用ADS7846设计嵌入系统的触摸屏

摘  要： 本文以电阻式触摸屏和触摸屏控制器ADS7846为例介绍触摸屏及其控制器的原理，并以一个应用实例说明如何用触摸屏及其控制器构成嵌入式系统的输入系统。

系统组成
触摸屏输入系统由触摸屏、触摸屏控制器和微控制器三部分组成。图1示出了一个实际的触摸屏输入系统，系统中触摸屏采用四线电阻式触摸屏，触摸屏控制器采用TI(BB)公司的ADS7846。
触摸屏
触摸屏附着在显示器的表面，与显示器相配合使用，如果能测量出触摸点在屏幕上的坐标位置，则可根据显示屏上对应坐标点的显示内容或图符获知触摸者的意图。触摸屏按其技术原理可分为五类：矢量压力传感式、电阻式、电容式、红外线式、表面声波式，其中电阻式触摸屏在嵌入式系统中用的较多。电阻触摸屏是一块4层的透明的复合薄膜屏(图2)，最下面是玻璃或有机玻璃构成的基层，最上面是一层外表面经过硬化处理从而光滑防刮的塑料层，中间是两层金属导电层，分别在基层之上和塑料层内表面，在两导电层之间有许多细小的透明隔离点把它们隔开。当手指触摸屏幕时，两导电层在触摸点处接触。
触摸屏的两个金属导电层是触摸屏的两个工作面，在每个工作面的两端各涂有一条银胶，称为该工作面的一对电极，若在一个工作面的电极对上施加电压，则在该工作面上就会形成均匀连续的平行电压分布。如图1所示，当在X方向的电极对上施加一确定的电压，而Y方向电极对上不加电压时，在X平行电压场中，触点处的电压值可以在Y+(或Y-)电极上反映出来，通过测量Y+电极对地的电压大小，便可得知触点的X坐标值。同理，当在Y电极对上加电压，而X电极对上不加电压时，通过测量X+电极的电压，便可得知触点的Y坐标。电阻式触摸屏有四线和五线两种。四线式触摸屏的X工作面和Y工作面分别加在两个导电层上，共有四根引出线，分别连到触摸屏的X电极对和Y电极对上。五线式触摸屏把X工作面和Y工作面都加在玻璃基层的导电涂层上，但工作时，仍是分时加电压的，即让两个方向的电压场分时工作在同一工作面上，而外导电层则仅仅用来充当导体和电压测量电极。因此，五线式触摸屏的引出线需要5根。

图1 触摸屏输入系统的组成

 

图2 触摸屏的触摸示意图

 

图3 ADS7846的功能框图

 

图4 测量关系

 

图5  转换时序

 

图6笔中断请求

 

图7 软件接口流程图

ADS7846触摸屏控制器
各种类型的触摸屏均有其相应的控制器，如：ADS7846是四线式触摸屏的控制器，而ADS7845是五线式触摸屏的控制器。控制器的主要功能是分时向X、Y电极对施加电压，并把测量电极上的电压信号转换为相应触摸点的X、Y坐标。
ADS7846内部有一个由多个模拟开关组成的供电-测量电路网络和12位的A/D转换器(见图3)。ADS7846根据微控制器发来的不同测量命令导通不同的模拟开关，以便向工作面电极对提供电压，并把相应测量电极上的触点坐标位置所对应的电压模拟量引入A/D转换器。在触摸点X、Y坐标的测量过程中，测量电压与测量点的等效电路如图4所示，图中P为测量点。
ADS7846与微控制器MMC2107之间通过标准的SPI口相连，由MMC2107启动3次SPI传送来完成转换，如图5所示。第一次SPI传送由MMC2107向ADS846发控制字，包括起始位、通道选择、8/12位模式、差分/单端选择和掉电模式选择，接下来的两次SPI传送则是MMC2107从ADS7846取A/D转换结果数据(最后四位自动补零)，完成触摸屏控制器和微控制器之间的一次通信。
笔中断输出
ADS7846通过笔中断请求向MMC2107表示有触摸发生。如图6所示，当没有触摸时，MOSFET①和②打开、③关闭，则笔中断输出引脚通过外加的上拉电阻输出为高。当有触摸时，①和③打开、②关闭，则笔中断输出引脚通过③内部连接到地而输出为低，从而向MMC2107发中断请求。

实际应用举例
触摸屏输入系统的硬件连线如图1所示，当有触摸时ADS7846向MMC2107发中断请求，由MMC2107响应该中断请求,启动图５所示的通信过程，读取ADS7846的转换结果，从而得到触摸点的坐标，其软件流程如图7所示，包括系统初始化(图中省略)、中断服务程序和ADS7846测量程序三部分。在ADS7846测量程序中，完成一次MMC2107和ADS7846之间的通信过程。
在测量过程中发现ADS7846的外时钟为50KHz~60KHz时是比较适宜的。ADS7846只能作为SPI的从设备，各信号的时序是完全固定的，因此需要配置MMC2107 SPI接口信号的时序使之完全符合ADS7846的时序，尤其是从选择信号SS#在一次通信过程中应一直为低(见图5)。
实际测量结果如表1、表2所示: 表1是在一条基本竖直的直线上等距离测量的几个点的坐标值，从表中可得X坐标的斜率为64.25/mm，表2是一条基本水平的直线上等距离测量的几个点的坐标值，可知Y坐标变化斜率为46.33/mm。