1 前言

　　其實不管在任何設計中，人性化都是非常重要的一環。信息技術的發展，為人們帶來了觸摸屏的福利。由于觸摸屏可以使操作簡單直觀，因此越來越多的手持產品，公共服務類設備采用觸摸屏。觸摸屏有電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、表面聲波式觸摸屏、紅外線觸摸屏等多種。電阻式觸摸屏是目前應用比較廣泛的一種，有4線、5線、7線等幾種。

　　2 電阻式觸摸屏的工作原理

　　2.1 電阻式觸摸屏結構

　　典型觸摸屏的工作部分一般由3部分組成，如圖1所示，這一個電阻式觸摸屏的橫截面，兩層透明的電阻性導體層（玻璃）、兩層導體之間的隔離層（隔離玻璃珠）、以及電阻性涂層。電阻性導體層必須選用阻性材料，如銦錫氧化物（ITO）涂在襯底上構成，上層襯底用塑料，下層襯底用玻璃。

　　隔離層為粘性絕緣液體材料，如聚脂薄膜。電極選用導電性能極好的材料（如銀粉墨）構成，其導電性能大約為ITO的1000倍。

　　2.2 電阻式觸摸屏原理

　　電阻式觸摸屏是一種傳感器，它將矩形區域中觸摸點（X，Y）的物理位置轉換為代表X坐標和Y坐標的電壓。當觸摸屏表面受到的壓力（如通過筆尖或手指進行按壓）足夠大時，頂層與底層之間會產生接觸。所有的電阻式觸摸屏都采用分壓器原理來產生代表X坐標和Y坐標的電壓。如圖2所示，分壓器是通過將兩個電阻進行串聯來實現的。上面的電阻（R1）連接正參考電壓（VREF），下面的電阻（R2）接地。兩個電阻連接點處的電壓測量值與下面那個電阻的阻值成正比。為了在電阻式觸摸屏上的特定方向測量一個坐標，需要對一個阻性層進行偏置：將它的一邊接VREF，另一邊接地。同時，將未偏置的那一層連接到一個ADC的高阻抗輸入端。當觸摸屏上的壓力足夠大，使兩層之間發生接觸時，電阻性表面被分隔為兩個電阻。它們的阻值與觸摸點到偏置邊緣的距離成正比。觸摸點與接地邊之間的電阻相當于分壓器中下面的那個電阻。因此，在未偏置層上測得的電壓與觸摸點到接地邊之間的距離成正比。

　　3 ADS7846的基本特性與典型應用

　　3.1 基本特性

　　ADS7846是ADI公司生產的一種4線式觸摸屏控制器，目前廣泛應用于電阻式觸摸屏輸入系統中。ADS7846數字轉換器在一個12位逐次逼近式比較寄存器（SAR）ADC架構上集成了用于驅動觸摸屏的低通阻抗開關。這些器件不使用內部基準電壓，當以大于125kp/s的吞吐率運行時的最大功耗小于1.4mW。它們還帶有10keV到12keV的模擬輸入ESD保護，增強了抗ESD能力，以避免關鍵的內部系統元件損壞。使用單2.2V到5.25V的電源工作。AD7846串行接口的一次完整操作需要24個DCLK.，前8個脈沖接收8位的命令，并在第6個脈沖的上升沿開始采樣，從第9個脈沖開始進入轉換階段，輸出12位采樣值，轉換結束進入空閑階段。直到24個DCLK結束，CS置高電平，一次測量結束。

　　3.2 電阻式觸摸屏的接口電路與坐標值獲取

　　圖3為ADS7846與PhilipsARM7芯片LPC2210的接口電路。

　　ADS7846芯片通過片內模擬電子開關的切換，將X+（Y+）端接正電源VCC，X-（Y-）接地，將X+（Y+）和X-（Y-）端以差動形式接到A/D轉換器的輸入端。

　　當用筆點擊觸摸屏的不同位置時，由于輸入到A/D轉換器的電壓不同（見前面的分壓原理），經過A/D轉換后就得到筆觸點的輸出值，該輸出值與筆觸點的位置成近似線性關系。因此ADS7846就可以得到筆觸點在觸摸屏上的相對位置。

　　3.3 誤差產生的原因及消除方法

　　對坐標值精度產生影響的原因主要有：

　　①觸摸屏本身電阻材料的均勻性，由于材料均勻性的問題，可能導致電壓分壓的不均勻，必然影響輸出的精度。

　　②觸摸在按下和釋放過程中的抖動問題。

　　③ADS7846模擬開關的內阻和A/D轉換器自身的轉換精度。

　　④ESD干擾問題。

　　第①個和第③個問題是器件的固有問題，無法消除。對第②個問題，可通過軟件進行鍵削抖。采用兩次鍵值比較是一個較好的方法，具體工作原理是連續測量X，Y坐標值兩次，然后進行比較，若相同或相差在允許的誤差范圍內就認為是有效鍵，否則為無效鍵。

　　關于ESD問題，這個是設計時主要面對的問題，具體措施主要采取一下幾點：

　　（1）ADS7846的模擬地與系統的數字地不是一點相連。數字的干擾由公共阻抗耦合到ADS7846的模擬地，產生干擾造成抖動。解決辦法是模擬地與數字地一點連接。

　　（2）ADS7846的逐次比較型A/D轉換器對電源及數字寫入非常敏感，解決方法是在電源引腳附近放置一個10μF的旁路電容，在參考電壓輸入端也放置一個0.1μF的旁路電容。

　　（3）在電磁干擾比較強的場合，為了防止觸摸屏的引腳產生的高頻干擾脈沖對ADS7846產生干擾，應在關鍵引腳DCLK，DIN，DOUT對地接0.001μF的高頻整波電容。在PCB布線的時候屏到芯片的連線也應該以短粗為主。

　　3.4 ADS7846控制字及數據傳送方式

　　（1）控制字

　　ADS7846的控制字由表1所列，其中S為數據傳輸起始標志位，該位必為“1”，A2～A0進行通道選擇。MODE用來選擇A/D轉換的精度，“1”選擇8位，“0”選擇12位。SER/DFR選擇參考電壓的輸入模式。PD1，PD0選擇省電模式：“00”省電模式允許，在兩次A/D轉換之間掉電，且中斷允許；“01”同“00”但不允許中斷；“10”保留；“11”禁止省電模式。

　　（2）數據傳送方式

　　ADS7846與LPC2210（微控制器）之間通過標準的SPI接口相連，由LPC2210啟動3次SPI傳送來完成轉換，如圖4所示。第一次SPI傳送由LPC2210向ADS7846發送控制字，包括起始位、通道選擇、8/12位模式、差分/單端選擇和掉電模式選擇，接下來的兩次SPI傳送的則是LPC2210讀取ADS7846A/D轉換的結果數據（12位時最后4位自動補0），到此完成觸摸屏控制器和微控制器之間的一次通信。ADS7846還設置有觸摸識別電路，當檢測到有觸摸時，該電路輸出一個低電平信號，稱為PENIRQ#（筆中斷），ADS7846以這個信號向微控制器提出測量觸點坐標的中斷請求。

　　4 坐標定位與坐標變換

　　觸摸屏常和LCD屏疊加，配套使用。觸摸屏的坐標原點、標度和LCD的坐標原點、標度不一樣，且電阻式觸摸屏的坐標原點通常不在有效點觸區內。因此必須進行坐標變換。

　　常用的坐標定位方法有，最值法，4點定位法，以及矩陣校準法。矩陣校準法對位精度最高，但也最為復雜，一般不常用。這里重點分析最值法和4點定位法。

　　4.1 最值法

　　觸點坐標公式為：

　　式中，X和Y分別為觸點在X工作面和Y工作面上產生的電壓的數字量的測量值，可通過采樣得到；（X﹐Y）反映了觸點在觸摸屏上的坐標。Xmin，Ymin，Xmax和Ymax分別為觸摸屏上最小和最大坐標點在X工作面和Y工作面上產生的電壓的數字量的實際測量值，它們是常量，可通過測量得到；（Xmin，Ymin）和（Xmax，Ymax）反映了觸摸屏上最小、最大坐標點的坐標；W和H分別是LCD顯示屏X軸和Y軸上的像素點總數；（XLCD，YLCD）為觸點映射到LCD顯示屏上的像素點坐標。

　　最值法算法實現比較簡單，不過定位精度有所欠缺，只適合用于觸摸屏與LCD尺寸相差不大，并對精度要求不高的場合。

　　4.2 4點定位法

　　如圖5所示，ABCD為觸摸屏對應LCD4個頂點的坐標點，分別觸擊這4點，得到4組坐標值：

　　（XA﹐YA），（XB﹐YB），（XC﹐YC），（XD﹐YD）。計算出觸摸屏中心點坐標（XO﹐YO）為：

　　設ΔX=（XBXA+XDXC），ΔY=（YBYA+YDYC），最終可得觸點坐標公式：

　　式中，X和Y分別為觸點在X工作面和Y工作面上產生的電壓的數字量的測量值，可通過采樣得到；（X﹐Y）反映了觸點在觸摸屏上的坐標。W和H分別是LCD顯示屏X軸和Y軸上的像素點總數；（XLCD﹐YLCD）為觸點映射到LCD顯示屏上的像素點坐標。

　　4點定位法，在觸摸屏中心點坐標的定位上優于最值法，所得到的觸點坐標更為精確。在一些手寫識別領域應用較多。

　　5 實現流程以及注意事項

　　觸摸屏和微控制器之間的互動通過外部中斷實現。在程序設計中重要功能塊包括以下幾個部分（見圖6）：

　　ADS7846的初始化，包括有：初始化SPI寄存器、可編程定時器中斷和筆中斷；MCU外部中斷的配置；LCD控制器的初始化配置：LCD驅動IC的一些初試化配置，一般由LCD的廠家提供；坐標定位子程序；以及LCD逐點顯示子程序。

　　程序設計中，需要注意觸摸抖動和連擊問題。

　　可以采用延遲測量法來解決，即在接收到觸摸屏筆中斷時延遲一段時間（抖動時30ms）后再測量，可消除抖動；測量完后再次延遲一段時間（連擊延時300ms）后打開筆中斷，可避免連擊現象的出現。

　　6 結語

　　本文討論了在電阻式觸摸屏開發應用中遇到的幾個技術問題以及解決方法，電阻式觸摸屏的應用既有硬件接口技術問題，也有軟件處理方法的問題。