触摸屏的基本工作原理及应用
日期：2011-1-19 13:29:37 点击：
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典型触摸屏的工作部分一般由三部分组成，如图1所示：两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极。阻性导体层选用阻性材料，如铟锡氧化物(ITO)涂在衬底上构成，上层衬底用塑料，下层衬底用玻璃。隔离层为粘性绝缘液体材料，如聚脂薄膜。电极选用导电性能极好的材料(如银粉墨)构成，其导电性能大约为ITO的1000倍。
触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络，如图2所示。当某一层电极加上电压时，会在该网络上形成电压梯度。如有外力使得上下两层在某一点接触，则在电极未加电压的另一层可以测得接触点处的电压，从而知道接触点处的坐标。比如，在顶层的电极(X ,X－)上加上电压，则在顶层导体层上形成电压梯度，当有外力使得上下两层在某一点接触，在底层就可以测得接触点处的电压，再根据该电压与电极(X )之间的距离关系，知道该处的X坐标。然后，将电压切换到底层电极(Y ,Y－)上，并在顶层测量接触点处的电压，从而知道Y坐标。
2 触摸屏的控制实现
现在很多PDA应用中，将触摸屏作为一个输入设备，对触摸屏的控制也有专门的芯片。很显然，触摸屏的控制芯片要完成两件事情：其一，是完成电极电压的切换；其二，是采集接触点处的电压值(即A/D)。本文以BB (Burr-Brown)公司生产的芯片ADS7843为例，介绍触摸屏控制的实现。
2.1 ADS7843的基本特性与典型应用
ADS7843是一个内置12位模数转换、低导通电阻模拟开关的串行接口芯片。供电电压2.7~5 V，参考电压VREF为1 V~ VCC，转换电压的输入范围为0~ VREF，最高转换速率为125 kHz。ADS7843的引脚配置如图3所示。表1为引脚功能说明，图4为典型应用。
2.2 ADS7843的内部结构及参考电压模式选择
ADS7843之所以能实现对触摸屏的控制，是因为其内部结构很容易实现电极电压的切换，并能进行快速A/D转换。图5所示为其内部结构，A2~A0和SER/为控制寄存器中的控制位，用来进行开关切换和参考电压的选择。
ADS7843支持两种参考电压输入模式：一种是参考电压固定为VREF，另一种采取差动模式，参考电压来自驱动电极。这两种模式分别如图6(a)、(b)所示。采用图6(b)的差动模式可以消除开关导通压降带来的影响。表2和表3为两种参考电压输入模式所对应的内部开关状况。
2.3 ADS7843的控制字及数据传输格式
ADS7843的控制字如表4所列，其中S为数据传输起始标志位，该位必为"1"。A2~A0进行通道选择(见表2和3)。
MODE用来选择A/D转换的精度，"1"选择8位，"0"选择12位。
SER/选择参考电压的输入模式(见表2和3)。PD1、PD0选择省电模式：
"00"省电模式允许，在两次A/D转换之间掉电，且中断允许；
"01"同"00"，只是不允许中断；
"10"保留；
"11"禁止省电模式。
为了完成一次电极电压切换和A/D转换，需要先通过串口往ADS7843发送控制字，转换完成后再通过串口读出电压转换值。标准的一次转换需要24个时钟周期，如图7所示。由于串口支持双向同时进行传送，并且在一次读数与下一次发控制字之间可以重叠，所以转换速率可以提高到每次16个时钟周期，如图8所示。如果条件允许，CPU可以产生15个CLK的话(比如FPGAs和ASICs),转换速率还可以提高到每次15个时钟周期，如图9所示。
2.4 A/D转换时序的程序设计
ADS7843的典型应用如图4所示。假设μP接口与51单片机的P1.3~P1.7相连，现以一次转换需24个时钟周期为例，介绍A/D转换时序的程序设计。
; A/D 接口控制线
DCLK BIT P1.3
CS BIT P1.4
DIN BIT P1.5
BUSY BIT P1.6
DOUT BIT P1.7
; A/D 通道选择命令字和工作寄存器
CHX EQU 094H ;通道X 的选择控制字
CHY EQU 0D4H;通道Y 的选择控制字
CH3 EQU 0A4H
CH4 EQU 0E4H
AD_CH EQU 35H ;通道选择寄存器
AD_RESULTH EQU 36H ;存放12 bit A/D值
AD_RESULTL EQU 37H
; 存放通道CHX 的A/D值
CHXAdResultH EQU 38H
CHXAdResultL EQU 39H
; 存放通道CHY 的A/D值
CHYAdResultH EQU 3AH
CHYAdResultL EQU 3BH
; 采集通道CHX 的程序段(CHXAD)
CHXAD: MOV AD_CH,#CHX
LCALL AD_RUN
MOV CHXAdResultH,AD_RESULTH
MOV CHXAdResultL,AD_RESULTL
RET
; 采集通道CHY 的程序段(CHYAD)
CHYAD: MOV AD_CH,#CHY
LCALL AD_RUN
MOV CHYAdResultH,AD_RESULTH
MOV CHYAdResultL,AD_RESULTL
RET
; A/D转换子程序(AD_RUN)
; 输入: AD_CH-模式和通道选择命令字
; 输出: AD_RESULTH,L ;12 bit的A/D转换值
; 使用: R2 ;辅助工作寄存器
AD_RUN:
CLR CS ; 芯片允许
CLR DCLK
MOV R2,#8 ;先写8 bit命令字
MOV A,AD_CH
AD_LOOP:
MOV C, ACC.7
MOV DIN,C ;时钟上升沿锁存DIN
SETB DCLK ;开始发送命令字
CLR DCLK ;时钟脉冲，一共24个
RL A
DJNZ R2,AD_LOOP
NOP
NOP
NOP
NOP
ADW0: JNB BUSY,AD_WAIT ;等待转换完成
SJMP ADW1
AD_WAIT:
LCALL WATCHDOG
NOP
SJMP ADW0
CLR DIN
ADW1: MOV R2,#12 ;开始读取12bit结果
SETB DCLK
CLR DCLK
AD_READ:
SETB DCLK
CLR DCLK ;用时钟的下降沿读取
MOV A,AD_RESULTL
MOV C,DOUT
RLC A
MOV AD_RESULTL,A
MOV A,AD_RESULTH
RLC A
MOV AD_RESULTH,A
DJNZ R2,AD_READ
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典型触摸屏的工作部分一般由三部分组成，如图1所示：两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极。阻性导体层选用阻性材料，如铟锡氧化物(ITO)涂在衬底上构成，上层衬底用塑料，下层衬底用玻璃。隔离层为粘性绝缘液体材料，如聚脂薄膜。电极选用导电性能极好的材料(如银粉墨)构成，其导电性能大约为ITO的1000倍。
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触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络，如图2所示。当某一层电极加上电压时，会在该网络上形成电压梯度。如有外力使得上下两层在某一点接触，则在电极未加电压的另一层可以测得接触点处的电压，从而知道接触点处的坐标。比如，在顶层的电极(X ,X－)上加上电压，则在顶层导体层上形成电压梯度，当有外力使得上下两层在某一点接触，在底层就可以测得接触点处的电压，再根据该电压与电极(X )之间的距离关系，知道该处的X坐标。然后，将电压切换到底层电极(Y ,Y－)上，并在顶层测量接触点处的电压，从而知道Y坐标。
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2 触摸屏的控制实现
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现在很多PDA应用中，将触摸屏作为一个输入设备，对触摸屏的控制也有专门的芯片。很显然，触摸屏的控制芯片要完成两件事情：其一，是完成电极电压的切换；其二，是采集接触点处的电压值(即A/D)。本文以BB (Burr-Brown)公司生产的芯片ADS7843为例，介绍触摸屏控制的实现。
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2.1 ADS7843的基本特性与典型应用
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ADS7843是一个内置12位模数转换、低导通电阻模拟开关的串行接口芯片。供电电压2.7~5 V，参考电压VREF为1 V~ VCC，转换电压的输入范围为0~ VREF，最高转换速率为125 kHz。ADS7843的引脚配置如图3所示。表1为引脚功能说明，图4为典型应用。
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2.2 ADS7843的内部结构及参考电压模式选择
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ADS7843之所以能实现对触摸屏的控制，是因为其内部结构很容易实现电极电压的切换，并能进行快速A/D转换。图5所示为其内部结构，A2~A0和SER/为控制寄存器中的控制位，用来进行开关切换和参考电压的选择。
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ADS7843支持两种参考电压输入模式：一种是参考电压固定为VREF，另一种采取差动模式，参考电压来自驱动电极。这两种模式分别如图6(a)、(b)所示。采用图6(b)的差动模式可以消除开关导通压降带来的影响。表2和表3为两种参考电压输入模式所对应的内部开关状况。
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2.3 ADS7843的控制字及数据传输格式
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ADS7843的控制字如表4所列，其中S为数据传输起始标志位，该位必为"1"。A2~A0进行通道选择(见表2和3)。
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MODE用来选择A/D转换的精度，"1"选择8位，"0"选择12位。
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SER/选择参考电压的输入模式(见表2和3)。PD1、PD0选择省电模式：
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"00"省电模式允许，在两次A/D转换之间掉电，且中断允许；
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"01"同"00"，只是不允许中断；
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"10"保留；
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"11"禁止省电模式。
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为了完成一次电极电压切换和A/D转换，需要先通过串口往ADS7843发送控制字，转换完成后再通过串口读出电压转换值。标准的一次转换需要24个时钟周期，如图7所示。由于串口支持双向同时进行传送，并且在一次读数与下一次发控制字之间可以重叠，所以转换速率可以提高到每次16个时钟周期，如图8所示。如果条件允许，CPU可以产生15个CLK的话(比如FPGAs和ASICs),转换速率还可以提高到每次15个时钟周期，如图9所示。
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2.4 A/D转换时序的程序设计
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ADS7843的典型应用如图4所示。假设μP接口与51单片机的P1.3~P1.7相连，现以一次转换需24个时钟周期为例，介绍A/D转换时序的程序设计。
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; A/D 接口控制线
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DCLK BIT P1.3
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CS BIT P1.4
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DIN BIT P1.5
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BUSY BIT P1.6
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DOUT BIT P1.7
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; A/D 通道选择命令字和工作寄存器
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CHX EQU 094H ;通道X 的选择控制字
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CHY EQU 0D4H;通道Y 的选择控制字
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CH3 EQU 0A4H
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CH4 EQU 0E4H
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AD_CH EQU 35H ;通道选择寄存器
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AD_RESULTH EQU 36H ;存放12 bit A/D值
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AD_RESULTL EQU 37H
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; 存放通道CHX 的A/D值
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CHXAdResultH EQU 38H
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; 存放通道CHY 的A/D值
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CHYAdResultL EQU 3BH
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; 采集通道CHX 的程序段(CHXAD)
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CHXAD: MOV AD_CH,#CHX
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LCALL AD_RUN
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MOV CHXAdResultH,AD_RESULTH
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MOV CHXAdResultL,AD_RESULTL
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RET
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; 采集通道CHY 的程序段(CHYAD)
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CHYAD: MOV AD_CH,#CHY
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LCALL AD_RUN
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MOV CHYAdResultH,AD_RESULTH
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MOV CHYAdResultL,AD_RESULTL
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; 输出: AD_RESULTH,L ;12 bit的A/D转换值
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; 使用: R2 ;辅助工作寄存器
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AD_RUN:
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CLR CS ; 芯片允许
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CLR DCLK
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MOV R2,#8 ;先写8 bit命令字
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MOV A,AD_CH
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AD_LOOP:
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MOV C, ACC.7
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MOV DIN,C ;时钟上升沿锁存DIN
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SETB DCLK ;开始发送命令字
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CLR DCLK ;时钟脉冲，一共24个
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DJNZ R2,AD_LOOP
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NOP
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ADW0: JNB BUSY,AD_WAIT ;等待转换完成
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SETB DCLK
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CLR DCLK ;用时钟的下降沿读取
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MOV A,AD_RESULTL
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MOV C,DOUT
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RLC A
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MOV A,AD_RESULTH
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MOV AD_RESULTH,A
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