四线电阻触摸屏的工作原理详解

摘要：简要介绍触摸屏的结构及工作原理，并以Burr-Brown公司的触摸屏控制芯片ADS7843为例，介绍触摸屏应用的典型电路和操作。由于ADS7843内置12位A/D，理论上触摸屏的输入坐标识别精度为有效长宽的1/4096。

1 触摸屏的基本原理

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进行信道选择(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

DCLKBITP1.3

CSBITP1.4

DINBITP1.5

BUSYBITP1.6

DOUTBITP1.7

; A/D 信道选择命令字和工作寄存器

CHXEQU094H;信道X+的选择控制字

CHYEQU0D4H;信道Y+的选择控制字

CH3EQU0A4H

CH4EQU0E4H

AD_CHEQU35H;信道选择寄存器

AD_DATAHEQU36H;存放12 bit A/D值

AD_DATALEQU37H

; 存放信道CHX+的A/D值

CHX_AdHEQU38H

CHX_AdLEQU39H

; 存放信道CHY+的A/D值

CHY_AdHEQU3AH

CHY_AdLEQU3BH

;===============================

; 采集信道CHX+的程序段(CHXAD)

CHXAD:

MOVAD_CH,#CHX

LCALLAD_RUN

MOVCHX_AdH,AD_DATAH

MOVCHX_AdL,AD_DATAL

RET

; 采集信道CHY+的程序段(CHYAD)

CHYAD:

MOVAD_CH,#CHY

LCALLAD_RUN

MOVCHY_AdH,AD_DATAH

MOVCHY_AdL,AD_DATAL

RET

;=====================================

; A/D转换子程序(AD_RUN)

; 输入: AD_CH-模式和信道选择命令字

; 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:

CLRCS; 芯片允许

CLRDCLK

MOVR2,#8;先写8 bit命令字

MOVA,AD_CH

AD_LOOP:

MOVC, ACC.7

MOVDIN,C;时钟上升沿锁存DIN

SETBDCLK;开始发送命令字

CLRDCLK;时钟脉冲，一共24个

RL A

DJNZR2,AD_LOOP

NOP

NOP

NOP

NOP

ADW0:

JNBBUSY,AD_WAIT;等待转换完成

SJMPADW1

AD_WAIT:

LCALLWATCHDOG

NOP

SJMPADW0

CLRDIN

ADW1:

MOVR2,#12;开始读取12bit结果

SETBDCLK

CLRDCLK

AD_READ:

SETBDCLK

CLRDCLK;用时钟的下降沿读取

MOVA,AD_DATAL

MOVC,DOUT

RLCA

MOVAD_DATAL,A

MOVA,AD_DATAH

RLCA

MOVAD_DATAH,A

DJNZR2,AD_READ

MOVR2,#4;最后是没用的4个时钟

IGNORE:

SETBDCLK

CLRDCLK

DJNZR2,IGNORE

SETBCS;禁止芯片

ANLAD_DATAH,#0FH;屏蔽高4 bit

RET

2.5 A/D转换结果的资料格式

ADS7843转换结果为二进制格式。需要说明的是，在进行公式计算时，参考电压在两种输入模式中是不一样的。而且，如果选取8位的转换精度，1LSB=VREF/256，一次转换完成时间可以提前4个时钟周期，此时串口时钟速率也可以提高一倍。

结束语

在许多嵌入式系统中，CPU提供专门的模块来支持液晶显示和触摸屏的输入，使得接口非常简单。比如，MOTOROLA的MC68VZ328(称为DragON Ball)就提供专门的引脚来支持8位和4位的液晶显示，对触摸屏的支持通过SPI2借助ADS7843也很容易完成。