采用I²C总线连接设计的触摸屏控制器

集成到LCD(通常为TFT)或作为PCB的一部分的触摸屏已成为现代手持设备的事实上的用户界面。这些透明或不透明的表面主要基于电阻和电容技术，取代机械开关，薄膜开关，圆顶开关和按钮，为嵌入式微型设备提供用户界面信息，远远超出按钮按压。

专用触摸屏接口芯片的出现有助于减轻主机处理器的负担并提供额外的功能。虽然它们可能会增加成本并需要更多的PCB空间，但它们使工程师能够更快地将设计推向市场，并采用经过高度测试和可靠的触摸技术。本文讨论I²C连接的触摸屏控制器。

超越连接性

用户界面远远超出了交换机和联系人关闭。例如，用于扩展视图，收缩视图或滚动的手势可以通过任何单个离散按钮或开关实现更多功能。圆周运动也取代了早期iPod流行的机械JOG环。使用模拟微调电阻器的滑块也正在被触敏技术取代。

所有这些功能和灵活性意味着需要更多的处理能力来检测，解码，去抖，并将用户意图传递给主机处理器。这意味着需要更高性能(和更昂贵)的处理器或专用控制器。

两者都是有效的方法。现代微控制器和微处理器通常具有很大的功率，并具有A/D和D/A转换器，以及可以实现基本触摸屏界面的运算放大器和比较器。但是，这种方法需要将实时和时间敏感的检测和响应编码到主处理器的负载时间表中。因此，这意味着更多的片上代码闪存，以及暂存器和缓冲RAM，这反过来可能意味着更大的更昂贵的微处理器。

尺寸通常是任何手持或便携式设备的驱动约束，因此如果需要大量I/O来实现触摸界面，则不合需要。根据经验，执行功能所需的微引脚数量越少，设计策略就越好。因此，串行接口用于将复杂功能连接到常驻微型计算机，而无需烧录宝贵的I/O引脚。

I²C是一种简单而有效的双线双向通信技术，它允许外围芯片执行复杂功能，同时仅使用主处理器的两条I/O线。这是一个如此简单的协议，如果微处理器没有内置专用的I²C硬件，它可以很容易地进行位操作。

正如您所料，这种普遍接受的标准用于允许专用触摸屏控制器接口芯片连接到具有最少数量I/O引脚的主机微控制器。此外，正如您所料，许多触摸屏控制器芯片都是专用处理器和片上系统(SoC)。这意味着虽然它们可以针对触摸界面进行优化，但是它们还可以执行其他系统功能，进一步减轻主处理器的负担。

以赛普拉斯CY8CTST200A-48LTXI基于PSoC的专用微控制器为例，这是一款8位，4 MIPS哈佛架构，基于M8C的微控制器，可编程用作专用触摸接口控制器(图1)。电容式感应IC采用公司的True Touch技术，包含参考驱动器，多路复用器，比较器，定时器以及实现各种触摸感应算法所需的逻辑，如正电荷积分，负电荷积分，逐次逼近，sigma delta电容式传感和张弛振荡器频率变化。

图1：赛普拉斯True Touch控制器中的嵌入式处理器可以运行各种触摸传感算法并通过I²C与主处理器通信时执行其他外围功能。

除I²C外，赛普拉斯的器件还具有USB，SPI和UART接口。凭借32 Kb的片上闪存和仅2 Kb的SRAM，核心处理器可根据您的特定触摸需求进行定制，作为专用触摸控制器。它很可能没有完全运行你的设计的马力，但它并不打算。它更像是一个可编程外围芯片，其核心是micro。

Atmel是Qtouch技术领域的另一个参与者。例如，Atmel AT42QT1060-MMUQS397适用于手机和智能手机，将触摸控制与基于PWM的LED驱动器相结合，将两个所需功能集成在一个封装中(图2)。

图2：除了监控触摸板外，Atmel Q-Touch还具有可调光LED驱动器。所有触摸事件和调光控制均超过I²C。

Qtouch技术基于数字突发模式电荷转移技术，可检测按钮中的电容变化。扩频频率的调制突发用于抑制RF发射并减少环境噪声的影响。这也有助于减少对手机中使用的敏感RF级的干扰。 Digi-Key的网站上提供了培训模块，详细介绍了Atmel Qtouch技术。

滑块

有趣的部分来自IDT，它的LDS6000NQGI8设计用于支持多达15个滑块和触摸环传感器。 IDT称其触摸技术为PureTouch，基于电容数字转换器，考虑使用内部500 KHz sigma delta开关矩阵(图3)。

图3：内置于IDT Pure Touch控制器的sigma delta开关矩阵针对多个滑块和微动环设计以及离散触摸区。

LDS6000N的一个很好的特性是它 - 芯片校准逻辑，持续监控环境以调整开关阈值，使输入更能抵抗噪声。除I²C外，LDS6000还有一个SPI端口，可以指定并用作外部输入状态选择的串行通信链路。

如果需要更高分辨率和更多传感器输入，您可能需要查看STMicroelectronics的STMPE24M31QTR。该部件基于该公司的S-Touch技术，最多支持24个传感器输入，滑块/滚轮分辨率为256级。它还具有8个PWM，可控制多达16个LED，具有亮度控制和闪烁功能。

I²C接口具有完整的400 Kbit/s数据速率，所有输入引脚均受到8 kV的ESD保护。该部件还具有16个通用I/O，主要针对移动电话，便携式媒体播放器，笔记本电脑和游戏机，但可用于任何电容式触摸系统。

ST提供STEVAL-ICB003V1评估套件，其中包含8个触摸按键，旋转编码器接口和4至7段LED显示屏(图4)。该公司还在线提供了一个培训模块，详细介绍了其电容式触摸传感解决方案。

图4：意法半导体的开发和评估板旨在展示前面板解决方案，包括该公司的Pure Touch技术。数据表中的参考设计演示了各种传感器，包括滑块，旋转编码器和液位传感器。

飞思卡尔半导体还有一个有趣的I²C触摸感应控制器。 MPR121QR2是该公司的第二代触摸屏控制器，最多可支持12个触摸板。

这一部分的一个很好的功能是内部滤波和去抖电路以及模拟电极，其中所有12个电荷一起充电，以允许更大的近距离检测距离和增加的感应区域。

在操作中，一旦获得电极电容数据，就确定电极触摸/释放状态，将其与电容基线值进行比较。电容基线由MPR121QR2跟踪，自动根据背景电容变化。

将基线值与当前的即时电极数据进行比较，以确定是否发生了触摸或释放。设计师可以设置触摸/释放阈值，以及触摸/释放去抖时间。这是为了消除由于噪声引起的抖动和误触摸。该器件还具有硬件可配置的I²C地址，因此您可以对共享相同I²C线的器件进行仲裁。有关飞思卡尔触摸技术的培训模块，请访问Digi-Key的网站。

总结

触摸传感技术可以可靠地替换机械按钮和开关，以消除机械磨损。现代触摸传感器可配置为简单的滑块，旋转轮和触摸板，为更直观的用户界面提供显着优势，为设计人员提供更大的自由度，同时降低整体系统成本。由I²C接口驱动的触摸传感器控制器消除了主机微控制器的处理负担，正如我们在几个部分示例中所见，也可以执行其他外设功能。