S3c2410的觸摸屏及模數(shù)轉(zhuǎn)換

時(shí)間：2005-06-04 12:30:00

關(guān)鍵字：觸摸屏 S3C2410 模數(shù)轉(zhuǎn)換電阻觸摸屏

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[導(dǎo)讀]S3c2410的觸摸屏及模數(shù)轉(zhuǎn)換

一、觸摸屏的幾個(gè)概念

所謂觸摸屏，從市場概念來講，就是一種人人都會(huì)使用的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備，或者說是人人都會(huì)使用的與計(jì)算機(jī)溝通的設(shè)備。不用學(xué)習(xí)，人人都會(huì)使用，是觸摸屏最大的魔力，這一點(diǎn)無論是鍵盤還是鼠標(biāo)，都無法與其相比。

從技術(shù)原理角度講，觸摸屏是一套透明的絕對尋址系統(tǒng)，首先它必須保證是透明的，因此它必須通過材料科技來解決透明問題，像數(shù)字化儀、寫字板、電梯開關(guān)，它們都不是觸摸屏；其次它是絕對坐標(biāo)，手指摸哪就是哪，不需要第二個(gè)動(dòng)作，不像鼠標(biāo)，是相對定位的一套系統(tǒng)，我們可以注意到，觸摸屏軟件都不需要游標(biāo)，有游標(biāo)反倒影響用戶的注意力，因?yàn)橛螛?biāo)是給相對定位的設(shè)備用的，相對定位的設(shè)備要移動(dòng)到一個(gè)地方首先要知道現(xiàn)在在何處，往哪個(gè)方向去，每時(shí)每刻還需要不停的給用戶反饋當(dāng)前的位置才不致于出現(xiàn)偏差。這些對采取絕對坐標(biāo)定位的觸摸屏來說都不需要；再其次就是能檢測手指的觸摸動(dòng)作并且判斷手指位置，各類觸摸屏技術(shù)就是圍繞“檢測手指觸摸”而八仙過海各顯神通的。
1、觸摸屏的第一個(gè)指針：光學(xué)特性。它直接影響到觸摸屏的視覺效果。但是觸摸屏是多層的復(fù)合薄膜，光學(xué)特性上包括四個(gè)方面：透明度、色彩失真度、反光性和清晰度。彩色世界包含了可見光波段中的各種波長色，在沒有完全解決透明材料科技之前，或者說還沒有低成本的很好解決透明材料科技之前，多層復(fù)合薄膜的觸摸屏在各波長下的透光性還不能達(dá)到理想的一致狀態(tài)，下面是一個(gè)示意圖（圖6-1）：

圖6-1

由于透光性與波長曲線圖的存在，通過觸摸屏看到的圖像不可避免的與原圖像產(chǎn)生了色彩失真，靜態(tài)的圖像感覺還只是色彩的失真，動(dòng)態(tài)的多媒體圖像感覺就不是很舒服了，色彩失真度也就是圖中的最大色彩失真度自然是越小越好。平常所說的透明度也只能是圖中的平均透明度，當(dāng)然是越高越好。
反光性，主要是指由于鏡面反射造成圖像上重迭身后的光影，例如人影、窗戶、燈光等。反光是觸摸屏帶來的負(fù)面效果，越小越好，它影響用戶的瀏覽速度，嚴(yán)重時(shí)甚至無法辨認(rèn)圖像字符，反光性強(qiáng)的觸摸屏使用環(huán)境受到限制，現(xiàn)場的燈光布置也被迫需要調(diào)整。大多數(shù)存在反光問題的觸摸屏都提供另外一種經(jīng)過表面處理的型號：磨砂面觸摸屏，也叫防眩型，價(jià)格略高一些，防眩型反光性明顯下降，適用于采光非常充足的大廳或展覽場所，不過，防眩型的透光性和清晰度也隨之有較大幅度的下降。
清晰度，有些觸摸屏加裝之后，字跡模糊，圖像細(xì)節(jié)模糊，整個(gè)屏幕顯得模模糊糊，看不太清楚，這就是清晰度太差。清晰度的問題主要是多層薄膜結(jié)構(gòu)的觸摸屏，由于薄膜層之間光反復(fù)反射折射而造成的，此外防眩型觸摸屏由于表面磨砂也會(huì)造成清晰度下降。清晰度不好，眼睛容易疲勞，對眼睛也有一定傷害，選購觸摸屏?xí)r要注意判別。
2、觸摸屏的第二個(gè)特性：穩(wěn)定性。觸摸屏是絕對坐標(biāo)系統(tǒng)，要選哪就直接點(diǎn)那，與鼠標(biāo)這類相對定位系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別是一次到位的直觀性。絕對坐標(biāo)系的特點(diǎn)是每一次定位坐標(biāo)與上一次定位坐標(biāo)沒有關(guān)系，觸摸屏在物理上是一套獨(dú)立的坐標(biāo)定位系統(tǒng)，每次觸摸的資料通過校準(zhǔn)資料轉(zhuǎn)為屏幕上的坐標(biāo)，這樣，就要求觸摸屏這套坐標(biāo)不管在什幺情況下，同一點(diǎn)的輸出資料是穩(wěn)定的，如果不穩(wěn)定，那幺這觸摸屏就不能保證絕對坐標(biāo)定位，點(diǎn)不準(zhǔn)，這就是觸摸屏最怕的問題：漂移。技術(shù)原理上凡是不能保證同一點(diǎn)觸摸每一次采樣資料相同的觸摸屏都免不了漂移這個(gè)問題，目前有漂移現(xiàn)象的只有電容觸摸屏。
3、觸摸屏的第三個(gè)特性：相應(yīng)性。檢測觸摸并定位，各種觸摸屏技術(shù)都是依靠各自的傳感器來工作的，甚至有的觸摸屏本身就是一套傳感器。各自的定位原理和各自所用的傳感器決定了觸摸屏的反應(yīng)速度、可靠性、穩(wěn)定性和壽命。觸摸屏的傳感器方式還決定了觸摸屏如何識別多點(diǎn)觸摸的問題，也就是超過一點(diǎn)的同時(shí)觸摸怎幺辦？有人觸摸時(shí)接著旁邊又有人觸摸怎幺辦？這是觸摸屏使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，我認(rèn)為最理想的方式是：超過一點(diǎn)的同時(shí)觸摸誰也不判斷，一直等到多點(diǎn)觸摸移走，有人觸摸接著又有人觸摸應(yīng)該是分先后都判斷，當(dāng)然是技術(shù)上可能的話。
紅外觸摸屏靠多對紅外發(fā)射和接收對管來工作，紅外對管性能和壽命都比較可靠，任何阻擋光線的物體都可用來作觸摸物，不過紅外觸摸屏使用傳感器數(shù)目將近100對，并且共享外圍電路，這就要求傳感器不僅本身性能好，還要求將近100對的紅外二極管“光-電阻特性”和“結(jié)電容”都保持一致。實(shí)際應(yīng)用中，萬一有哪一對出現(xiàn)故障，可以在上電自檢過程中發(fā)現(xiàn)并在此后加以忽略，靠鄰近的紅外線代替，由于每一對紅外線只“監(jiān)管”約6mm左右的窄帶，而手指通常在15mm左右粗細(xì)，用戶是察覺不到的。但如果生產(chǎn)過程沒有對紅外發(fā)射管進(jìn)行老化測試，沒有很好的質(zhì)量管理體系，將近100對的傳感器，很快就不是一對兩對“掉隊(duì)”的問題了，總體壽命也就難以保證。下圖（圖6-2）是紅外觸摸屏的示意圖

圖6-2

電容觸摸屏本身實(shí)際上是一套精密的漏電傳感器，帶手套的手不能觸摸，由于使用電容方式，導(dǎo)致有漂移現(xiàn)象，在下節(jié)電容觸摸屏有詳細(xì)的介紹。超聲波觸摸屏有表面聲波觸摸屏和體波聲波觸摸屏，利用的都是電－聲壓電換能器作傳感器，接收傳感器和發(fā)射傳感器所用的壓晶體管不是一種型號，在制造時(shí)的摻雜材料略有不同，發(fā)射換能器功率大，接收換能器更加靈敏。壓電換能器的壽命長，工作穩(wěn)定，正常工作可以保證10年不出問題。觸摸屏安裝后，換能器是隱藏起來的，但是在運(yùn)輸和安裝過程中需要小心謹(jǐn)慎，裸露的換能器晶體不能碰撞擠壓。表面聲波觸摸屏有X、Y軸兩對傳感器，利用屏幕表面的聲表面波來檢測手指觸摸，可以說，工作面是一層看不見、打不壞的聲能，不怕暴力使用，最適合公共信息查詢。
以上談了一些觸摸屏技術(shù)領(lǐng)域的概念，當(dāng)然，只是是純技術(shù)原理的一些探討，評判一種觸摸屏，光是技術(shù)原理還只是其中的一部分，觸摸屏要應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，還要抵受千觸萬摸，選用材料的耐用性如何，反應(yīng)速度如何，價(jià)格能否承受，這些都是理性的評判一種觸摸屏。
由于目前基于電阻技術(shù)的觸摸屏由于價(jià)格低廉，亦可滿足絕大多數(shù)，下面著重介紹一下電阻式觸摸屏的基本原理：
電阻觸摸屏的屏體部分是一塊與顯示器表面非常配合的多層復(fù)合薄膜，由一層玻璃或有機(jī)玻璃作為基層，表面涂有一層透明的導(dǎo)電層，上面再蓋有一層外表面硬化處理、光滑防刮的塑料層，它的內(nèi)表面也涂有一層透明導(dǎo)電層，在兩層導(dǎo)電層之間有許多細(xì)?。ㄐ∮谇Х种挥⒋纾┑耐该鞲綦x點(diǎn)把它們隔開絕緣。如圖6-3

圖6-3 電阻觸摸屏剖面結(jié)構(gòu)

圖6-4

當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)，平常相互絕緣的兩層導(dǎo)電層就在觸摸點(diǎn)位置有了一個(gè)接觸，因其中一面導(dǎo)電層接通Y軸方向的 5V均勻電壓場，使得偵測層的電壓由零變?yōu)榉橇?，控制器偵測到這個(gè)接通后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將得到的電壓值與5V相比即可得觸摸點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)，同理得出X軸的坐標(biāo)，這就是所有電阻技術(shù)觸摸屏共同的最基本原理。
電阻類觸摸屏的關(guān)鍵在于材料科技。常用的透明導(dǎo)電涂層材料有：
①ITO，氧化銦，弱導(dǎo)電體，特性是當(dāng)厚度降到1800個(gè)埃（埃＝10-10米）以下時(shí)會(huì)突然變得透明，透光率為80％，再薄下去透光率反而下降，到300埃厚度時(shí)又上升到80％。ITO是所有電阻技術(shù)觸摸屏及電容技術(shù)觸摸屏都用到的主要材料，實(shí)際上電阻和電容技術(shù)觸摸屏的工作面就是ITO涂層。
②鎳金涂層，五線電阻觸摸屏的外層導(dǎo)電層使用的是延展性好的鎳金涂層材料，外導(dǎo)電層由于頻繁觸摸，使用延展性好的鎳金材料目的是為了延長使用壽命，但是工藝成本較為高昂。鎳金導(dǎo)電層雖然延展性好，但是只能作透明導(dǎo)體，不適合作為電阻觸摸屏的工作面，因?yàn)樗鼘?dǎo)電率高，而且金屬不易做到厚度非常均勻，不宜作電壓分布層，只能作為探層。
五線電阻觸摸屏：
五線電阻技術(shù)觸摸屏的基層把兩個(gè)方向的電壓場通過精密電阻網(wǎng)絡(luò)都加在玻璃的導(dǎo)電工作面上，我們可以簡單的理解為兩個(gè)方向的電壓場分時(shí)工作加在同一工作面上，而外層鎳金導(dǎo)電層只僅僅用來當(dāng)作純導(dǎo)體，有觸摸后分時(shí)檢測內(nèi)層ITO接觸點(diǎn)X軸和Y軸電壓值的方法測得觸摸點(diǎn)的位置。五線電阻觸摸屏內(nèi)層 ITO需四條引線，外層只作導(dǎo)體僅僅一條，觸摸屏得引出線共有5條。五線制電阻觸摸屏的結(jié)構(gòu)如圖6-5

圖6-5 五線制觸摸屏的結(jié)構(gòu)

四線電阻觸摸屏的缺陷：
電阻觸摸屏的B面要經(jīng)常被觸動(dòng)，四線電阻觸摸屏的B面采用ITO，我們知道， ITO是極薄的氧化金屬，在使用過程中，很快就會(huì)產(chǎn)生細(xì)小的裂紋，而裂紋一旦產(chǎn)生，原流經(jīng)該處的電流被迫繞裂紋而行，本該均勻分布的電壓隨之遭到破壞，觸摸屏就有了損傷，表現(xiàn)為裂紋處點(diǎn)不準(zhǔn)。

圖6-6 四線制觸摸屏的裂紋導(dǎo)致分流

隨著裂紋的加劇和增多，觸摸屏慢慢就會(huì)失效，因此使用壽命不長是四線電阻觸摸屏的主要問題。
五線電阻觸摸屏的改進(jìn)：
首先五線電阻觸摸屏的A面是導(dǎo)電玻璃而不是導(dǎo)電涂覆層，導(dǎo)電玻璃的工藝使得A面的壽命得到極大的提高，并且可以提高透光率。
其次五線電阻觸摸屏把工作面的任務(wù)都交給壽命長的A面，而B面只用來作為導(dǎo)體，并且采用了延展性好、電阻率低的鎳金透明導(dǎo)電層，因此，B面的壽命也極大的提高。
五線電阻觸摸屏的另一個(gè)專有技術(shù)是通過精密的電阻網(wǎng)絡(luò)來校正A面的線性問題：由于工藝工程不可避免的有可能厚薄不均而造成電壓場不均勻分布，精密電阻網(wǎng)絡(luò)在工作時(shí)流過絕大部分電流，因此可以補(bǔ)償工作面有可能的線性失真。
五線電阻觸摸屏是目前最好的電阻技術(shù)觸摸屏，最適合于軍事、醫(yī)療領(lǐng)域使用。
但是四線電阻觸摸屏由于價(jià)格低廉，在通用領(lǐng)域的運(yùn)用，下面將結(jié)合S3C2410內(nèi)置的觸摸屏控制器來詳細(xì)講解整個(gè)觸摸屏電路的工作及測量過程。
下圖是四線電阻觸摸屏測量時(shí)的等效電路（圖6-7）：

圖6-7

測量時(shí)，分為以下3個(gè)步驟：
（1）起初，在觸摸屏沒有被按下的時(shí)候，觸摸屏的X軸和Y軸不會(huì)接觸在一起，此時(shí)這個(gè)電路處在“Pen Down Detect”狀態(tài)。S1、S2、S4斷開，S3、S5閉合。X+~X-的整個(gè)軸上的電壓均為0V（GND），Y-端懸空，Y+端由于有上拉電阻R1的存在而呈現(xiàn)高電平。當(dāng)“Pen Down”后，X軸和Y軸受擠壓而接觸導(dǎo)通后，Y軸上的電壓由于連通到X軸接地而變?yōu)榈碗娖剑说碗娖娇勺鰹橹袛嘤|發(fā)信號來通知CPU發(fā)生“Pen Down”事件。
（2）當(dāng)檢測到“PenDown”事件后，CPU立刻進(jìn)入X軸坐標(biāo)測量狀態(tài)：S1、S3閉合，S2、S4、S5斷開（Y+、Y-兩斷懸空）。由于X軸和Y軸在接觸點(diǎn)按下而連通，因此Y＋端的X_ADC可以認(rèn)為是X軸的分壓采樣點(diǎn)（通過測量X_ADC的電壓可以得到X+到接觸點(diǎn)，以及X-到接觸點(diǎn)的比例），從而計(jì)算出X軸的坐標(biāo)
（3）采樣完X軸的坐標(biāo)后，S1、S3、S5斷開，S2、S4閉合，同樣原理，我們可以進(jìn)一步得到Y(jié)軸的坐標(biāo)。
二、S3C2410 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）及觸摸屏控制器
S3C2410內(nèi)置1個(gè)8信道的10bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），該ADC能以500KSPS的采樣資料將外部的模擬信號轉(zhuǎn)換為10bit分辯率的數(shù)字量。同時(shí)ADC部分能與CPU的觸摸屏控制器協(xié)同工作，完成對觸摸屏絕對地址的測量。
特性：
－分辯率：10bit
－相信誤差：＋/- 2LSB
－最大轉(zhuǎn)換速率：500KSPS
－模擬量輸入范圍：0～3.3V
－分步 X/Y坐標(biāo)測量模式
－自動(dòng)X/Y坐標(biāo)測量模式
－中斷等待模式
下圖是ADC及觸摸屏控制器部分的邏輯示意圖（圖6-8）

圖6-8

隨后的圖是在S3C2410的ADC以及觸摸屏控制器的基礎(chǔ)上外接觸摸屏的示意圖，以及外部電路的實(shí)際原理圖。需要補(bǔ)充說明的是，圖中Q1、Q2為P溝道MOS管，開門電壓為1.8V；Q3、Q4為N溝道MOS管，開門電壓為2.7V。運(yùn)用學(xué)過的電子電路的知識，我們知道當(dāng)MOS管導(dǎo)通后（柵極電壓達(dá)到開門電壓之后），MOS管的源-漏極之間可以認(rèn)為是直通的（導(dǎo)通電阻為毫歐級），即可以把MOS管認(rèn)為是圖4-7中真正的“開關(guān)”。 AVDD 是外部模擬參考源，一般接3.3V電源，XP、XM和YP、YM分別是觸摸屏的4條引線，各自對應(yīng)X軸和Y軸電阻。

圖6-8

ADC及觸摸屏控制器的工作模式：
1、 ADC普通轉(zhuǎn)換模式（Normal Converson Mode）
普通轉(zhuǎn)換模式（AUTO_PST=0,XY_PST=0）是用來進(jìn)行一般的ADC轉(zhuǎn)換之用的，例如通過ADC測量電池電壓等等。
2、獨(dú)立X/Y軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式（Separate X/Y Position Conversion Mode）
獨(dú)立X/Y軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式其實(shí)包含了X軸模式和Y軸模式2種模式。
首先進(jìn)行X軸的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（AUTO_PST=0，XY_PST=1），X軸的轉(zhuǎn)換資料會(huì)寫到ADCDAT0寄存器的XPDAT中，等待轉(zhuǎn)換完成后，觸摸屏控制器會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的中斷。
然后進(jìn)行Y軸的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（AUTO_PST=0，XY_PST=2），Y軸的轉(zhuǎn)換資料會(huì)寫到ADCDAT1寄存器的YPDAT中，等待轉(zhuǎn)換完成后，觸摸屏控制器會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的中斷。
3、自動(dòng)X/Y軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式（Auto X/Y Position Conversion Mode）
自動(dòng)X/Y軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式（AUTO_PST=1，XY_PST=0）將會(huì)自動(dòng)地進(jìn)行X軸和Y軸的轉(zhuǎn)換操作，隨后產(chǎn)生相應(yīng)的中斷。
4、中斷等待模式（Wait for InterruptMode）
在系統(tǒng)等待“Pen Down”，即觸摸屏按下的時(shí)候，其實(shí)是處于中斷等待模式。一旦被按下，實(shí)時(shí)產(chǎn)生“INT_TC”中斷信號。每次發(fā)生此中斷都，X軸和Y軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換資料都可以從相應(yīng)的資料寄存器中讀出。
5、閑置模式（Standby Mode）
在該模式下轉(zhuǎn)換資料寄存器中的值都被保留為上次轉(zhuǎn)換時(shí)的資料。

ADC及觸摸屏控制器的寄存器詳解
ADCCON ：ADC控制寄存器（見圖6-9）
ENABLE_START ：
置1：啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換
置0：無操作
RESR_START ：
置1：允許讀操作啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換
置0：禁止讀操作啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換
STDBM：
置1：將ADC置為閑置狀態(tài)（模式）
置0：將ADC置為正常操作狀態(tài)
SEL_MUX：選擇需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換的ADC信道
PRSCVL：ADC轉(zhuǎn)換時(shí)鐘預(yù)分頻參數(shù)
PRSCEN：ADC轉(zhuǎn)換時(shí)鐘使能
ECFLG：ADC轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志位（只讀）
為1：ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束
為0：ADC轉(zhuǎn)換進(jìn)行中

圖6-9

ADCTSC ：觸摸屏控制寄存器（見圖6-10）
XY_PST ：對X/Y軸手動(dòng)測量模式進(jìn)行選擇
AUTO_PST：X/Y軸的自動(dòng)轉(zhuǎn)換模式使能位
PULL_UP ：XP端的上拉電阻使能位
XP_SEN ：設(shè)置nXPON輸出狀態(tài)
XM_SEN ：設(shè)置XMON輸出狀態(tài)
YP_SEN ：設(shè)置nYPON輸出狀態(tài)
YM_SEN ：設(shè)置YMON輸出狀態(tài)

圖6-10

ADCDLY ：ADC轉(zhuǎn)換周期等待定時(shí)器（見圖6-11）

ADCDAT0 ：ADC資料寄存器0（見圖6-12）
XPDATA ：X軸轉(zhuǎn)換資料寄存器
XY_PST ：選擇X/Y軸自動(dòng)轉(zhuǎn)換模式
AUTO_PST：X/Y軸自動(dòng)轉(zhuǎn)換使能位
UPDOWN ：選擇中斷等待模式的類型
為0：按下產(chǎn)生中斷
為1：釋放產(chǎn)生中斷