圖 1:手指和手寫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(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的問題以及潛在的應(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)在很容易買到,，而且價格隨時間逐漸下降,，所以此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣。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)只需一個簡易的印刷電路板設(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)常爆炸或灰塵過多的礦區(qū)或工地。電阻式觸摸屏上很少的破損都會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. 電阻觸摸屏的兩個薄膜層組成一個電阻網(wǎng)絡(luò),，充當(dāng)觸摸位置檢測功能的分壓電路。
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(zhuǎn)換成數(shù)字觸摸坐標(biāo)信號。內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換通道,，充當(dāng)測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,，可以測量Y坐標(biāo)。
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(biāo)時,，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)測量:
電阻觸感主要有兩種形式：軟件觸感解決方案和專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)行觸摸位置電壓測量,，執(zhí)行觸摸檢測功能和坐標(biāo)處理功能。
在專用觸摸屏控制器內(nèi),，控制器向系統(tǒng)主機(jī)(微控制器)發(fā)起一個檢測觸摸事件的中斷請求,，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,。對于快速觸摸檢測應(yīng)用，這不是一個非?？煽康脑O(shè)計(jì),。因?yàn)闆]有數(shù)據(jù)平均和觸摸檢測延時功能，這類設(shè)計(jì)的檢測精度比較低,。具有數(shù)據(jù)采樣,、測量值平均、觸摸檢測延時配置和數(shù)字觸摸坐標(biāo)計(jì)算功能的專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
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：4線,、5線和8線。4線觸摸屏的條形電極安裝在兩個不同的電阻層(X+,、X-在同一層,，Y+、Y-另一個電阻層上),。5線觸摸屏只在底層上有圓形電極(X+,、X-、Y+和Y-),。頂層用于在觸摸過程中測量電壓,，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的4條線提供參考電壓。8線觸摸屏采用比例測量模數(shù)轉(zhuǎn)換器的測量原理,。
因?yàn)槌杀镜土?u>觸摸感應(yīng)算法簡單,，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),、圖片更換或書寫顯示,。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,。另一個重要因素是觸摸屏控制器的功耗,，建議選用一個具有中斷功能和低功耗待機(jī)模式的控制器。當(dāng)沒有觸摸操作時,，控制器進(jìn)入低功耗的待機(jī)狀態(tài),，以節(jié)省電能；當(dāng)檢測到觸摸事件時,，控制器將會喚醒,，執(zhí)行觸摸電壓解碼功能。這個功能成為便攜設(shè)備的一個基本要求,，因?yàn)楸銛y設(shè)備電池中的每庫侖電量都非常寶貴,。
選用一個內(nèi)置緩存的觸摸屏控制器對于頻繁的觸摸檢測應(yīng)用十分有益。例如,，書寫是連續(xù)的觸摸操作,，如果觸摸屏控制器包括一個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銷,。當(dāng)屏幕較大(>6英寸)時，觸摸屏導(dǎo)電板拾起的噪聲會影響觸摸屏的精度，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,，我們分析一個現(xiàn)成的低成本手寫板解決方案(圖 4)。在這個實(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:手寫板解決方案
該解決方案讓用戶在TFT-LCD面板上感受實(shí)時手寫的妙處,。在一個4線電阻式觸摸屏上,，手寫筆的X和Y坐標(biāo)被映射到TFT-LCD面板內(nèi)的一個線繪上。在現(xiàn)有的手寫板設(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)變化是另一個重要考慮因素，這個問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I2C協(xié)議接口連接32位微控制器。TFT-LCD面板通過微控制器的靈活接口(FSMC)與微控制器相連,，通過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12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個可暫存128個觸摸數(shù)據(jù)集的FIFO緩存,。當(dāng)觸摸屏控制器檢測到觸摸事件時，微控制器就會從外部中斷端口引腳收到一個中斷請求,，然后通過I2C協(xié)議讀取觸摸屏控制器FIFO緩存內(nèi)的數(shù)據(jù),。每個X軸和Y軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)都使用一個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)時的線繪感覺(圖5),。
圖 5:手寫板實(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銷變得很容易,。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,，下一個線繪就會變成所選顏色。該方案還提供一個清除按鈕的圖標(biāo),，當(dāng)屏幕充滿內(nèi)容時,，觸摸這個按鈕可清理屏幕。利用這種方式,，設(shè)計(jì)人員可輕松實(shí)現(xiàn)一個畫筆功能,。這個應(yīng)用可能是孩子畫畫工具箱的基礎(chǔ)。