觸摸屏的組成結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)原理

    很多LCD模塊都采用了電阻式觸摸屏，這些觸摸屏等效于將物理位置轉(zhuǎn)換為代表X、Y坐標的電壓值的傳感器。通常有4線、5線、7線和8線觸摸屏來實現(xiàn)，本文詳細介紹了SAR結(jié)構(gòu)、四種觸摸屏的組成結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)原理，以及檢測觸摸的方法。

    電阻式觸摸屏是一種傳感器，它將矩形區(qū)域中觸摸點（X，Y）的物理位置轉(zhuǎn)換為代表X坐標和Y坐標的電壓。很多LCD模塊都采用了電阻式觸摸屏，這種屏幕可以用四線、五線、七線或八線來產(chǎn)生屏幕偏置電壓，同時讀回觸摸點的電壓。

    過去，為了將電阻式觸摸屏上的觸摸點坐標讀入微控制器，需要使用一個專用的觸摸屏控制器芯片，或者利用一個復雜的外部開關網(wǎng)絡來連接微控制器的片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。夏普公司的LH75400/01/10/11系列和LH7A404等微控制器都帶有一個內(nèi)含觸摸屏偏置電路的片上ADC，該ADC采用了一種逐次逼近寄存器（SAR）類型的轉(zhuǎn)換器。采用這些控制器可以實現(xiàn)在觸摸屏傳感器和微控制器之間進行直接接口，無需CPU介入的情況下控制所有的觸摸屏偏置電壓，并記錄全部測量結(jié)果。本文將詳細介紹四線、五線、七線和八線觸摸屏的結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)原理。

    SAR結(jié)構(gòu)

    SAR的實現(xiàn)方法很多，但它的基本結(jié)構(gòu)很簡單，參見圖1。

圖1 SAR的基本結(jié)構(gòu)

     該結(jié)構(gòu)將模擬輸入電壓（VIN）保存在一個跟蹤/保持器中，N位寄存器被設置為中間值（即100.。.0，其中最高位被設置為1），以執(zhí)行二進制查找算法。因此，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的輸出（VDAC）為VREF的二分之一，這里VREF為ADC的參考電壓。之后，再執(zhí)行一個比較操作，以決定VIN小于還是大于VDAC：

    1. 如果VIN小于VDAC，比較器輸出邏輯低，N位寄存器的最高位清0。
    2. 如果VIN大于VDAC，比較器輸出邏輯高（或1），N位寄存器的最高位保持為1。
 
    其后，SAR的控制邏輯移動到下一位，將該位強制置為高，再執(zhí)行下一次比較。SAR控制邏輯將重復上述順序操作，直到最后一位。當轉(zhuǎn)換完成時，寄存器中就得到了一個N位數(shù)據(jù)字。

    圖2顯示了一個4位轉(zhuǎn)換過程的例子，圖中Y軸和粗線表示DAC的輸出電壓。

2 4位轉(zhuǎn)換過程

     在本例中：
    1. 第一次比較顯示VIN小于VDAC，因此位［3］被置0。隨后DAC被設置為0b0100并執(zhí)行第二次比較。
    2. 在第二次比較中，VIN大于VDAC，因此位［2］保持為1。隨后，DAC被設置為0b0110并執(zhí)行第三次比較。
    3. 在第三次比較中，位［1］被置0。DAC隨后被設置為0b0101，并執(zhí)行最后一次比較。
    4. 在最后一次比較中，由于VIN大于VDAC，位［0］保持為1。

    觸摸屏原理

    觸摸屏包含上下疊合的兩個透明層，四線和八線觸摸屏由兩層具有相同表面電阻的透明阻性材料組成，五線和七線觸摸屏由一個阻性層和一個導電層組成，通常還要用一種彈性材料來將兩層隔開。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(chǎn)生接觸。所有的電阻式觸摸屏都采用分壓器原理來產(chǎn)生代表X坐標和Y坐標的電壓。如圖3所示，分壓器是通過將兩個電阻進行串聯(lián)來實現(xiàn)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。

圖3 分壓器通過兩個電阻進行串聯(lián)實現(xiàn)

    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(fā)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。

    四線觸摸屏

    四線觸摸屏包含兩個阻性層。其中一層在屏幕的左右邊緣各有一條垂直總線，另一層在屏幕的底部和頂部各有一條水平總線，見圖4。為了在X軸方向進行測量，將左側(cè)總線偏置為0V，右側(cè)總線偏置為VREF。將頂部或底部總線連接到ADC，當頂層和底層相接觸時即可作一次測量。

圖4 四線觸摸屏的兩個阻性層

    為了在Y軸方向進行測量，將頂部總線偏置為VREF，底部總線偏置為0V。將ADC輸入端接左側(cè)總線或右側(cè)總線，當頂層與底層相接觸時即可對電壓進行測量。圖5顯示了四線觸摸屏在兩層相接觸時的簡化模型。對于四線觸摸屏，最理想的連接方法是將偏置為VREF的總線接ADC的正參考輸入端，并將設置為0V的總線接ADC的負參考輸入端。

    五線觸摸屏

    五線觸摸屏使用了一個阻性層和一個導電層。導電層有一個觸點，通常在其一側(cè)的邊緣。阻性層的四個角上各有一個觸點。為了在X軸方向進行測量，將左上角和左下角偏置到VREF，右上角和右下角接地。由于左、右角為同一電壓，其效果與連接左右側(cè)的總線差不多，類似于四線觸摸屏中采用的方法。

    為了沿Y軸方向進行測量，將左上角和右上角偏置為VREF，左下角和右下角偏置為0V。由于上、下角分別為同一電壓，其效果與連接頂部和底部邊緣的總線大致相同，類似于在四線觸摸屏中采用的方法。這種測量算法的優(yōu)點在于它使左上角和右下角的電壓保持不變；但如果采用柵格坐標，X軸和Y軸需要反向。對于五線觸摸屏，最佳的連接方法是將左上角（偏置為VREF）接ADC的正參考輸入端，將左下角（偏置為0V）接ADC的負參考輸入端。

    七線觸摸屏

    七線觸摸屏的實現(xiàn)方法除了在左上角和右下角各增加一根線之外，與五線觸摸屏相同。執(zhí)行屏幕測量時，將左上角的一根線連到VREF，另一根線接SAR ADC的正參考端。同時，右下角的一根線接0V，另一根線連接SAR ADC的負參考端。導電層仍用來測量分壓器的電壓。

    八線觸摸屏

    除了在每條總線上各增加一根線之外，八線觸摸屏的實現(xiàn)方法與四線觸摸屏相同。對于VREF總線，將一根線用來連接VREF，另一根線作為SAR ADC的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的正參考輸入。對于0V總線，將一根線用來連接0V，另一根線作為SAR ADC的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的負參考輸入。未偏置層上的四根線中，任何一根都可用來測量分壓器的電壓。

    檢測有無接觸

    所有的觸摸屏都能檢測到是否有觸摸發(fā)生，其方法是用一個弱上拉電阻將其中一層上拉，而用一個強下拉電阻來將另一層下拉。如果上拉層的測量電壓大于某個邏輯閾值，就表明沒有觸摸，反之則有觸摸。這種方法存在的問題在于觸摸屏是一個巨大的電容器，此外還可能需要增加觸摸屏引線的電容，以便濾除LCD引入的噪聲。弱上拉電阻與大電容器相連會使上升時間變長，可能導致檢測到虛假的觸摸。

    四線和八線觸摸屏可以測量出接觸電阻，即圖5中的RTOUCH。RTOUCH與觸摸壓力近似成正比。要測量觸摸壓力，需要知道觸摸屏中一層或兩層的電阻。圖6中的公式給出了計算方法。需要注意的是，如果Z1的測量值接近或等于0（在測量過程中當觸摸點靠近接地的X總線時），計算將出現(xiàn)一些問題，通過采用弱上拉方法可以有效改善這個問題。

圖5 RTOUCH

圖6 觸摸屏電阻計算方法