因為美觀(guān)、維護、成本和衛生等原因，觸摸屏技術(shù)開(kāi)始向消費市場(chǎng)以外的醫療、工業(yè)和汽車(chē)市場(chǎng)滲透。隨著(zhù)觸摸屏的問(wèn)世，出現了多項觸控技術(shù)，如電容、電阻、電感、表面聲波和紅外線(xiàn)觸控技術(shù)。每種設計技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。電容式觸摸屏基于印刷電路板上的電極設計，因觸控鍵、滑塊和滾輪功能而深受用戶(hù)喜愛(ài)，輕松的觸控功能為用戶(hù)體驗增色很多。表面聲波觸控技術(shù)基于聲波，存在于需要透明的顯示屏設計中，例如娛樂(lè )園和人流很大的室內環(huán)境。紅外線(xiàn)觸控技術(shù)基于光線(xiàn)間斷方法，主要用于低分辨的超大屏幕。電感式觸摸屏技術(shù)主要用于塑料、鋁制或不銹鋼的面板，或者會(huì )暴露于液體的面板。其中，電阻式觸摸屏技術(shù)的成本競爭力最高，而且很容易集成到嵌入式設計內。這項技術(shù)主要用于設計面板尺寸不超過(guò)19英寸的觸摸屏。對手指觸摸檢測和手寫(xiě)筆檢測的支持擴大了電阻觸控技術(shù)在消費電子中的應用范圍(見(jiàn)圖1）。
圖 1:手指和手寫(xiě)筆檢測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)、設計過(guò)程中應注意的問(wèn)題以及潛在的應用領(lǐng)域。
了解電子觸控傳感器的設計和控制器選型要求
因為電阻觸摸屏現在很容易買(mǎi)到，而且價(jià)格隨時(shí)間逐漸下降，所以此項技術(shù)的應用范圍越來(lái)越廣。為了選擇最佳的觸摸屏技術(shù)，應用設計人員必須深入考慮應用需求。電阻式觸摸屏技術(shù)只需一個(gè)簡(jiǎn)易的印刷電路板設計，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計電極或線(xiàn)圈蝕刻。因為觸摸屏直接覆蓋在顯示屏上，所以可以節省機械開(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(xiàn)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 )，充當觸摸位置檢測功能的分壓電路。
4. 觸摸屏會(huì )在電阻網(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轉換成數字觸摸坐標信號。內置模數轉換通道，充當測量模擬電壓的電壓計。
6. 在觸摸屏幕后，起到電壓計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Y軸電阻上的模擬電壓，并把模擬電壓轉換成數值，用模數轉換器計算X坐標(圖2)。在這種情況下，Y-軸變成感應線(xiàn)。同樣地，在Y+和Y-點(diǎn)分施加電壓梯度，可以測量Y坐標。
7. 某些觸摸控制器還支持觸摸壓力測量，即Z軸測量。測量Z軸坐標時(shí)，電壓梯度施加在Y+軸和X-軸上。
圖 2:電阻式觸摸屏:X 坐標測量:
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，微控制器須擔負所有的觸控檢測和坐標計算任務(wù)�；谖⒖刂破鞯能浖惴ú捎脙炔康奈⒖刂破鬟M(jìn)行觸摸位置電壓測量，執行觸摸檢測功能和坐標處理功能。
在專(zhuān)用觸摸屏控制器內，控制器向系統主機(微控制器)發(fā)起一個(gè)檢測觸摸事件的中斷請求，并輸出代表觸摸坐標的數字數據。然后主處理器(MCU)讀取數字數據，執行客戶(hù)期待的操作命令。
基于MCU計算參數的設計方法要求主處理器的速度非�？�，只有這樣才能管理頻繁的觸摸操作。對于快速觸摸檢測應用，這不是一個(gè)非�？煽康脑O計。因為沒(méi)有數據平均和觸摸檢測延時(shí)功能，這類(lèi)設計的檢測精度比較低。具有數據采樣、測量值平均、觸摸檢測延時(shí)配置和數字觸摸坐標計算功能的專(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)品設計中，具有更高的性能。
電阻觸摸屏分類(lèi)
按照觸摸屏上的感應線(xiàn)數量，電阻式觸摸屏可再分為三大類(lèi)：4線(xiàn)、5線(xiàn)和8線(xiàn)。4線(xiàn)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(xiàn)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)程中測量電壓，電壓梯度只施加在底層上。
8線(xiàn)觸摸屏的工作原理與4線(xiàn)觸摸屏相似。只是給每一條線(xiàn)增加一個(gè)參考電壓線(xiàn)，所以最后的總線(xiàn)數達到8條。新增的4條線(xiàn)分別用于給原來(lái)的4條線(xiàn)提供參考電壓。8線(xiàn)觸摸屏采用比例測量模數轉換器的測量原理。
因為成本低廉，觸摸感應算法簡(jiǎn)單，4線(xiàn)觸摸屏被廣泛用于低端消費電子產(chǎn)品。5線(xiàn)和8線(xiàn)觸摸屏主要用于昂貴的高端醫療設備和重要的工業(yè)控制器。
系統架構和設計
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(xiàn)或兩線(xiàn)接口協(xié)議(I2C/SPI)管理觸摸屏控制器的初始化，以及讀取數字坐標數據。主處理器還負責把用戶(hù)觸摸轉換成所需的操作，如音量調節、圖片更換或書(shū)寫(xiě)顯示。大多數消費電子產(chǎn)品都有顯示面板，同一顯示面板上可顯示人機互動(dòng)圖標。
圖 3:電阻式觸感解決方案結構圖
設計一個(gè)帶觸感用戶(hù)界面的應用系統，設計復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轉換器分辨率。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模式的控制器。當沒(méi)有觸摸操作時(shí)，控制器進(jìn)入低功耗的待機狀態(tài)，以節省電能；當檢測到觸摸事件時(shí)，控制器將會(huì )喚醒，執行觸摸電壓解碼功能。這個(gè)功能成為便攜設備的一個(gè)基本要求，因為便攜設備電池中的每庫侖電量都非常寶貴。
選用一個(gè)內置緩存的觸摸屏控制器對于頻繁的觸摸檢測應用十分有益。例如，書(shū)寫(xiě)是連續的觸摸操作，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(mǎn)后再進(jìn)行數據處理，這可降低主處理器的處理開(kāi)銷(xiāo)。當屏幕較大(>6英寸)時(shí)，觸摸屏導電板拾起的噪聲會(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(hù)在TFT-LCD面板上感受實(shí)時(shí)手寫(xiě)的妙處。在一個(gè)4線(xiàn)電阻式觸摸屏上，手寫(xiě)筆的X和Y坐標被映射到TFT-LCD面板內的一個(gè)線(xiàn)繪上。在現有的手寫(xiě)板設計中，2.4英寸觸摸屏安裝到2.4英寸(QVGA分辨率)TFT-LCD面板上。大多數手機和PDA都采用低分辨率的顯示屏。為確保觸摸檢測坐標精確映射到顯示屏上，應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，如模數轉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)起觸感檢測中斷請求。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位模數轉換器和一個(gè)可暫存128個(gè)觸摸數據集的FIFO緩存。當觸摸屏控制器檢測到觸摸事件時(shí)，微控制器就會(huì )從外部中斷端口引腳收到一個(gè)中斷請求，然后通過(guò)I2C協(xié)議讀取觸摸屏控制器FIFO緩存內的數據。每個(gè)X軸和Y軸坐標數據都使用一個(gè)12位數值。從觸摸屏坐標到像素顯示屏坐標的軟件映射，計算基數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，然后顯示相應的TFT-LCD像素。12位模數轉換器的分辨率完全夠用。因此，可以獲得非常精確的觸點(diǎn)，這可以讓連續的像素發(fā)光，為用戶(hù)提供實(shí)時(shí)的線(xiàn)繪感覺(jué)(圖5)。
圖 5:手寫(xiě)板實(shí)現流程
因為觸摸屏控制器內置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(xiàn)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，當屏幕充滿(mǎn)內容時(shí)，觸摸這個(gè)按鈕可清理屏幕。利用這種方式，設計人員可輕松實(shí)現一個(gè)畫(huà)筆功能。這個(gè)應用可能是孩子畫(huà)畫(huà)工具箱的基礎。
我司的觸摸屏控制IC 的資料請查閱：http://www.webuyspringsrealestate.com/product_1005.htm |
