摘 要： 介紹了一種基于FPGA的彩色觸摸屏控制器的設計方法，根據彩色液晶屏TFT-LCD與芯片ADS7843的接口方式，使用FPGA設計了TFT-LCD控制器和ADS7843芯片的控制器，并實現了在TFT-LCD上的觸摸功能。該控制器顯示效果好，觸摸響應速度快，為后續彩色觸摸屏的IP核設計打下了基礎。
關鍵詞： FPGA; ADS7843; 彩色觸摸屏
觸摸屏技術方便了人們對計算機的操作使用，是一種極具發展前途的交互式輸入技術，受到各國的普遍重視，并投入大量的人力、物力對其進行研發，使得新型觸摸屏不斷涌現[1]。特別是四線電阻式觸摸屏具有制造工藝簡單、成本低廉、使用方便等特點，已經被廣泛應用于不同的電子設備[2]。
隨著嵌入式技術的高速發展，尤其是CPLD/FPGA的出現，其基于SoPC技術的IP核的使用給開發人員帶來了諸多方便。但在SoPC中并沒有彩色觸摸屏的IP核，因此需要自己編寫硬件的時序控制[3]。本文提出一種基于FPGA的彩色觸摸屏控制器的設計方案，通過單片FPGA芯片可以實現彩色觸摸屏的驅動邏輯，從而實現硬件上時序控制，在此控制器的基礎上可以進一步開發彩色觸摸屏的IP核。
1 彩色觸摸屏控制器的設計
1.1 總體結構及其工作原理
彩色觸摸屏控制器的總體結構如圖1所示。
該彩色觸摸屏的控制器主要由TFT-LCD控制器和ADS7843芯片控制器兩部分組成。由圖1可以看出，TFT-LCD控制器的作用是將圖像數據采集后，通過SDRAM進行緩沖，然后將圖像數據輸出給TFT-LCD。它的主要功能是完成圖像數據的采集和緩沖、TFT-LCD的時序控制及最終數據在TFT-LCD上的顯示。
1.2 TFT-LCD控制器的設計
圖像數據經采集和緩沖之后，通過TFT-LCD的時序控制可以將數據按如圖2所示時序圖進行輸出。本設計中采用的TFT-LCD的分辨率為480×272，其RGB數據位均為8 bit，可以顯示16 777 216種顏色。其中，PCLK為LCD像素時鐘信號，HSYNC為行同步信號,VSYNC為幀同步信號，VDEN為數據使能信號，VD[23:0]為LCD像素數據輸出端口，tvpw、tvp、tvbp、tvfp分別為垂直同步脈沖、垂直掃描時間、垂直后回歸、垂直前回歸，thpw、thp、thbp、thfp分別為水平同步脈沖、水平掃描時間、水平后回歸、水平前回歸[4]。
從圖2所示的時序圖可以看出，當HSYNC電平由低變高，再經過水平回歸時間之后，開始進行水平掃描。在水平掃描中，像素的顯示受PCLK控制，一個PCLK周期決定了一個像素點的顯示。在HSYNC的高電平的驅動下，PCLK將產生480個時鐘周期，使圖像的像素點在屏幕上從左向右依次逐點輸出，完成一行共480個像素點的顯示。用Verilog HDL編寫的水平同步掃描的時序程序如下：
always@(posedge CLK or negedge RST_n) begin
if (RST_n) begin
x_cnt <= 11'd0;
hd <= 1'd0;
end
else if (x_cnt ==479) begin
x_cnt <= 11'd0;
hd <= 1'd0;
end
else begin
x_cnt <= x_cnt + 11'd1;
hd <= 1'd1;
end
end
同理，當VSYNC電平由低變高，再經過垂直回歸時間之后，進入垂直掃描。在VSYNC的高電平驅動下，HSYNC將產生272個時鐘周期，像素點在屏幕上從上到下依次逐行輸出，完成整個圖像數據在彩色顯示器上的顯示。用Verilog HDL編寫的同步掃描的時序程序如下：
always@(posedge CLK or negedge RST_n) begin
if (iRST_n)
y_cnt <= 10'd0;
else if (x_cnt == 479) begin
if (y_cnt == 271)
y_cnt <= 10'd0;
else
y_cnt <= y_cnt + 10'd1;
end
end
將控制字以串行的方式寫入到內部寄存器的Verilog HDL代碼如下所示：
if (dclk)
data_in <= {data_in[6:0],1'b0};
第二、三次通信則是ADS7843 將觸摸后的X、Y的電壓值轉換為16 bit數據賦值給DOUT端口，然后芯片采集其高12 bit數據，低4 bit自動補零。本設計將采集到的串行的12 bit數據轉化為并行的12 bit數據，其Verilog HDL代碼如下：
if (!dclk)
begin
if(rd_cd_strob)
begin
if(y_cde_config)
y_cde<={y_cde[10:0],adc_out};
else
x_cde<={x_cde[10:0],adc_out};
end
end
2 實驗結果
2.1 仿真驗證
整個控制器是在Quartus II 8.0中設計并仿真的。仿真分為兩個部分,包括TFT-LCD控制器的時序波形和ADS7843芯片控制器的時序波形。仿真結果分別如圖4、圖5所示。
由圖4可以得出，在一幀的數據(oVD的一個時鐘周期內的數據)中，前1/3幀顯示紅色(oLCD_R對應255)，中間1/3幀顯示綠色(oLCD_G對應255)，后1/3幀顯示藍色(oLCD_B對應255)；則相應的屏幕上1～90行顯示為紅色、91～180行為綠色,180～272行為藍色,如圖6所示。
下面分析X坐標值。由圖5可以看到，當產生觸摸時筆中斷信號PENIRQ變為低電平，此時片選信號CS變為低電平，其低電平維持時間為24個DCLK時鐘周期，在前8個時鐘周期DIN端口寫入控制字為10010010，在第10個時鐘DOUT端口開始接收轉化的12 bit數據,其值為011110001000。同理可分析Y坐標值。在DOUT端口接收X、Y坐標值之后，通過串并轉換最終得到并行輸出的X、Y的坐標值，如圖5中的oX和oY端口所示。
2.2 最終顯示效果
FPGA采用Altera公司的EP2C70F896C6；彩色液晶觸摸屏采用臺灣東華公司的WXCAT43-TG3#001R。最終的顯示效果如圖6所示。
使用Verilog HDL編寫觸摸界面過于復雜，通過軟件設計觸摸屏操作界面則需要編寫彩色觸摸屏的IP核，本設計基于FPGA的彩色觸摸屏控制器能夠實現顏色深度為24 bit,分辨率為480×272的TFT-LCD控制和ADS7843芯片的時序控制，為后續IP核的編寫工作打下了基礎。
參考文獻
[1] 武德勝.基于S3C44B0的觸摸屏技術的研究與設計[J].信息技術,2009(5):242-244.
[2] 梁紅飛.四線電阻式觸摸屏測試系統的研究[D].長沙:中南大學,2009.
[3] 胡健生,羅衛兵,錢淵.嵌入式TFT-LCD控制器的設計[J].計算機工程,2010,36(5): 237-239.
[4] 白宗元,胡寶霞.基于Nios II的SOPC中TFT-LCD控制器核的設計[J]. 自動化技術與應用, 2008,27(2):161-
163.
[5] 溫景陽,于同,付夢印.嵌入式系統中的觸摸屏及其控制[J].電腦開發與應用，2007,20(1):39-41.