圖 1:手指和手寫筆檢測功能讓電阻式觸摸屏更好用
本文將主要探討電阻觸摸屏技術(shù)的特點、設(shè)計過程中應(yīng)注意的問題以及潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。
了解電子觸控傳感器的設(shè)計和控制器選型要求
因為電阻觸摸屏現(xiàn)在很容易買到，而且價格隨時間逐漸下降，所以此項技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣。為了選擇最佳的觸摸屏技術(shù)，應(yīng)用設(shè)計人員必須深入考慮應(yīng)用需求。電阻式觸摸屏技術(shù)只需一個簡易的印刷電路板設(shè)計，不像電容式和電感式觸摸屏技術(shù)，需要在印刷電路板上設(shè)計電極或線圈蝕刻。因為觸摸屏直接覆蓋在顯示屏上，所以可以節(jié)省機械開關(guān)或電容式觸控鍵電極所需的印刷電路板空間。建議不要把電阻式觸摸屏用于惡劣的環(huán)境中，例如經(jīng)常爆炸或灰塵過多的礦區(qū)或工地。電阻式觸摸屏上很少的破損都會影響觸控精確度和線性。
電阻式觸摸屏工作原理
1. 電阻式觸摸屏是表面覆蓋觸摸響應(yīng)薄膜的透明玻璃板。
2. 電阻式觸摸屏面板有兩個電阻層(氧化銦錫)組成，中間是一層很薄的分隔層。
3. 電阻觸摸屏的兩個薄膜層組成一個電阻網(wǎng)絡(luò)，充當(dāng)觸摸位置檢測功能的分壓電路。
4. 觸摸屏?xí)陔娮杈W(wǎng)絡(luò)組成的分壓器上引起電壓變化，這個電壓用于確定觸摸屏幕的觸點位置。
5. 觸摸屏控制器(TSC)把捕捉的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字觸摸坐標(biāo)信號。內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，充當(dāng)測量模擬電壓的電壓計。
6. 在觸摸屏幕后，起到電壓計作用的觸摸控制器首先在X+點施加電壓梯度VDD，在X-點施加接地電壓GND。然后，檢測Y軸電阻上的模擬電壓，并把模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)值，用模數(shù)轉(zhuǎn)換器計算X坐標(biāo)(圖2)。在這種情況下，Y-軸變成感應(yīng)線。同樣地，在Y+和Y-點分施加電壓梯度，可以測量Y坐標(biāo)。
7. 某些觸摸控制器還支持觸摸壓力測量，即Z軸測量。測量Z軸坐標(biāo)時，電壓梯度施加在Y+軸和X-軸上。
圖 2:電阻式觸摸屏:X 坐標(biāo)測量:
電阻觸感主要有兩種形式：軟件觸感解決方案和專用觸摸屏控制器芯片。
在軟件觸感解決方案中，微控制器須擔(dān)負(fù)所有的觸控檢測和坐標(biāo)計算任務(wù)。基于微控制器的軟件算法采用內(nèi)部的微控制器進(jìn)行觸摸位置電壓測量，執(zhí)行觸摸檢測功能和坐標(biāo)處理功能。
在專用觸摸屏控制器內(nèi)，控制器向系統(tǒng)主機(微控制器)發(fā)起一個檢測觸摸事件的中斷請求，并輸出代表觸摸坐標(biāo)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。然后主處理器(MCU)讀取數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，執(zhí)行客戶期待的操作命令。
基于MCU計算參數(shù)的設(shè)計方法要求主處理器的速度非常快，只有這樣才能管理頻繁的觸摸操作。對于快速觸摸檢測應(yīng)用，這不是一個非常可靠的設(shè)計。因為沒有數(shù)據(jù)平均和觸摸檢測延時功能，這類設(shè)計的檢測精度比較低。具有數(shù)據(jù)采樣、測量值平均、觸摸檢測延時配置和數(shù)字觸摸坐標(biāo)計算功能的專用觸摸屏控制器芯片才是真正的觸摸屏控制器。這些芯片易于集成到產(chǎn)品設(shè)計中，具有更高的性能。
電阻觸摸屏分類
按照觸摸屏上的感應(yīng)線數(shù)量，電阻式觸摸屏可再分為三大類：4線、5線和8線。4線觸摸屏的條形電極安裝在兩個不同的電阻層(X+、X-在同一層，Y+、Y-另一個電阻層上)。5線觸摸屏只在底層上有圓形電極(X+、X-、Y+和Y-)。頂層用于在觸摸過程中測量電壓，電壓梯度只施加在底層上。
8線觸摸屏的工作原理與4線觸摸屏相似。只是給每一條線增加一個參考電壓線，所以最后的總線數(shù)達(dá)到8條。新增的4條線分別用于給原來的4條線提供參考電壓。8線觸摸屏采用比例測量模數(shù)轉(zhuǎn)換器的測量原理。
因為成本低廉，觸摸感應(yīng)算法簡單，4線觸摸屏被廣泛用于低端消費電子產(chǎn)品。5線和8線觸摸屏主要用于昂貴的高端醫(yī)療設(shè)備和重要的工業(yè)控制器。
系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計
觸摸屏解決方案的主要組件包括觸摸屏面板、觸摸屏控制器(TSC)、顯示面板和主處理器，如圖3所示，主處理器可以是一個低端的微控制器。主處理器利用一線或兩線接口協(xié)議(I2C/SPI)管理觸摸屏控制器的初始化，以及讀取數(shù)字坐標(biāo)數(shù)據(jù)。主處理器還負(fù)責(zé)把用戶觸摸轉(zhuǎn)換成所需的操作，如音量調(diào)節(jié)、圖片更換或書寫顯示。大多數(shù)消費電子產(chǎn)品都有顯示面板，同一顯示面板上可顯示人機互動圖標(biāo)。
圖 3:電阻式觸感解決方案結(jié)構(gòu)圖
設(shè)計一個帶觸感用戶界面的應(yīng)用系統(tǒng)，設(shè)計復(fù)雜性取決于觸摸屏分辨率的要求。觸摸屏分辨率還取決于觸摸屏控器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率。另一個重要因素是觸摸屏控制器的功耗，建議選用一個具有中斷功能和低功耗待機模式的控制器。當(dāng)沒有觸摸操作時，控制器進(jìn)入低功耗的待機狀態(tài)，以節(jié)省電能；當(dāng)檢測到觸摸事件時，控制器將會喚醒，執(zhí)行觸摸電壓解碼功能。這個功能成為便攜設(shè)備的一個基本要求，因為便攜設(shè)備電池中的每庫侖電量都非常寶貴。
選用一個內(nèi)置緩存的觸摸屏控制器對于頻繁的觸摸檢測應(yīng)用十分有益。例如，書寫是連續(xù)的觸摸操作，如果觸摸屏控制器包括一個FIFO緩存，那么可以在FIFO緩存裝滿后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這可降低主處理器的處理開銷。當(dāng)屏幕較大(>6英寸)時，觸摸屏導(dǎo)電板拾起的噪聲會影響觸摸屏的精度，在觸摸屏上(在X+/X-、Y+/Y-軸)增加電容器，可降低高頻噪聲。
一個電阻觸摸屏實例
為了弄明白電阻式觸感解決方案的原理，我們分析一個現(xiàn)成的低成本手寫板解決方案(圖 4)。在這個實例中，電阻觸摸屏控制器采用ST的先進(jìn)STMPE811控制器，主處理器采用ST的STM32高密度32位微控制器。
圖 4:手寫板解決方案
該解決方案讓用戶在TFT-LCD面板上感受實時手寫的妙處。在一個4線電阻式觸摸屏上，手寫筆的X和Y坐標(biāo)被映射到TFT-LCD面板內(nèi)的一個線繪上。在現(xiàn)有的手寫板設(shè)計中，2.4英寸觸摸屏安裝到2.4英寸(QVGA分辨率)TFT-LCD面板上。大多數(shù)手機和PDA都采用低分辨率的顯示屏。為確保觸摸檢測坐標(biāo)精確映射到顯示屏上，應(yīng)特別注意觸摸屏和顯示面板的分辨率。沿觸摸屏電阻軸(X/Y)的觸摸坐標(biāo)變化是另一個重要考慮因素，這個問題與觸摸屏的品牌有關(guān)。在某些觸摸屏上，從觸摸屏控制器取得的坐標(biāo)值沿觸摸屏的軸從上向下逐漸變小，反之亦然。
在本例中，觸摸屏控制器通過I2C協(xié)議接口連接32位微控制器。TFT-LCD面板通過微控制器的靈活接口(FSMC)與微控制器相連，通過微控制器配置觸摸屏控制器的各種參數(shù)，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣速度和平均值。除I2C協(xié)議接口外，觸摸屏控制器提供一個輸出中斷引腳，用于向主處理器發(fā)起觸感檢測中斷請求。該中斷引腳與微控制器的外部中斷端口引腳相連。本解決方案采用的觸摸屏控制器包括一個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個可暫存128個觸摸數(shù)據(jù)集的FIFO緩存。當(dāng)觸摸屏控制器檢測到觸摸事件時，微控制器就會從外部中斷端口引腳收到一個中斷請求，然后通過I2C協(xié)議讀取觸摸屏控制器FIFO緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)。每個X軸和Y軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)都使用一個12位數(shù)值。從觸摸屏坐標(biāo)到像素顯示屏坐標(biāo)的軟件映射，計算基數(shù)是顯示器面板的分辨率和觸摸屏的分辨率。微控制器處理TFT-LCD像素顯示器的坐標(biāo)，然后顯示相應(yīng)的TFT-LCD像素。12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率完全夠用。因此，可以獲得非常精確的觸點，這可以讓連續(xù)的像素發(fā)光，為用戶提供實時的線繪感覺(圖5)。
圖 5:手寫板實現(xiàn)流程
因為觸摸屏控制器內(nèi)置FIFO緩存，管理微控制器處理開銷變得很容易。此外，還可在顯示面板的一側(cè)顯示彩色表格。文本的顏色可以選擇，只要點擊表格中的一種顏色，下一個線繪就會變成所選顏色。該方案還提供一個清除按鈕的圖標(biāo)，當(dāng)屏幕充滿內(nèi)容時，觸摸這個按鈕可清理屏幕。利用這種方式，設(shè)計人員可輕松實現(xiàn)一個畫筆功能。這個應(yīng)用可能是孩子畫畫工具箱的基礎(chǔ)。