1 引言

触摸屏技术应用于智能仪表中可以直接在显示屏上进行触摸输入, 改善人机交互方式, 使用方便。触摸屏的工作原理根据使用的介质不同而不同, 常见的有电阻式、 电容式、 红外式、 声表面波式。电阻式触摸屏可由任意输入笔启动、 结构简单、 使用方便并且价格低廉, 所以这种触摸屏非常适合在智能仪表中使用, 本文介绍四线电阻式触摸屏的接口技术。

2 电阻式触摸屏原理

四线电阻式触摸屏由 3 层构成: 底层是绝缘层——玻璃基板, 上面涂有两层透明电阻层。每一电阻涂层各在 X/ Y 方向上有两条检测线, 共有 4 条检测线: X+ 、 X- 、 Y+ 、 Y- 。没有触摸信号时, 两层电阻层没有接触点, 互不导通; 当某一点被触摸时, 则在这一点上两层电阻短接, 测量 Y 轴方向阻值变化, 只需在Y+ 与 Y- 方向施加电压, 将 X+ 读出的压降值送入到A/ D 转换器, 经过 A/ D 转换即可得到相应的 Y轴坐标。同理, 测量 X 轴方向阻值变化, 则在 X 轴方向上施加电压, 读取 Y+ 的输出值到 A/ D 转换器即可。在智能仪表设计中, 触摸屏的接口技术主要有: 与内置A/ D 的单片机直接接口; 与专用 A/ D 的接口。

3 触摸屏与内置 A/ D的单片机接口技术

触摸屏与内置 A/ D 的单片机接口可以通过 4 个三极管或 MOS 管分别给 X、 Y 方向施加电压, 并通过A/ D通道读取 Y、 X 方向的电压值来实现。当单片机 P1. 1 电平为低、 P1. 2 电平为高时, 则对应的 PNP 三极管 TR1、 TR3 导通, TR2、 TR4 截止, Y轴电阻被施加电压, 单片机通过 X+ 读取 Y 轴数据到单片机的 A/ D 通道 AD1。而当 P1. 1 为高电平、 P1. 2为低电平时, 单片机从通道 AD0读入 X 轴数据。需要指出的是, 一般的单片机上自带的 A/ D 转换器输入阻抗较低( 一般为几 kΩ , 而触摸屏最大阻值为 500 Ω左右, 若对触摸屏输入的线性度、 精度有较高的要求, 还应在 A/ D输入通道前加入缓冲器。

 

对触摸屏输入 A/ D 的数据读取控制可采用定时查询方式和中断方式。定时查询时, 利用单片机内的定时器, 产生 20ms 的定时中断, CPU 响应定时器溢出中断, 给Y 轴施加电压, 从 X 轴读取A/ D值, 若未发现触摸输入, 结束中断; 若发现有触摸信号, 再给 X 轴施加电压, 从 Y 轴读取A/ D 值, 分别得到 Y、 X 方向的坐标, 结束中断。定时查询时, 无论是否有触摸输入, 每20ms就需中断一次, 需要占用 CPU 较多的时间。

 

为提高 CPU 的利用效率, 可以采用中断方式。当有触摸信号时便产生中断请求, CPU 响应中断, 分别读取 X、 Y 轴的 A/ D 值, 得到 X、 Y 坐标。笔中断产生电路, 给 Y 轴电阻施加电压, 在触摸屏的 X+ 输出端上拉一个 100 k8 电阻 R 1 和一个二极管, 当没有触摸信号时, 两层电阻没有导通点, 二极管没有接地,所以其正极输出 C 点的电平为高; 当有触摸信号时, 二极管通过触摸屏电阻接地, 由于触摸屏电阻相对于 R 1 很小, 则从 C 点输出的电平变低, 产生中断请求信号, 单片机响应这个中断请求信号后发出启动 A/ D转换的命令。但是在进行 Y 轴转换时, 由于二极管漏电流 I LEAKAGE 的影响使读数产生误差, 导致触摸 A 点时输出读数误差大, 触摸 B 点时误差小, 并且这个误差难以用软件进行补偿, 为了减小该偏移误差, 可以将笔中断信号通过 R 2 电阻上拉到 Active 信号, 当单片机接收笔中断进入中断服务程序后, 先置 Active 为低, 然后分别给 X、 Y 轴施加电压, 读取相应的 A/ D 通道, 得到 X、 Y 坐标, 然后置 Active 为高, 从中断服务程序返回。这样, 在进行 X、 Y 测量时, 二极管截止, 此时二极管漏电流的影响可以被忽略掉。因为CS为低电平时的最大输出为 0. 8V, 则 R 1 与 R 2 的选取可参照公式:

需要注意的是, R 2 要选取低阻值来尽量减小 Active 电平的下降沿时间。

触摸屏与内置 A/ D 的单片机接口设计简单, 成本低, 但触摸屏输入只能完成一些要求简单输入控制操作, 如菜单式选择等。如果要求进行诸如汉字手写输入等要求线性、 精度等较高的触摸屏输入, 就需要采用专用A/ D 接口。

4 触摸屏与专用 A/ D芯片的接口技术

4．1 ADS7843 工作原理及接口技术

ADS7843 是某公司专为四线电阻式触摸屏设计的专用接口芯片。它可以方便地与单片机接口, 对转换信号进行处理和计算。

它是一个具有可编程的 8 位或 12 位分辨率的逐次逼近型A/ D 转换器, 带有一个同步串行接口, 可支持高达 125kHz 的转换速率。它的工作电压 V cc 为217~ 5V, 参考电压在 1V 到 V cc 之间均可, 参考电压的数值决定转换器的输入电压范围。 它有 4 路模拟信号输入通道, X+ 、 Y+ 是触摸屏输入通道, IN3、 IN4 是两个辅助模拟输入通道。参考电压模式设置分为两种: 单端模式和差分模式。在单端模式中参考输入电压选取的是 V cc 和 GND, 由于内部的开关电阻压降影响转换结果带来误差, 所以转换器内部的低阻开关对转换精度有一定影响; 差分模式参考输入由未选中的输入通道 Y+ 、 Y- / X+ 、 X- 提供参考电源和地, 不管内部开关电阻如何变化, 其转换结果总与触摸屏的电阻成比例, 克服了内部开关电阻的影响, 但当转换频率很高时则增加了功耗, 需要考虑低功耗设计。

 

ADS7843 的笔中断控制就是当有触摸信号时, 发出一个中断信号 PENIRQ 告知单片机发控制字, 进行数据采集。当 A/ D 被设定为笔中断低功耗模式时, 一有触摸信号, ADS7843 立刻进入工作模式, 无需等待电源的上升。这种模式与连续工作方式相比可以极大的降低功耗, 从 750LW 到低于 0. 5LW. 模式的设定可通过对相应的控制字的设定来实现。

触摸屏在与 ADS7843接口时, 触摸屏输出的 4 条检测线依次与ADS7843 的 X+ 、 Y+ 、 X- 、 Y- 管脚直接相连, 通过 A/ D 芯片内部的 MOS 管来进行读取切换。笔中断控制信号 PENIRQ 可以通过电阻上拉到V cc, 但为了避免片内二极管漏电流影响, PENIRQ最好上拉到片选信号CS。当没有触摸信号时, PENIRQ管脚输出高电平; 当有触摸信号时, 单片机接收到PENIRQ管脚输出的低电平中断信号后, 先置CS为低电平选中 A/ D 转换器, 然后读取 X、 Y 轴的转换值, 再置CS为高, 消除了漏电流的影响。

4．2 ADS7843 与 AT89C2051的接口技术

某公司的 8 位 AT89C2051 单片机, 它与MCS- 51 系列产品兼容, 具有 2K 的 FLASH ROM, 15根 I/ O 口线, 使用方便灵活。 ADS7843 与AT 89C2051 的接口电路, 它们之间的接口信号包括:DCLK、 DIN、 DOUT 、 PENIRQ、 CS、 BUSY。

 

在图中, ADS7843 设置为差分模式, 它是根据接收的时钟信号 DCLK, DCLK、 DIN、 DOUT 3 个管脚进行同步串行输入或输出, 单片机通过自带的定时器设置时钟输出到 A/ D 转换器来实现同步。当有触摸信号时, A/ D 的 PENIRQ 管脚产生低电平中断请求信号, 单片机在接收到中断请求信号准备响应后, 先置输出 P1. 6 为低电平, 即CS= 0, 启动 A/ D 转换。在每个转换周期开始, 单片机通过P1. 5 管脚先发送8 位控制字到 A/ D 的串行输入 DIN, 然后 A/ D 进行相应的坐标转换, 同时其 BUSY 管脚电平变高, 转换完毕后,BUSY 管脚电平变低, 当单片机检测到这个/ 忙0信号由高变低后, 从 A/ D的串行输出口 DOUT 读取 12 位的转换数值。若转换周期结束, 又有触摸中断请求信号, 则继续进行转换; 若没有触摸中断请求信号, 则A/ D转换器进入低功耗模式, 等待下次转换。

5 A/ D的输入保护

为了防止静电释放或逆光源引发的高能量脉冲信号通过触摸屏耦合进入 A/ D 转换器, 从而造成集成电路损坏或性能下降, 在实际应用中, 还需要在触摸屏的X + 、 Y+ 输出引线与A/ D输入通道之间加入钳位二极管与铁氧体磁珠,。这样脉冲信号在进入A/ D 转换器之前先被滤除, 防止了脉冲信号的振幅超过电源电压而损害零件, 保护A/ D 不受损坏。

 

6 结论

针对四线电阻式触摸屏的接口技术, 设计了触摸屏与内置 A/ D 的单片机接口和与专用 A/ D 的接口技术以及A/ D 输入通道的保护技术等, 并在智能仪表研制中应用。实际应用表明: 电路稳定可靠, 简单实用。

 

参 考 文 献

[ 1] Skip Osgood, CK Ong, Rick Downs. TOU CH SCREEN CON -TROLLER TIPS. BURR - BROWN APPL ICATION BUL-LETIN, 2000.

[ 2] BURR- BROWN INC. ADS7843 DATA SHEET, 1998.

[ 3] 施保华, 金晓波, 秦娟英. DSP 芯片与触摸屏的接口控制. 电子技术应用, 2001( 1) :65- 66.

 

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