《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種自適應(yīng)電阻式觸摸屏控制器的設(shè)計(jì)
鄧中亮,楊子明,陳 杰 北京郵電大學(xué)
摘要: 提出一種電阻式觸摸屏控制器的設(shè)計(jì)方案。針對電阻式觸摸屏x,y向總電阻存在型號差異和個(gè)體差異的特點(diǎn),為了避免傳統(tǒng)測量方法中人工確定觸模屏阻值參數(shù)的問題,提出一種x,y向總電阻的測量方法。該方法通過軟硬件的配合,自動(dòng)測量觸摸屏x,y向總電阻,實(shí)現(xiàn)針對不同型號或個(gè)體觸摸屏的自適應(yīng)壓力電阻計(jì)算。該方法適用于已封裝好的電子產(chǎn)品,可避免產(chǎn)品組裝前對觸摸屏的測試工作,有效地節(jié)約產(chǎn)品的開發(fā)成本和生產(chǎn)時(shí)間。
Abstract:
Key words :

0 引言
    觸摸屏是電子產(chǎn)品中常用的一種輸入設(shè)備,通常與液晶屏搭配使用,用來取代傳統(tǒng)的鍵盤輸入,廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品與工業(yè)控制中。觸摸屏通常附著在液晶顯示屏表面,通過微處理器對觸摸屏的控制,實(shí)現(xiàn)觸摸屏對液晶屏圖像界面的直接操作。電阻式觸摸屏由于成本低,無專利技術(shù)的原因,是嵌入式設(shè)備應(yīng)用最為廣泛的一種觸摸屏。本文提出一種電阻式觸摸屏控制器的設(shè)計(jì)方法,為業(yè)界主流低端手機(jī)基帶芯片MTK6223D提供觸摸屏控制的功能擴(kuò)展;同時(shí)針對電阻式觸摸屏x,y方向總電阻測量的問題,提出一種自適應(yīng)的觸摸屏x,y向電阻測量方法,既提高壓力電阻的計(jì)算精度,又可避免人工測量電阻式觸摸屏的電阻參數(shù),有效節(jié)約手機(jī)開發(fā)成本和生產(chǎn)時(shí)間。

1 電阻式觸摸屏結(jié)構(gòu)
    電阻式觸摸屏根據(jù)引出信號線的數(shù)量,可以劃分為4線、5線、6線、7線、8線等類型,其中以4線電阻式觸摸屏最為常見,結(jié)構(gòu)最為典型。本文討論的電阻式觸摸屏,均指四線結(jié)構(gòu)電阻式觸摸屏。
1.1 基本結(jié)構(gòu)
    電阻式觸摸屏在玻璃或丙烯酸基板上覆蓋有兩層透平、均勻?qū)щ姷腎TO層,分別作為X電極和Y電極,它們之間由均勻排列的透明格點(diǎn)分開絕緣。其中下層的ITO與玻璃基板附著,上層的ITO附著在PET薄膜上。X電極和Y電極的正負(fù)端由“導(dǎo)電條”分別從兩端引出,且X電極和Y電極導(dǎo)電條的位置相互垂直。引出端X-,X+,Y-,Y+一共4條線,這也是4線電阻式觸摸屏名稱的由來。當(dāng)有物體接觸觸摸屏表面并施以一定的壓力時(shí),上層的ITO導(dǎo)電層發(fā)生形變與下層ITO發(fā)生接觸,進(jìn)而2個(gè)導(dǎo)電層間在該位置的電壓和電阻發(fā)生變化。控制器檢測電壓變化后,在x和y 2個(gè)方向上產(chǎn)生信號,讀取觸點(diǎn)位置在x,y方向上的電壓值后,同該x,y方向上的參考電壓進(jìn)行比較,計(jì)算出觸點(diǎn)的坐標(biāo)。這是電阻式觸摸屏的基本工作原理。
1.2 坐標(biāo)的估算
    計(jì)算電阻式觸摸屏觸點(diǎn)的x,y坐標(biāo)分為如下兩步(見圖1):
    (1)計(jì)算y坐標(biāo),在Y+電極施加驅(qū)動(dòng)電壓Vref,Y-電極接地,X+作為引出端測量得到接觸點(diǎn)的電壓,由于ITO層均勻?qū)щ?,觸點(diǎn)電壓與Vref電壓之比等于觸點(diǎn)y坐標(biāo)與屏高度之比。
    (2)計(jì)算x坐標(biāo),在X+電極施加驅(qū)動(dòng)電壓Vref,X-電極接地,Y+作為引出端測量得到接觸點(diǎn)的電壓,由于ITO層均勻?qū)щ?,觸點(diǎn)電壓與Vref電壓之比等于觸點(diǎn)x坐標(biāo)與屏寬度之比。測得的電壓通常由ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,再進(jìn)行簡單處理就可以作為坐標(biāo)值,判斷觸點(diǎn)的實(shí)際位置。

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2 觸摸屏控制器的設(shè)計(jì)
    本文采用的觸摸屏控制系統(tǒng)由基帶芯片MFK6223D、觸摸屏控制器和觸摸屏3部分組成,如圖2所示。MTK6223D是聯(lián)發(fā)科技(MTK)的一款低端GPRS/GSM基帶芯片,該芯片將ARM7控制模塊、DSP模塊、射頻模塊和電源管理等集成到一起,采用Nucleus Plus操作系統(tǒng),是目前業(yè)界一款主流的低端手機(jī)基帶芯片。但是MTK6223D沒有提供對觸摸屏的支持,為進(jìn)一步強(qiáng)化手機(jī)的功能,MTK6223D需要搭配觸摸屏控制器芯片,實(shí)現(xiàn)功能更為強(qiáng)大的手機(jī)設(shè)計(jì)。本文提出的觸摸屏控制器主要實(shí)現(xiàn)對觸摸屏信號的模/數(shù)轉(zhuǎn)換,坐標(biāo)值計(jì)算,壓力電阻阻值計(jì)算和抬筆落筆中斷判斷4項(xiàng)功能,并通過AMBA總線向手機(jī)基帶芯片上傳數(shù)據(jù)。

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2.1 觸摸屏控制器
    觸摸屏控制器分為模擬信號處理和數(shù)字控制電路2個(gè)部分,如圖3所示。模擬信號處理部分負(fù)責(zé)模/數(shù)轉(zhuǎn)換、測量x,y方向坐標(biāo)與量化等工作。數(shù)字控制電路負(fù)責(zé)控制測量流程和計(jì)算壓力電阻阻值等功能,同時(shí)數(shù)字控制電路也要向基帶芯片提供中斷報(bào)告和總線訪問機(jī)制。

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2.1.1 模擬信號處理
    模擬信號處理如圖4所示。

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    模/數(shù)轉(zhuǎn)換部分的主要工作是將觸摸屏傳來的模擬信號量化成數(shù)字信號,同時(shí)將向數(shù)字控制部分提供相應(yīng)接口。SP5368觸摸屏控制器使用逐次逼近模數(shù)信號轉(zhuǎn)換器(SAR ADC),將模擬信號轉(zhuǎn)化為8位的數(shù)字信號,共有256個(gè)量化級別,基本滿足分辨率在320×240以下觸摸屏的測量精度。
    模擬信號的測量分為差分測量和單端測量兩種模式,如圖5所示。差分模式的測量精度較高,但是功耗較高。單端模式的功耗較小,但是測量精度較低,同時(shí)存在部分碼值多余的現(xiàn)象。在實(shí)際應(yīng)用場合,應(yīng)視需求的不同,選擇合適的測量方式。

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2.1.2 數(shù)字控制電路
    數(shù)字控制電路主要的功能有2項(xiàng),一個(gè)是控制驅(qū)動(dòng)電路,完成對觸摸屏觸點(diǎn)坐標(biāo)和壓力電阻的采集,另一個(gè)是計(jì)算觸點(diǎn)壓力值,向上位機(jī)(上層系統(tǒng))提供抬筆和落筆兩種類型的中斷。其數(shù)字電路的示意圖如圖6所示。

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2.2 壓力電阻阻值的計(jì)算與分析
    觸摸屏控制器除了向操作系統(tǒng)提供觸點(diǎn)x,y方向坐標(biāo)外,另一項(xiàng)功能是向系統(tǒng)報(bào)告抬筆中斷和落筆中斷。在電阻式觸摸屏結(jié)構(gòu)中,觸摸屏的抬筆中斷或落筆中斷,是通過判斷壓力電阻阻值的變化產(chǎn)生的。
    壓力值反映了觸摸屏2層導(dǎo)電薄膜之間電阻值RTouch的變化,壓力越大,RTouch就越小,壓力越小,RTouch就越大。計(jì)算壓力值,實(shí)際上就是計(jì)算觸點(diǎn)位置的RTouch。通過對觸點(diǎn)壓力的計(jì)算,系統(tǒng)可以判斷擠壓動(dòng)作是抬筆動(dòng)作還是落筆動(dòng)作。電阻式觸摸屏壓力計(jì)算的基本原理分三步,如圖7所示。
    (1)X-接地,X+接電源,Y+接ADC得到觸點(diǎn)的X坐標(biāo);
    (2)X-接地,Y+接電源,X+接ADC得到Z1點(diǎn)的位置Z1;
    (3)X-接地,Y+接電源,Y-接ADC得到Z2點(diǎn)的位置Z2。
    然后,結(jié)合xy方向的總電阻值就可以求出:
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    計(jì)算出壓力電阻RTouch后,需要同閾值電阻RTup,RTdown(RTdown 2.3 自適應(yīng)的電阻測量方法
    由于市場上觸摸屏品牌眾多,各廠家的觸摸屏參數(shù)存在差異,所以觸摸屏x,y方向總電阻RREF會隨著觸摸屏型號的不同發(fā)生變動(dòng)。對于同一型號觸摸屏,由于制作工藝的問題,RREF也會出現(xiàn)上下浮動(dòng)。在觸摸屏的壓力電阻計(jì)算中,RREF是一項(xiàng)主要的計(jì)算參數(shù),因此在實(shí)際的電子產(chǎn)品開發(fā)中,針對不同觸摸屏,測量并修正觸摸屏x,y方向的總電阻RREF是一項(xiàng)十分重要的工作。但是在產(chǎn)品成型之前,如果對每一個(gè)觸摸屏個(gè)體進(jìn)行單獨(dú)的RREF測量和記錄是一項(xiàng)耗時(shí)并且浪費(fèi)成本的工作。目前業(yè)界通用的做法是每種型號的觸摸屏采用統(tǒng)一的參數(shù),并不對每個(gè)觸摸屏進(jìn)行單獨(dú)的測量。
    針對上述問題,為了更加精確地計(jì)算壓力電阻,筆者提出了一種計(jì)算電阻式觸摸屏RRE的方法。該方法只需要對已封裝在產(chǎn)品中的觸摸屏進(jìn)行簡單的點(diǎn)擊測試,然后結(jié)合軟件算法,即可計(jì)算出觸摸屏的RREF。另外,由于該方法和觸摸屏校正采用的點(diǎn)擊方式非常相似,因此該測量過程可以和觸摸屏校正同步完成。所以,該方法可以在沒有消耗時(shí)間和成本的前提下,完成對觸摸屏個(gè)體的RREF計(jì)算與修正,同時(shí)具備較好的測量精度。為便于討論,下面僅討論x方向RREF的測算,y方向同理。其基本步驟如下:
    (1)在差分模式下,點(diǎn)擊觸摸屏任意一條對角線方向的2個(gè)頂角A和B,獲取觸摸屏有效面積內(nèi)x方向上電壓量化值Xmin_d,Xmax_d(量化值為1~256的區(qū)間)。在差分模式下,觸點(diǎn)電壓量化值是觸點(diǎn)處電阻同觸摸屏總電阻的量化值比值,如圖8所示可得到以下關(guān)系。
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    (2)點(diǎn)擊觸摸屏任意一條對角線方向的2個(gè)頂角A和B,獲取單端模式下觸摸屏有效面積內(nèi)x方向上電壓極值的量化值Xmin_s、Xmax_s(量化值為1~256的區(qū)間)。不同于差分模式,單端模式引入了A/D轉(zhuǎn)換電路中MOS場效應(yīng)管開關(guān)。對于芯片廠商而言,MOS場效應(yīng)管參數(shù)和其電壓參數(shù)都是已知的。故在這種情況下,觸點(diǎn)電壓量化值是觸點(diǎn)處電阻同觸摸屏總電阻與MOS管電阻之和的比值。如圖9所示可得到以下關(guān)系。
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    (3)由式(6),式(7)可以得到NMOS場效應(yīng)管RN與R3的關(guān)系,其中VDS是NMOS管的漏極電壓。
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    結(jié)合MOS場效應(yīng)管的漏極電流公式,對于一個(gè)已知的數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片,Vss,μN,Cox,W,L,VGS和Vth均為已知參數(shù);聯(lián)立式(9)、式(10),可以推出通過MOS管的漏極電流為:
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    又因?yàn)镮R=VDD且,結(jié)合式(3),(4),進(jìn)而最終求出x方向的總電阻Rref。
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3 MTK驅(qū)動(dòng)層
    MTK為其開發(fā)的系列基帶芯片提供定制的嵌入式操作系統(tǒng),該嵌入式操作系統(tǒng)是基于Nucleus Plus搶占式多任務(wù)系統(tǒng)內(nèi)核擴(kuò)展而成,并通過宏定義開關(guān)對不同型號的基帶芯片提供支持。MTK定制軟件平臺的觸摸屏驅(qū)動(dòng)以任務(wù)(Task)的形式存在,任務(wù)的函數(shù)人口是位于touch_pan-el_main.c中的tp_task_main函數(shù),觸摸屏任務(wù)通過輪詢的方式監(jiān)測觸摸屏的狀態(tài)信息,進(jìn)而完成對不同狀態(tài)的事件響應(yīng)。
    MTK6223D基帶芯片自身并不支持觸摸屏功能,所以基于MTK6223D的嵌入式平臺通過宏定義開關(guān)封閉了平臺對觸摸屏相關(guān)功能的支持,但觸摸屏的相關(guān)代碼和架構(gòu)仍然得到了保留。在MTK6223D搭配觸摸屏的手機(jī)設(shè)計(jì)方案中,觸摸屏功能通過外界觸摸屏控制器得到實(shí)現(xiàn),觸摸屏的底層驅(qū)動(dòng)是在MTK原有架構(gòu)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而成。MTK嵌入式操作系統(tǒng)將觸摸屏的狀態(tài)信息保存在TouchPanelDataStruct結(jié)構(gòu)體中。當(dāng)嵌入式系統(tǒng)收到來自觸摸屏控制器的中斷時(shí),中斷函數(shù)完成對Touch_Panel_PenState_enum中state變量的更新,然后tp_task_main函數(shù)通過對state變量的判斷,確認(rèn)觸摸筆屏處于UP狀態(tài)還是DOWN狀態(tài),同時(shí)讀取觸摸屏的當(dāng)前坐標(biāo)。
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4 結(jié)語
    該文研究了電阻式觸摸屏的工作原理,提出一種和基帶芯片MTK6223D搭配使用觸摸屏控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)需求,提出一種自適應(yīng)的測量觸摸屏總電阻阻值的方法。該測量方法通過軟件和觸摸屏硬件控制器配合完成,并可與觸摸屏校正同步實(shí)現(xiàn)。該方法具有較高的測量精度,不用在產(chǎn)品組裝前,對觸摸屏元器件進(jìn)行單獨(dú)測量,有效地節(jié)約了產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)的時(shí)間和成本,對于嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)具有較為實(shí)際的意義。

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