器的設(shè)置。

4 軟件設(shè)計(jì)

按照以上設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)了應(yīng)用軟件。圖4為主程序與觸摸屏輸入檢測(cè)部分的程序流程圖。其中，坐標(biāo)數(shù)據(jù)處理通常采用查表的方法，將用戶(hù)命令的坐標(biāo)形成數(shù)據(jù)表，利用獲得的坐標(biāo)信息進(jìn)行變換快速查表，從而提高軟件的運(yùn)行速度。

下面是PIC16F876同ADS7846接口的部分程序代碼。

CMDATA EQU 30H

XDATA_H EQU 31H

XDATA_L EQU 32H

YDATA_H EQU 33H

YDATA_L EQU 34H

;初始化寄存器

MOVLW 02H

MOVWF TRICB ;定義B口方向

MOVLW 90H

：2003-09-10)MOVWF TRISC ;定義C口方向

BCF SSPCON, 5

MOVLW 10H

MOVWF SSPCON ;初始化SSPCON

BSF SSPCON, 5 ;啟動(dòng)SPI

;獲取X,Y坐標(biāo)

GetXY

BCF PORTB, 0 ;選中ADS7846

MOVLW 0D4H ;獲取X坐標(biāo)命令

MOVWF SSPBUF ;發(fā)送命令

BUSY

BTFSC PORTB, 1 ;判忙?

GOTO BUSY

MOVF SSPBUF, W ;12位數(shù)據(jù)

MOVWF XDATA_H ;XDATA_H存放高字節(jié)

MOVF SSPBUF, W

MOVWF XDATA_L ;XDATA_L 存放低字節(jié)

…………………………… ;Y坐標(biāo)數(shù)據(jù)同樣處理

RETLW 0

結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使得輸入極其方便，而且外圍設(shè)備得到簡(jiǎn)化，在實(shí)際應(yīng)用中提高了人機(jī)交互的能力，收到良好的社會(huì)效益。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想不僅能夠應(yīng)用在醫(yī)療行業(yè)，而且能夠應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化以及手持設(shè)備等各行業(yè)。