摘要：在介紹電感式觸摸屏的結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了以ht460rb70單片機(jī)為控制核心的電感式觸摸屏控制器，該控制器采用cd4051電子開(kāi)關(guān)電路作為觸摸屏驅(qū)動(dòng)。電感式控制器觸摸檢測(cè)裝置采用后置的方式，避免了觸模過(guò)程中的機(jī)械損傷，延長(zhǎng)了觸模屏的壽命，同時(shí)具有低成本的優(yōu)點(diǎn)。該控制器的硬件電路及軟件部分已全部實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制器具有較好的穩(wěn)定性，且適用溫度范圍廣。
引言
觸摸屏是目前zui友好的計(jì)算機(jī)一用戶(hù)接口界面，在消費(fèi)電子業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。觸摸屏主要由兩部分組成：觸摸檢測(cè)裝置和觸摸屏控制器。目前主流觸摸屏產(chǎn)品的觸摸檢測(cè)裝置都是采用前置的方式，在觸摸過(guò)程中會(huì)對(duì)檢測(cè)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)造成損壞，導(dǎo)致觸摸屏觸摸精度下降、壽命縮短；此外，常用的電容、電阻式的觸摸屏的成本相對(duì)較高。本文設(shè)計(jì)了一種后置式電感式觸摸屏，避免觸摸過(guò)程中對(duì)觸摸檢測(cè)裝置的損壞，延長(zhǎng)觸摸屏產(chǎn)品的壽命，成本也相對(duì)較低。
1、電感式觸摸屏的工作原理
1．1觸摸屏整體結(jié)構(gòu)
電感式觸摸屏整體結(jié)構(gòu)如圖1所示（需要特別說(shuō)明的是，電感式觸摸屏要用的觸摸筆來(lái)達(dá)到觸摸輸入的果，觸摸筆可以發(fā)出120～180khz頻率范圍內(nèi)的信號(hào)，這里不詳細(xì)介紹觸摸筆的原理）。上面是lcd顯示器，下面是觸摸屏檢測(cè)裝置。觸摸檢測(cè)裝置通過(guò)fpc（flexibleprintedcircuitboard，柔性印刷電路板）與觸摸屏控制器連接。由觸摸屏結(jié)構(gòu)圖中可以看出，在利用觸摸屏輸入時(shí)，觸摸筆不與觸摸檢測(cè)裝置直接接觸，這樣避免了對(duì)觸摸檢測(cè)裝置的機(jī)械損壞，提高了整個(gè)觸摸控制系統(tǒng)的壽命。
1．2觸摸檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)
觸摸檢測(cè)裝置是由厚度為0.8mm的軟性pcb（printedcircuitboard）構(gòu)成，在pcb內(nèi)部鑲嵌著兩層橫（y軸）豎（x軸）垂直交叉的導(dǎo)線(xiàn)，每一組交叉的導(dǎo)線(xiàn)之間都是絕緣的；導(dǎo)線(xiàn)的一端接地，另一端通過(guò)fpc與觸摸屏控制器中模擬電子開(kāi)關(guān)cd4051的輸入端相連接。x、y軸方向上的線(xiàn)圈數(shù)量根據(jù)顯示器的尺寸來(lái)確定。觸摸檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，該觸摸檢測(cè)裝置x軸方向由35個(gè)線(xiàn)圈、y軸由30個(gè)線(xiàn)圈組成，適用于14英寸顯示屏使用。
1．3觸摸屏坐標(biāo)的確定方法
當(dāng)用戶(hù)將觸摸筆接近檢測(cè)裝置時(shí)，檢測(cè)裝置會(huì)感應(yīng)到信號(hào)，觸摸信號(hào)采用分時(shí)掃描的方式進(jìn)行檢測(cè)。如圖2右側(cè)是觸摸點(diǎn)p局部放大圖，假如觸摸到p點(diǎn)時(shí)，在xn、xn+1和ym、ym+1線(xiàn)圈上會(huì)感應(yīng)到電磁信號(hào)，使得檢測(cè)端口的信號(hào)由零變?yōu)榉橇恪Ｊ紫葘?duì)x軸方向進(jìn)行掃描，通過(guò)模擬電子開(kāi)關(guān)掃描到xn上的信號(hào)，由cd4051公共輸出引腳輸出到out端，再把信號(hào)經(jīng)放大濾波、電壓整流電路后傳送到mcu，由mcu完成a／d轉(zhuǎn)換，得到一個(gè)電壓值vn；接著掃描到xn+1上的信號(hào)，同樣也經(jīng)過(guò)放大、濾波、整流后將信號(hào)發(fā)送到mcu進(jìn)行a／d轉(zhuǎn)換得到一個(gè)電壓值vn+1。x軸方向上掃描完成后，再掃描y軸，同理可以在ym、ym+1上檢測(cè)到兩個(gè)電壓值vm、vm+1，利用檢測(cè)到的4個(gè)電壓值vn、vn+1、vm、vm+1可計(jì)算出觸摸坐標(biāo)，計(jì)算公式如下：
其中，xn，ym、xn+1，ym+1是已知坐標(biāo)，△vx、△vy為已知常數(shù)，△vx是觸摸筆在xn軸上時(shí)vn與vn+1的差值，△vy則是觸摸筆在ym軸上時(shí)vm與vm+1的差值。
從觸摸屏控制器獲得的x與y值僅是當(dāng)前觸摸屏的坐標(biāo)，它不具有實(shí)用價(jià)值，這個(gè)值不但與觸摸屏分辨率有關(guān)，而且也與觸摸屏和lcd的貼合狀況有關(guān)。lcd與觸摸屏的分辨率和坐標(biāo)是不一樣的。因此，如果想得到體現(xiàn)lcd坐標(biāo)的觸摸屏位置，還需要在程序中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換公式如下：
其中，lcdwidth、lcdheight是液晶屏的寬度與高度，xlcd_min、xlcd_max和ylcd_min、ylcd_max分別是觸摸屏橫縱坐標(biāo)的zui大／zui小值。
2、觸摸屏控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
觸摸屏控制電路整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)用觸摸筆觸摸lcd顯示屏?xí)r，觸摸檢測(cè)裝置對(duì)應(yīng)的x、y軸上會(huì)分別感應(yīng)到一個(gè)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬電子開(kāi)關(guān)，然后經(jīng)兩級(jí)放大、濾波，將得到的信號(hào)分兩路處理，一路是電壓整流，另一路是頻率檢測(cè)電路；得到的數(shù)據(jù)通過(guò)mcuht46rb70計(jì)算，判斷出觸摸屏的位置及觸摸的方式，再由mcu將觸摸信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，zui終實(shí)現(xiàn)觸摸輸入。整個(gè)觸摸屏控制電路的時(shí)序都是由單片機(jī)控制的，其他模塊的電路見(jiàn)后面的詳細(xì)介紹。
2．1模擬電子開(kāi)關(guān)電路
模擬電子開(kāi)關(guān)電路如圖4所示，該電路的功能是驅(qū)動(dòng)觸摸屏檢測(cè)裝置，將觸摸信號(hào)傳送到信號(hào)處理電路。其電路主要是由cd4051組成，cd4051是一個(gè)8通道數(shù)字控制模擬開(kāi)關(guān)，該芯片有3位二進(jìn)制控制輸入端a、b、c和一個(gè)使能輸入端inh，以及8個(gè)信號(hào)輸入端和1個(gè)公共輸出端。當(dāng)inh輸入端為高電平時(shí)，所有通道截止；當(dāng)inh為低電平時(shí)，單片機(jī)通過(guò)3位二進(jìn)制信號(hào)a、b、c選通一個(gè)通道的輸入信號(hào)，從公共輸出端out輸出，經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大電路及濾波電路后，將觸摸信號(hào)分別發(fā)送到頻率檢測(cè)電路和電壓整流電路的touch_sin端。圖4中ax、bx、cx是x軸方向上電子開(kāi)關(guān)的控制輸入端，a0～a4是x軸方向上的電子開(kāi)關(guān)的使能端，x00～x34與觸摸屏檢測(cè)裝置x軸接口相連接，由于一個(gè)cd4051芯片只有8個(gè)通道的數(shù)字模擬開(kāi)關(guān)，不能滿(mǎn)足線(xiàn)圈數(shù)量的需求，故這里設(shè)計(jì)了由5個(gè)cd4051（u1～u5）組成的x軸方向上的模擬電子開(kāi)關(guān)電路。同理可設(shè)計(jì)y軸方向上模擬電子電路。ay、by、cy為控制輸入端，b0～b3作為使能端，y軸由4個(gè)cd4051（u6～u9）組成，圖中y00～y29與觸摸屏檢測(cè)裝置y軸接口相連接。
2．2觸摸信號(hào)頻率檢測(cè)電路
觸摸信號(hào)的頻率是由觸摸筆發(fā)出，觸摸筆上有兩個(gè)按鍵，按下這兩個(gè)按鍵可以輸出兩個(gè)不同頻率的信號(hào)，分別為k1、k2。觸摸筆的作用相當(dāng)于鼠標(biāo)，當(dāng)觸摸筆輸出一次k1頻率時(shí)相當(dāng)于點(diǎn)擊一下鼠標(biāo)左鍵，輸出一次k2頻率相當(dāng)于點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵。當(dāng)觸摸筆筆尖與lcd距離≤3～5cm時(shí)，觸摸檢測(cè)裝置可感應(yīng)到觸摸信號(hào)，這時(shí)光標(biāo)隨著觸摸筆在lcd上移動(dòng)。觸摸信號(hào)頻率檢測(cè)精度的高低是觸摸屏是否穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。頻率檢測(cè)電路及仿真結(jié)果如圖5、圖6所示，touch_sin端為觸摸信號(hào)輸入端，通過(guò)施密特觸發(fā)器，然后信號(hào)從fre端發(fā)送到單片機(jī)，進(jìn)行運(yùn)算處理，計(jì)算出觸摸信號(hào)的頻率。利用multisim軟件平臺(tái)建立出頻率檢測(cè)電路仿真模型，從仿真結(jié)果中可以看到，經(jīng)過(guò)處理后的觸摸信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有相同周期t的方波信號(hào)，將方波信號(hào)傳送到微處理器，微處理器在t時(shí)間里計(jì)算出方波的個(gè)數(shù)n，則信號(hào)的周期t=t／n，頻率f=1／t，由此確定觸摸信號(hào)的頻率。
單片機(jī)從端口touch_sin獲得的頻率信號(hào)的質(zhì)量，決定了觸摸屏能否快速響應(yīng)正確的觸摸動(dòng)作。因此，在觸摸信號(hào)頻率檢測(cè)電路設(shè)計(jì)中，使用施密特觸發(fā)器（sn74lvc1g14）可以將觸摸時(shí)產(chǎn)生的鋸齒波形信號(hào)整形成較規(guī)則的方波信號(hào)。經(jīng)過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，也可以有效消除觸摸時(shí)因其他信號(hào)對(duì)頻率的干擾或過(guò)快點(diǎn)擊對(duì)觸摸屏精度造成的影響。
2．3觸摸信號(hào)電壓整流電路
當(dāng)觸摸筆靠近lcd時(shí)，觸摸檢測(cè)器獲得感應(yīng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)電子開(kāi)關(guān)及信號(hào)處理電路后，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行整流。觸摸信號(hào)整流電路如圖7所示。觸摸信號(hào)由touchsin輸入，經(jīng)過(guò)二極管d整流。圖中control與ht460rb70的pc4引腳相連接，ht460rb70通過(guò)pc4引腳控制三極管的導(dǎo)通狀態(tài)，通過(guò)電容充放電直接影響整流后的波形，使其更加準(zhǔn)確。信號(hào)整流后還需經(jīng)過(guò)一個(gè)同相放大電路，然后從sin發(fā)送到ht460rb70單片機(jī)pco／int引腳。在multisim中對(duì)觸摸電壓信號(hào)整流電路的仿真結(jié)果如圖8所示，圖中信號(hào)sin是處理后的信號(hào)波形。其結(jié)果表明，通過(guò)整流后得到平滑穩(wěn)定的直流電壓信號(hào)，有利于提高a／d轉(zhuǎn)換的精度。
2．4mcu電路
mcu電路采用holtek公司的risc單片機(jī)——ht47rb70。該單片機(jī)是a／d轉(zhuǎn)換型8位usb單片機(jī)，專(zhuān)門(mén)為usb產(chǎn)品而設(shè)計(jì)，尤其適用于usb或spi接口觸控屏、觸控按鍵等產(chǎn)品。
基于ht47rb70的電感式觸摸屏mcu電路如圖9所示。ht47rb70采用上電復(fù)位方式進(jìn)行復(fù)位，ax、bx、cx和ay、by、cy與其pd0～pd2和pa0～pa2引腳分別作為x軸和y軸電子開(kāi)關(guān)電路的選擇端。pd3～pd6和pa3～pa6分別作為x軸和y軸上電子開(kāi)關(guān)電路的使能端。pe0～pe2作為信號(hào)修正電路的控制端。通過(guò)觸摸電壓處理電路后的信號(hào)通過(guò)pb0／ano輸入單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的a／d轉(zhuǎn)換器得出觸摸電壓的值，從而辨別出觸摸效果。頻率信號(hào)通過(guò)pc0／int輸入單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)方波個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，即可得出信號(hào)的頻率。zui后通過(guò)將觸摸信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)鼠標(biāo)信號(hào)，通過(guò)usb接口輸出到計(jì)算機(jī)，達(dá)到觸摸效果。
3、軟件設(shè)計(jì)
電感式觸摸屏控制器軟件設(shè)計(jì)主要包括：i／o初始化程序、定時(shí)計(jì)數(shù)器初始化、觸摸筆中斷服務(wù)程序、與計(jì)算機(jī)通信程序和主程序幾部分。觸摸筆中斷程序中包括觸摸坐標(biāo)計(jì)算程序和觸摸信號(hào)頻率計(jì)算程序。當(dāng)觸摸控制器接收到觸摸信號(hào)時(shí)，mcu響應(yīng)觸摸筆中斷服務(wù)程序，得到觸摸lcd的坐標(biāo)，啟動(dòng)與計(jì)算機(jī)通信程序，將觸摸信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，這樣完成一次觸摸。
4、結(jié)語(yǔ)
本文介紹了電感式觸摸屏的工作原理，以及控制器的硬件電路和部分程序設(shè)計(jì)，該控制器電路全部通過(guò)驗(yàn)證。電感式觸摸屏的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了非直接接觸式的觸摸，避免了對(duì)觸摸檢測(cè)裝置的損壞，延長(zhǎng)了整個(gè)觸摸控制系統(tǒng)的壽命，觸摸同一點(diǎn)的重復(fù)精度與觸摸靈敏度達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。