四线电阻触摸屏的工作原理

四线电阻触摸屏的工作原理摘要：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。2.1ADS7843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2.7~5V，参考电压VREF为1V~+VCC，转换电压的输入范围为0~VREF，最高转换速率为125kHz。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。2.2ADS7843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。2.3ADS7843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。2.4A/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DCLKBITP1.3CSBITP1.4DINBITP1.5BUSYBITP1.6DOUTBITP1.7;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CH3EQU0A4HCH4EQU0E4HAD_CHEQU35H;信道选择寄存器AD_DATAHEQU36H;存放12bitA/D值AD_DATALEQU37H;存放信道CHX+的A/D值CHX_AdHEQU38HCHX_AdLEQU39H;存放信道CHY+的A/D值CHY_AdHEQU3AHCHY_AdLEQU3BH;===============================;采集信道CHX+的程序段(CHXAD)CHXAD:MOVAD_CH,#CHXLCALLAD_RUNMOVCHX_AdH,AD_DATAHMOVCHX_AdL,AD_DATALRET;采集信道CHY+的程序段(CHYAD)CHYAD:MOVAD_CH,#CHYLCALLAD_RUNMOVCHY_AdH,AD_DATAHMOVCHY_AdL,AD_DATALRET;=====================================;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;12bit的A/D转换值;使用:R2;辅助工作寄存器AD_RUN:CLRCS;芯片允许CLRDCLKMOVR2,#8;先写8bit命令字MOVA,AD_CHAD_LOOP:MOVC,ACC.7MOVDIN,C;时钟上升沿锁存DINSETBDCLK;开始发送命令字CLRDCLK;时钟脉冲，一共24个RLADJNZR2,AD_LOOPNOPNOPNOPNOPADW0:JNBBUSY,AD_WAIT;等待转换完成SJMPADW1AD_WAIT:LCALLWATCHDOGNOPSJMPADW0CLRDINADW1:MOVR2,#12;开始读取12bit结果SETBDCLKCLRDCLKAD_READ:SETBDCLKCLRDCLK;用时钟的下降沿读取MOVA,AD_DATALMOVC,DOUTRLCAMOVAD_DATAL,AMOVA,AD_DATAHRLCAMOVAD_DATAH,ADJNZR2,AD_READMOVR2,#4;最后是没用的4个时钟IGNORE:SETBDCLKCLRDCLKDJNZR2,IGNORESETBCS;禁止芯片ANLAD_DATAH,#0FH;屏蔽高4bitRET2.5A/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DragonBall)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。