用ADS7846設(shè)計(jì)嵌入系統(tǒng)的觸摸屏

摘  要： 本文以電阻式觸摸屏和觸摸屏控制器ADS7846為例介紹觸摸屏及其控制器的原理，并以一個(gè)應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明如何用觸摸屏及其控制器構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)的輸入系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞： 觸摸屏；觸摸屏控制器；嵌入式系統(tǒng)

系統(tǒng)組成
觸摸屏輸入系統(tǒng)由觸摸屏、觸摸屏控制器和微控制器三部分組成。圖1示出了一個(gè)實(shí)際的觸摸屏輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)中觸摸屏采用四線(xiàn)電阻式觸摸屏，觸摸屏控制器采用TI(BB)公司的ADS7846。
觸摸屏
觸摸屏附著在顯示器的表面，與顯示器相配合使用，如果能測(cè)量出觸摸點(diǎn)在屏幕上的坐標(biāo)位置，則可根據(jù)顯示屏上對(duì)應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)的顯示內(nèi)容或圖符獲知觸摸者的意圖。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(xiàn)式、表面聲波式，其中電阻式觸摸屏在嵌入式系統(tǒng)中用的較多。電阻觸摸屏是一塊4層的透明的復(fù)合薄膜屏(圖2)，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，中間是兩層金屬導(dǎo)電層，分別在基層之上和塑料層內(nèi)表面，在兩導(dǎo)電層之間有許多細(xì)小的透明隔離點(diǎn)把它們隔開(kāi)。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)電層是觸摸屏的兩個(gè)工作面，在每個(gè)工作面的兩端各涂有一條銀膠，稱(chēng)為該工作面的一對(duì)電極，若在一個(gè)工作面的電極對(duì)上施加電壓，則在該工作面上就會(huì)形成均勻連續(xù)的平行電壓分布。如圖1所示，當(dāng)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)。電阻式觸摸屏有四線(xiàn)和五線(xiàn)兩種。四線(xiàn)式觸摸屏的X工作面和Y工作面分別加在兩個(gè)導(dǎo)電層上，共有四根引出線(xiàn)，分別連到觸摸屏的X電極對(duì)和Y電極對(duì)上。五線(xiàn)式觸摸屏把X工作面和Y工作面都加在玻璃基層的導(dǎo)電涂層上，但工作時(shí)，仍是分時(shí)加電壓的，即讓兩個(gè)方向的電壓場(chǎng)分時(shí)工作在同一工作面上，而外導(dǎo)電層則僅僅用來(lái)充當(dāng)導(dǎo)體和電壓測(cè)量電極。因此，五線(xiàn)式觸摸屏的引出線(xiàn)需要5根。

圖1 觸摸屏輸入系統(tǒng)的組成


圖2 觸摸屏的觸摸示意圖


圖3 ADS7846的功能框圖


圖4 測(cè)量關(guān)系


圖5  轉(zhuǎn)換時(shí)序


圖6筆中斷請(qǐng)求


圖7 軟件接口流程圖

ADS7846觸摸屏控制器
各種類(lèi)型的觸摸屏均有其相應(yīng)的控制器，如：ADS7846是四線(xiàn)式觸摸屏的控制器，而ADS7845是五線(xiàn)式觸摸屏的控制器?？刂破鞯闹饕δ苁欠謺r(shí)向X、Y電極對(duì)施加電壓，并把測(cè)量電極上的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)觸摸點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)。
ADS7846內(nèi)部有一個(gè)由多個(gè)模擬開(kāi)關(guān)組成的供電-測(cè)量電路網(wǎng)絡(luò)和12位的A/D轉(zhuǎn)換器(見(jiàn)圖3)。ADS7846根據(jù)微控制器發(fā)來(lái)的不同測(cè)量命令導(dǎo)通不同的模擬開(kāi)關(guān)，以便向工作面電極對(duì)提供電壓，并把相應(yīng)測(cè)量電極上的觸點(diǎn)坐標(biāo)位置所對(duì)應(yīng)的電壓模擬量引入A/D轉(zhuǎn)換器。在觸摸點(diǎn)X、Y坐標(biāo)的測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量電壓與測(cè)量點(diǎn)的等效電路如圖4所示，圖中P為測(cè)量點(diǎn)。
ADS7846與微控制器MMC2107之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的SPI口相連，由MMC2107啟動(dòng)3次SPI傳送來(lái)完成轉(zhuǎn)換，如圖5所示。第一次SPI傳送由MMC2107向ADS846發(fā)控制字，包括起始位、通道選擇、8/12位模式、差分/單端選擇和掉電模式選擇，接下來(lái)的兩次SPI傳送則是MMC2107從ADS7846取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)(最后四位自動(dòng)補(bǔ)零)，完成觸摸屏控制器和微控制器之間的一次通信。
筆中斷輸出
ADS7846通過(guò)筆中斷請(qǐng)求向MMC2107表示有觸摸發(fā)生。如圖6所示，當(dāng)沒(méi)有觸摸時(shí)，MOSFET①和②打開(kāi)、③關(guān)閉，則筆中斷輸出引腳通過(guò)外加的上拉電阻輸出為高。當(dāng)有觸摸時(shí)，①和③打開(kāi)、②關(guān)閉，則筆中斷輸出引腳通過(guò)③內(nèi)部連接到地而輸出為低，從而向MMC2107發(fā)中斷請(qǐng)求。

實(shí)際應(yīng)用舉例
觸摸屏輸入系統(tǒng)的硬件連線(xiàn)如圖1所示，當(dāng)有觸摸時(shí)ADS7846向MMC2107發(fā)中斷請(qǐng)求，由MMC2107響應(yīng)該中斷請(qǐng)求,啟動(dòng)圖５所示的通信過(guò)程，讀取ADS7846的轉(zhuǎn)換結(jié)果，從而得到觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)，其軟件流程如圖7所示，包括系統(tǒng)初始化(圖中省略)、中斷服務(wù)程序和ADS7846測(cè)量程序三部分。在ADS7846測(cè)量程序中，完成一次MMC2107和ADS7846之間的通信過(guò)程。
在測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)ADS7846的外時(shí)鐘為50KHz~60KHz時(shí)是比較適宜的。ADS7846只能作為SPI的從設(shè)備，各信號(hào)的時(shí)序是完全固定的，因此需要配置MMC2107 SPI接口信號(hào)的時(shí)序使之完全符合ADS7846的時(shí)序，尤其是從選擇信號(hào)SS#在一次通信過(guò)程中應(yīng)一直為低(見(jiàn)圖5)。
實(shí)際測(cè)量結(jié)果如表1、表2所示: 表1是在一條基本豎直的直線(xiàn)上等距離測(cè)量的幾個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，從表中可得X坐標(biāo)的斜率為64.25/mm，表2是一條基本水平的直線(xiàn)上等距離測(cè)量的幾個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，可知Y坐標(biāo)變化斜率為46.33/mm?！?