圖 1:手指和手寫(xiě)筆檢測(cè)功能讓電阻式觸摸屏更好用
本文將主要探討電阻觸摸屏技術(shù)的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題以及潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。
了解電子觸控傳感器的設(shè)計(jì)和控制器選型要求
因?yàn)殡娮栌|摸屏現(xiàn)在很容易買(mǎi)到,而且價(jià)格隨時(shí)間逐漸下降,所以此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。為了選擇最佳的觸摸屏技術(shù),應(yīng)用設(shè)計(jì)人員必須深入考慮應(yīng)用需求。電阻式觸摸屏技術(shù)只需一個(gè)簡(jiǎn)易的印刷電路板設(shè)計(jì),不像電容式和電感式觸摸屏技術(shù),需要在印刷電路板上設(shè)計(jì)電極或線圈蝕刻。因?yàn)橛|摸屏直接覆蓋在顯示屏上,所以可以節(jié)省機(jī)械開(kāi)關(guān)或電容式觸控鍵電極所需的印刷電路板空間。建議不要把電阻式觸摸屏用于惡劣的環(huán)境中,例如經(jīng)常爆炸或灰塵過(guò)多的礦區(qū)或工地。電阻式觸摸屏上很少的破損都會(huì)影響觸控精確度和線性。
電阻式觸摸屏工作原理
1. 電阻式觸摸屏是表面覆蓋觸摸響應(yīng)薄膜的透明玻璃板。
2. 電阻式觸摸屏面板有兩個(gè)電阻層(氧化銦錫)組成,中間是一層很薄的分隔層。
3. 電阻觸摸屏的兩個(gè)薄膜層組成一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò),充當(dāng)觸摸位置檢測(cè)功能的分壓電路。
4. 觸摸屏?xí)陔娮杈W(wǎng)絡(luò)組成的分壓器上引起電壓變化,這個(gè)電壓用于確定觸摸屏幕的觸點(diǎn)位置。
5. 觸摸屏控制器(TSC)把捕捉的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字觸摸坐標(biāo)信號(hào)。內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換通道,充當(dāng)測(cè)量模擬電壓的電壓計(jì)。
6. 在觸摸屏幕后,起到電壓計(jì)作用的觸摸控制器首先在X+點(diǎn)施加電壓梯度VDD,在X-點(diǎn)施加接地電壓GND。然后,檢測(cè)Y軸電阻上的模擬電壓,并把模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)值,用模數(shù)轉(zhuǎn)換器計(jì)算X坐標(biāo)(圖2)。在這種情況下,Y-軸變成感應(yīng)線。同樣地,在Y+和Y-點(diǎn)分施加電壓梯度,可以測(cè)量Y坐標(biāo)。
7. 某些觸摸控制器還支持觸摸壓力測(cè)量,即Z軸測(cè)量。測(cè)量Z軸坐標(biāo)時(shí),電壓梯度施加在Y+軸和X-軸上。
圖 2:電阻式觸摸屏:X 坐標(biāo)測(cè)量:
電阻觸感主要有兩種形式:軟件觸感解決方案和專(zhuān)用觸摸屏控制器芯片。
在軟件觸感解決方案中,微控制器須擔(dān)負(fù)所有的觸控檢測(cè)和坐標(biāo)計(jì)算任務(wù)?;谖⒖刂破鞯能浖惴ú捎脙?nèi)部的微控制器進(jìn)行觸摸位置電壓測(cè)量,執(zhí)行觸摸檢測(cè)功能和坐標(biāo)處理功能。
在專(zhuān)用觸摸屏控制器內(nèi),控制器向系統(tǒng)主機(jī)(微控制器)發(fā)起一個(gè)檢測(cè)觸摸事件的中斷請(qǐng)求,并輸出代表觸摸坐標(biāo)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。然后主處理器(MCU)讀取數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),執(zhí)行客戶期待的操作命令。
基于MCU計(jì)算參數(shù)的設(shè)計(jì)方法要求主處理器的速度非常快,只有這樣才能管理頻繁的觸摸操作。對(duì)于快速觸摸檢測(cè)應(yīng)用,這不是一個(gè)非??煽康脑O(shè)計(jì)。因?yàn)闆](méi)有數(shù)據(jù)平均和觸摸檢測(cè)延時(shí)功能,這類(lèi)設(shè)計(jì)的檢測(cè)精度比較低。具有數(shù)據(jù)采樣、測(cè)量值平均、觸摸檢測(cè)延時(shí)配置和數(shù)字觸摸坐標(biāo)計(jì)算功能的專(zhuān)用觸摸屏控制器芯片才是真正的觸摸屏控制器。這些芯片易于集成到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,具有更高的性能。
電阻觸摸屏分類(lèi)
按照觸摸屏上的感應(yīng)線數(shù)量,電阻式觸摸屏可再分為三大類(lèi):4線、5線和8線。4線觸摸屏的條形電極安裝在兩個(gè)不同的電阻層(X+、X-在同一層,Y+、Y-另一個(gè)電阻層上)。5線觸摸屏只在底層上有圓形電極(X+、X-、Y+和Y-)。頂層用于在觸摸過(guò)程中測(cè)量電壓,電壓梯度只施加在底層上。
8線觸摸屏的工作原理與4線觸摸屏相似。只是給每一條線增加一個(gè)參考電壓線,所以最后的總線數(shù)達(dá)到8條。新增的4條線分別用于給原來(lái)的4條線提供參考電壓。8線觸摸屏采用比例測(cè)量模數(shù)轉(zhuǎn)換器的測(cè)量原理。
因?yàn)槌杀镜土?u>觸摸感應(yīng)算法簡(jiǎn)單,4線觸摸屏被廣泛用于低端消費(fèi)電子產(chǎn)品。5線和8線觸摸屏主要用于昂貴的高端醫(yī)療設(shè)備和重要的工業(yè)控制器。
系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計(jì)
觸摸屏解決方案的主要組件包括觸摸屏面板、觸摸屏控制器(TSC)、顯示面板和主處理器,如圖3所示,主處理器可以是一個(gè)低端的微控制器。主處理器利用一線或兩線接口協(xié)議(I2C/SPI)管理觸摸屏控制器的初始化,以及讀取數(shù)字坐標(biāo)數(shù)據(jù)。主處理器還負(fù)責(zé)把用戶觸摸轉(zhuǎn)換成所需的操作,如音量調(diào)節(jié)、圖片更換或書(shū)寫(xiě)顯示。大多數(shù)消費(fèi)電子產(chǎn)品都有顯示面板,同一顯示面板上可顯示人機(jī)互動(dòng)圖標(biāo)。
圖 3:電阻式觸感解決方案結(jié)構(gòu)圖
設(shè)計(jì)一個(gè)帶觸感用戶界面的應(yīng)用系統(tǒng),設(shè)計(jì)復(fù)雜性取決于觸摸屏分辨率的要求。觸摸屏分辨率還取決于觸摸屏控器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率。另一個(gè)重要因素是觸摸屏控制器的功耗,建議選用一個(gè)具有中斷功能和低功耗待機(jī)模式的控制器。當(dāng)沒(méi)有觸摸操作時(shí),控制器進(jìn)入低功耗的待機(jī)狀態(tài),以節(jié)省電能;當(dāng)檢測(cè)到觸摸事件時(shí),控制器將會(huì)喚醒,執(zhí)行觸摸電壓解碼功能。這個(gè)功能成為便攜設(shè)備的一個(gè)基本要求,因?yàn)楸銛y設(shè)備電池中的每庫(kù)侖電量都非常寶貴。
選用一個(gè)內(nèi)置緩存的觸摸屏控制器對(duì)于頻繁的觸摸檢測(cè)應(yīng)用十分有益。例如,書(shū)寫(xiě)是連續(xù)的觸摸操作,如果觸摸屏控制器包括一個(gè)FIFO緩存,那么可以在FIFO緩存裝滿后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,這可降低主處理器的處理開(kāi)銷(xiāo)。當(dāng)屏幕較大(>6英寸)時(shí),觸摸屏導(dǎo)電板拾起的噪聲會(huì)影響觸摸屏的精度,在觸摸屏上(在X+/X-、Y+/Y-軸)增加電容器,可降低高頻噪聲。
一個(gè)電阻觸摸屏實(shí)例
為了弄明白電阻式觸感解決方案的原理,我們分析一個(gè)現(xiàn)成的低成本手寫(xiě)板解決方案(圖 4)。在這個(gè)實(shí)例中,電阻觸摸屏控制器采用ST的先進(jìn)STMPE811控制器,主處理器采用ST的STM32高密度32位微控制器。
圖 4:手寫(xiě)板解決方案
該解決方案讓用戶在TFT-LCD面板上感受實(shí)時(shí)手寫(xiě)的妙處。在一個(gè)4線電阻式觸摸屏上,手寫(xiě)筆的X和Y坐標(biāo)被映射到TFT-LCD面板內(nèi)的一個(gè)線繪上。在現(xiàn)有的手寫(xiě)板設(shè)計(jì)中,2.4英寸觸摸屏安裝到2.4英寸(QVGA分辨率)TFT-LCD面板上。大多數(shù)手機(jī)和PDA都采用低分辨率的顯示屏。為確保觸摸檢測(cè)坐標(biāo)精確映射到顯示屏上,應(yīng)特別注意觸摸屏和顯示面板的分辨率。沿觸摸屏電阻軸(X/Y)的觸摸坐標(biāo)變化是另一個(gè)重要考慮因素,這個(gè)問(wèn)題與觸摸屏的品牌有關(guān)。在某些觸摸屏上,從觸摸屏控制器取得的坐標(biāo)值沿觸摸屏的軸從上向下逐漸變小,反之亦然。
在本例中,觸摸屏控制器通過(guò)I2C協(xié)議接口連接32位微控制器。TFT-LCD面板通過(guò)微控制器的靈活接口(FSMC)與微控制器相連,通過(guò)微控制器配置觸摸屏控制器的各種參數(shù),如模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣速度和平均值。除I2C協(xié)議接口外,觸摸屏控制器提供一個(gè)輸出中斷引腳,用于向主處理器發(fā)起觸感檢測(cè)中斷請(qǐng)求。該中斷引腳與微控制器的外部中斷端口引腳相連。本解決方案采用的觸摸屏控制器包括一個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)可暫存128個(gè)觸摸數(shù)據(jù)集的FIFO緩存。當(dāng)觸摸屏控制器檢測(cè)到觸摸事件時(shí),微控制器就會(huì)從外部中斷端口引腳收到一個(gè)中斷請(qǐng)求,然后通過(guò)I2C協(xié)議讀取觸摸屏控制器FIFO緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)。每個(gè)X軸和Y軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)都使用一個(gè)12位數(shù)值。從觸摸屏坐標(biāo)到像素顯示屏坐標(biāo)的軟件映射,計(jì)算基數(shù)是顯示器面板的分辨率和觸摸屏的分辨率。微控制器處理TFT-LCD像素顯示器的坐標(biāo),然后顯示相應(yīng)的TFT-LCD像素。12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率完全夠用。因此,可以獲得非常精確的觸點(diǎn),這可以讓連續(xù)的像素發(fā)光,為用戶提供實(shí)時(shí)的線繪感覺(jué)(圖5)。
圖 5:手寫(xiě)板實(shí)現(xiàn)流程
因?yàn)橛|摸屏控制器內(nèi)置FIFO緩存,管理微控制器處理開(kāi)銷(xiāo)變得很容易。此外,還可在顯示面板的一側(cè)顯示彩色表格。文本的顏色可以選擇,只要點(diǎn)擊表格中的一種顏色,下一個(gè)線繪就會(huì)變成所選顏色。該方案還提供一個(gè)清除按鈕的圖標(biāo),當(dāng)屏幕充滿內(nèi)容時(shí),觸摸這個(gè)按鈕可清理屏幕。利用這種方式,設(shè)計(jì)人員可輕松實(shí)現(xiàn)一個(gè)畫(huà)筆功能。這個(gè)應(yīng)用可能是孩子畫(huà)畫(huà)工具箱的基礎(chǔ)。