基于ADS7846的電阻式觸摸屏設(shè)計(jì)
周偉
（電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院2003級(jí)研究生2班 610054）
摘要：本文介紹了電阻式觸摸屏的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，詳細(xì)闡述了ADS7846在電阻式觸摸屏驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中的作用以及基本的觸摸屏坐標(biāo)定位算法，并分析了影響觸摸屏定位精度的原因，探討了提高定位精度的方法。
關(guān)鍵詞：觸摸屏，坐標(biāo)定位，坐標(biāo)變換,電磁兼容
1．前言
隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人性化設(shè)計(jì)的重要性越來(lái)越凸現(xiàn)出來(lái)。由于觸摸屏可以使操作簡(jiǎn)單直觀，因此越來(lái)越多的手持產(chǎn)品，公共服務(wù)類設(shè)備采用觸摸屏。觸摸屏有電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、表面聲波式觸摸屏、紅外線觸摸屏等多種。電阻式觸摸屏是目前應(yīng)用比較廣泛的一種，有四線、五線、七線等幾種。
2．電阻式觸摸屏的工作原理
2.1 電阻式觸摸屏結(jié)構(gòu)
典型觸摸屏的工作部分一般由三部分組成，如圖1所示,這一個(gè)電阻式觸摸屏的橫截面，兩層透明的電阻性導(dǎo)體層(玻璃)、兩層導(dǎo)體之間的隔離層(隔離玻璃珠)、以及電阻性涂層。電阻性導(dǎo)體層必須選用阻性材料，如銦錫氧化物(ITO)涂在襯底上構(gòu)成，上層襯底用塑料，下層襯底用玻璃。隔離層為粘性絕緣液體材料，如聚脂薄膜。電極選用導(dǎo)電性能極好的材料(如銀粉墨)構(gòu)成，其導(dǎo)電性能大約為ITO的1000倍。
2．2 電阻式觸摸屏原理
電阻式觸摸屏是一種傳感器，它將矩形區(qū)域中觸摸點(diǎn)(X,Y)的物理位置轉(zhuǎn)換為代表X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的電壓。當(dāng)觸摸屏表面受到的壓力(如通過(guò)筆尖或手指進(jìn)行按壓)足夠大時(shí)，頂層與底層之間會(huì)產(chǎn)生接觸。所有的電阻式觸摸屏都采用分壓器原理來(lái)產(chǎn)生代表X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的電壓。如圖2所示，分壓器是通過(guò)將兩個(gè)電阻進(jìn)行串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。上面的電阻(R1)連接正參考電壓(VREF)，下面的電阻(R2)接地。兩個(gè)電阻連接點(diǎn)處的電壓測(cè)量值與下面那個(gè)電阻的阻值成正比。 為了在電阻式觸摸屏上的特定方向測(cè)量一個(gè)坐標(biāo)，需要對(duì)一個(gè)阻性層進(jìn)行偏置：將它的一邊接VREF，另一邊接地。同時(shí)，將未偏置的那一層連接到一個(gè)ADC的高阻抗輸入端。當(dāng)觸摸屏上的壓力足夠大，使兩層之間發(fā)生接觸時(shí)，電阻性表面被分隔為兩個(gè)電阻。它們的阻值與觸摸點(diǎn)到偏置邊緣的距離成正比。觸摸點(diǎn)與接地邊之間的電阻相當(dāng)于分壓器中下面的那個(gè)電阻。因此，在未偏置層上測(cè)得的電壓與觸摸點(diǎn)到接地邊之間的距離成正比。
3．ADS7846的基本特性與典型應(yīng)用
3．1 基本特性
ADS7846是ADI公司生產(chǎn)的一種四線式觸摸屏控制器，目前廣泛應(yīng)用于電阻式觸摸屏輸入系統(tǒng)中。ADS7846數(shù)字轉(zhuǎn)換器在一個(gè)12位逐次逼近式比較寄存器(SAR)ADC架構(gòu)上集成了用于驅(qū)動(dòng)觸摸屏的低通阻抗開(kāi)關(guān)。這些器件不使用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，當(dāng)以大于125kSaps的吞吐率運(yùn)行時(shí)的最大功耗小于1.4mW。它們還帶有10KeV到12KeV的模擬輸入ESD保護(hù)，增強(qiáng)了抗ESD能力，以避免關(guān)鍵的內(nèi)部系統(tǒng)元件損壞。使用單2.2V 到5.25V的電源工作。 AD7846串行接口的一次完整操作需要24個(gè)DCLK.，前8個(gè)脈沖接收8位的命令，并在第6個(gè)脈沖納仙乜疾裳擁?個(gè)脈沖開(kāi)始進(jìn)入轉(zhuǎn)換階段，輸出12位采樣值，轉(zhuǎn)換結(jié)束進(jìn)入空閑階段。直到24個(gè)DCLK結(jié)束，CS置高電平，一次測(cè)量結(jié)束。
3．2 電阻式觸摸屏的接口電路與坐標(biāo)值獲取
圖3為ADS7846與Philips ARM7芯片LPC2210的接口電路圖：
ADS7846芯片通過(guò)片內(nèi)模擬電子開(kāi)關(guān)的切換，將X+(Y+)端接正電源VCC，X-(Y-)接地，將X+(Y+)和X-(Y-)端以差動(dòng)形式接到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。當(dāng)用筆點(diǎn)擊觸摸屏的不同位置時(shí)，由于輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的電壓不同(見(jiàn)前面的分壓原理),經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后就得到筆觸點(diǎn)的輸出值，該輸出值與筆觸點(diǎn)的位置成近似線性關(guān)系。因此ADS7846就可以得到筆觸點(diǎn)在觸摸屏上的相對(duì)位置。
3．3誤差產(chǎn)生的原因及消除方法
對(duì)坐標(biāo)值精度產(chǎn)生影響的原因主要有：1，觸摸屏本身電阻材料的均勻性，由于材料均勻性的問(wèn)題，可能導(dǎo)致電壓分壓的不均勻，必然影響輸出的精度。2，觸摸在按下和釋放過(guò)程中的抖動(dòng)問(wèn)題。3，ADS7846模擬開(kāi)關(guān)的內(nèi)阻和A/D轉(zhuǎn)換器自身的轉(zhuǎn)換精度。4，ESD干擾問(wèn)題。
第一個(gè)和第三個(gè)問(wèn)題是器件的固有問(wèn)題，無(wú)法消除。對(duì)第二個(gè)問(wèn)題，我們可通過(guò)軟件進(jìn)行鍵削抖。采用兩次鍵值比較是一個(gè)較好的方法，具體工作原理是連續(xù)測(cè)量X 、Y坐標(biāo)值兩次，然后進(jìn)行比較，若相同或相差在允許的誤差范圍內(nèi)就認(rèn)為是有效鍵，否則為無(wú)效鍵。
關(guān)于ESD問(wèn)題，這個(gè)是設(shè)計(jì)時(shí)主要面對(duì)的問(wèn)題，具體措施主要采取一下幾點(diǎn)：
1、ADS7846的模擬地與系統(tǒng)的數(shù)字地不是一點(diǎn)相連。數(shù)字地干擾由公共阻抗耦合到ADS7846的模擬地，產(chǎn)生干擾造成抖動(dòng)。解決辦法是模擬地與數(shù)字地一點(diǎn)連接。
2、ADS7846的逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)電源及數(shù)字寫(xiě)入非常敏感，解決方法是在電源引腳附近放置一個(gè)10μF的旁路電容，在參考電壓輸入端也放置一個(gè)0.1μF的旁路電容。
3、在電磁干擾比較強(qiáng)的場(chǎng)合，為了防止觸摸屏的引腳產(chǎn)生的高頻干擾脈沖對(duì)ADS7846產(chǎn)生干擾，應(yīng)在關(guān)鍵引腳DCLK、DIN、DOUT對(duì)地接0.001μF的高頻整波電容。在PCB布線的時(shí)候屏到芯片的連線也應(yīng)該以短粗為主。
3.4 ADS7846控制字及數(shù)據(jù)傳送方式
控制字
ADS7846的控制字由表1所列，其中S為數(shù)據(jù)傳輸起始標(biāo)志位，該位必為“1”，A2～A0進(jìn)行通道選擇。MODE用來(lái)選擇A/D轉(zhuǎn)換的精度，“1”選擇8位，“0”選擇12位。SER/DFR選擇參考電壓的輸入模式。PD1、PD0選擇省電模式：“00”省電模式允許，在兩次A/D轉(zhuǎn)換之間掉電，且中斷允許；“01”同“00”但不允許中斷；“10”保留；“11”禁止省電模式。
表1 ADS7846控制字
| Bit7(MSB) | bit6 | bit5 | bit4 | bit3 | bit2 | bit1 | bit0 |
| S | A2 | A1 | A0 | MODE | SER/DFR | PD1 | PD0 |
4. 坐標(biāo)定位與坐標(biāo)變換
，最終可得觸點(diǎn)坐標(biāo)公式：
5 程序?qū)崿F(xiàn)流程以及注意事項(xiàng)
觸摸屏和微控制器之間的互動(dòng)通過(guò)外部中斷實(shí)現(xiàn)。在程序設(shè)計(jì)中重要功能塊包括以下幾個(gè)部分：
ADS7846的初始化，包括有： 初始化SPI寄存器、可編程定時(shí)器中斷和筆中斷；MCU外部中斷的配置；LCD控制器的初始化配置：LCD驅(qū)動(dòng)IC的一些初試化配置，一般由LCD的廠家提供；坐標(biāo)定位子程序；以及LCD逐點(diǎn)顯示子程序。程序設(shè)計(jì)中，需要注意觸摸抖動(dòng)和連擊問(wèn)題。可以采用延遲測(cè)量法來(lái)解決，即在接收到觸摸屏筆中斷時(shí)延遲一段時(shí)間（抖動(dòng)時(shí)30ms）后再測(cè)量，可消除抖動(dòng)；測(cè)量完后再次延遲一段時(shí)間（連擊延時(shí)300ms）后打開(kāi)筆中斷，可避免連擊現(xiàn)象出現(xiàn)。
6 結(jié)束語(yǔ)
討論了在電阻式觸摸屏開(kāi)發(fā)應(yīng)用中遇到的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題以及解決方法，電阻式觸摸屏的應(yīng)用既有硬件接口技術(shù)問(wèn)題，也有軟件處理方法的問(wèn)題。因此，要想使電阻式觸摸屏的使用取得良好的效果，確保硬件穩(wěn)定可靠，增強(qiáng)其抗干擾的能力是前提。而對(duì)于硬件上克服不了的問(wèn)題，可以用軟件處理的方法來(lái)解決。所討論的問(wèn)題解決方案均切實(shí)可行，且在實(shí)踐中取得了良好的應(yīng)用效果。
參考文獻(xiàn)
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[2] 倪天龍 鄧洪波 金連文
通過(guò)ADS7846在PDA上實(shí)現(xiàn)個(gè)性化書(shū)法輸入,電子技術(shù)應(yīng)用，2004年9月21日
[3] Paul Kovitz 電阻式觸摸屏結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)原理，夏普公司，2003年9月31日
