基于BU21023的電阻式觸摸屏兩點(diǎn)觸控功能設(shè)計(jì)

摘要：隨著觸摸屏的普及，兩點(diǎn)／多點(diǎn)觸控功能成為人們新的關(guān)注點(diǎn)。本文介紹了電阻式觸摸屏兩點(diǎn)觸摸控制芯片BU21023的功能與應(yīng)用，并基于嵌入式Linux系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電阻式觸模屏的兩點(diǎn)觸控功能。該方案可以用于普通四線電阻式觸摸屏上，而且能夠有效地降低實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)觸控功能所需的硬件成本。
關(guān)鍵詞：電阻式觸摸屏；兩點(diǎn)觸控；嵌入式系統(tǒng)

引言
隨著技術(shù)的進(jìn)步，便攜式電子設(shè)備已經(jīng)成為人們生活中必不可少的工具，而普通用戶的巨大數(shù)量使得便攜式電子設(shè)備的人機(jī)接口成為開發(fā)者關(guān)注的重點(diǎn)。目前，絕大多數(shù)的手機(jī)和平板電腦都使用觸摸屏作為主要輸入設(shè)備，以提供友好的人機(jī)界面和良好的用戶體驗(yàn)。目前，在便攜式電子設(shè)備上使用最廣泛的觸摸屏主要是電容式和電阻式兩種。電容式觸摸屏最大的優(yōu)勢在于其多點(diǎn)觸控技術(shù)已繹比較完善，廣泛應(yīng)用于眾多電子產(chǎn)品中；但是電容式觸摸屏價(jià)格昂貴，且對(duì)工作環(huán)境、機(jī)械與電路設(shè)計(jì)有較高要求。而電阻式觸摸屏成本低、設(shè)計(jì)簡單，此前制約其應(yīng)用的主要因素在于僅能夠進(jìn)行單點(diǎn)觸控。事實(shí)上，對(duì)于電阻式觸摸屏兩點(diǎn)觸控的研究成果已經(jīng)達(dá)到可以大規(guī)模應(yīng)用的階段。本文利用ROHM公司的兩點(diǎn)觸摸控制芯片BU21023實(shí)現(xiàn)了電阻式觸摸屏的兩點(diǎn)觸控功能。

1 BU21023簡介
BU21023內(nèi)置10位的ADC，并內(nèi)置一顆8位的MCU 用于坐標(biāo)的計(jì)算，提供的分辨率最高為1024×1024。BU21023的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

該芯片通過觸摸屏接口的4個(gè)引腳與普通四線電阻式觸摸屏相連接。存MCU的Host接口方面，BU21023提供兩種通信方式——4線SPI或2線串行通信(類似于I2C總線協(xié)議)，用戶可以使用IFSEL引腳選擇通信方式。4線SPI協(xié)議可以提供最高15 Mbps的通信速度，但是根據(jù)協(xié)議，這種方式需要獨(dú)占4個(gè)引腳；而2線串行通信方式只占用2個(gè)引腳，且可以與其他設(shè)備共用總線，但是最高只能提供400kbps的通信速度。實(shí)際應(yīng)用中MCU的Host接口引腳資源通常比較緊張，因此采用串行通信較多。基于此種考慮，本文也采用2線串行通信。此外，該芯片在工作前需要下載一個(gè)8 192字節(jié)的固件。這段代碼可以存儲(chǔ)在EEPROM中通過EEPROM接口下載，也可以存放在MCU的程序空間通過串行通信下載。本文采取后一種方式。
BU21023的工作電壓范圍為2．7～3．6 V，符合一般便攜式電子設(shè)備的供電電壓要求。根據(jù)實(shí)際測量，其工作時(shí)電流消耗約為7 mA，而當(dāng)芯片進(jìn)入休眠模式后，電流消耗下降到30～40μA。因此該芯片非常適合用于各類便攜式電子設(shè)備中。

2 工作機(jī)制
典型電阻式觸摸屏的工作部分一般由3部分組成：兩層透明的阻性導(dǎo)體層、兩層導(dǎo)體之間的隔離層和電極。觸摸屏工作時(shí)，上下導(dǎo)體層相當(dāng)于電阻網(wǎng)絡(luò)，一些有壓力施加到觸摸屏上，上下層線路導(dǎo)通。此時(shí)，在XP、XN上分別加VREF、0 V電壓，使X面上形成了從0～VREF的電壓梯度，觸摸點(diǎn)至XN端的電壓為該兩端電阻對(duì)VREF的分壓，分壓值代表了觸摸點(diǎn)在X方向的位置。然后，將Y面的一個(gè)電極(如YN)端懸空，可從另一電極(YP)取出這一分壓，將該分壓進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，并與VREF進(jìn)行比較，便可得到觸摸點(diǎn)的X坐標(biāo)。同理，在YP、YN上分別加VREF、0 V電壓，而將X面的一個(gè)電極(如XN)懸空，從另一電極(XP)上取出觸摸點(diǎn)在Y方向的分壓，即可得到Y(jié)坐標(biāo)。
這種測量方式?jīng)Q定了它只能得出一個(gè)觸點(diǎn)的坐標(biāo)。而BU21023則通過采集更多數(shù)據(jù)來計(jì)算得出兩個(gè)觸點(diǎn)的坐標(biāo)。其工作時(shí)序如圖2所示。

在1時(shí)段，芯片在XP與YN兩端加上電壓，測量XN與YP端的電壓；在2時(shí)段，芯片在XP與XN兩端加上電壓，測量YP與YN端的電壓；在3時(shí)段，芯片在YP與YN兩端加上電壓，測量XP與XN端的電壓。通過這些測量獲得數(shù)據(jù)后，在4時(shí)段進(jìn)行計(jì)算得出兩個(gè)觸點(diǎn)的坐標(biāo)。整個(gè)測量計(jì)算周期耗時(shí)約4 ms，相對(duì)一般的電阻式觸摸屏控制芯片的測量周期更長，但是仍然足夠檢測入手的動(dòng)作。在全部測量計(jì)算完成后，如果有設(shè)定間歇工作模式的話，則會(huì)在5時(shí)段等待到足夠的時(shí)間。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本文采用的硬件平臺(tái)使用TI公司的OMAP3530作為主機(jī)。OMAP3530采用ARM Cortex-A8架構(gòu)，具有豐富的外圍接口，包括3組I2C總線控制器與4組SPI控制器。BU21023部分的硬件連接電路如圖3所示。

BU21023芯片通過XP、XN、YP和YN四個(gè)引腳與4線電阻式觸摸屏相連接，將IFSEL置高選擇通信方式為2線串行模式，通過SCL和SDA連接Host端的I2C總線控制器，INT為中斷信號(hào)引腳，SEL_CSB和RSTB分別為片選與硬件復(fù)位。

4 驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)
本文所采用的系統(tǒng)環(huán)境為Android 2．2版本，使用Linux Kerncl 2．6．32。在Linux系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一組相關(guān)函數(shù)的集合。它包括設(shè)備服務(wù)子程序和中斷處理程序。本文的驅(qū)動(dòng)程序中重要的是上電及初始化子程序和中斷處理程序。
4．1 上電及初始化子程序
在BU21023芯片上電后等待200μs，由主機(jī)將RSTB引腳拉高。然后對(duì)基本寄存器進(jìn)行配置，需要配置的共有20個(gè)寄存器。完成寄存器配置后，通過向SYSTEM(0x40)寄存器寫入0x01來啟動(dòng)芯片的模擬部分。等待100μs后開始下載固件，通過向CMN_SETUP1(0x31)寄存器寫入0x02，將下載路徑配置為從Host端下載，此后可以向EX_WDAT(0x72)寄存器寫入固件，共8192字節(jié)。在寫入完成后可以通過讀取EX_CHK_SUM1～EX_CHK_ SUM3(0x74～0x76)的值來校驗(yàn)。如果這個(gè)校驗(yàn)值與固件前8189個(gè)字節(jié)的和相等，則下載成功。完成固件下載后，清除所有中斷信息，然后向SYSTEM(0x40)寄存器寫入0x03以啟動(dòng)芯片的內(nèi)置MCU。在得到啟動(dòng)成功的中斷信息后清除該中斷，則芯片初始化完成，進(jìn)入工作狀態(tài)。
4．2 中斷處理程序
中斷處理程序是整個(gè)觸控程序的關(guān)鍵部分。
BU21023的中斷包括6種情況，坐標(biāo)更新和致命錯(cuò)誤足主要的2種，另外4種為程序下載完成、進(jìn)入休眠模式、退出休眠模式和自動(dòng)校準(zhǔn)完成。中斷類型可以從INT_STS寄存器讀出。對(duì)于后4種中斷類型，在中斷處理程序中不需要進(jìn)行處理，直接清除中斷即可。
若中斷類型為致命錯(cuò)誤，則應(yīng)當(dāng)瀆取ERR_STS寄存器的信息，該信息表明了發(fā)生錯(cuò)誤的原因。可能的錯(cuò)誤原因共有14種，包括固件下載異常中斷、自動(dòng)校準(zhǔn)失敗、測量周期過短和ADC無響應(yīng)。前3種情況可以通過軟件手段恢復(fù)，最后一種錯(cuò)誤，可以嘗試重新上電啟動(dòng)。
當(dāng)芯片處于正常工作狀態(tài)，得到的中斷應(yīng)該都是坐標(biāo)更新。不同版本的固件其產(chǎn)生該類型中斷的條件或有不同，為使得程序具有通用性，采取如下方法處理：將中斷設(shè)置為下降沿觸發(fā)，當(dāng)?shù)谝淮伟l(fā)生坐標(biāo)更新的中斷時(shí)，屏蔽該類型的中斷，然后讀取芯片的POS_X1_H～POS_ Y2_L(0x20～0x27)這8個(gè)寄存器。這些寄存器內(nèi)存儲(chǔ)的是兩個(gè)觸點(diǎn)的X與Y坐標(biāo)。若兩個(gè)觸點(diǎn)的坐標(biāo)不都為0，則有接觸發(fā)生，此時(shí)將接觸坐標(biāo)處理后上報(bào)至系統(tǒng)，并開啟一個(gè)定時(shí)器。利用定時(shí)器定時(shí)讀取坐標(biāo)信息，并將坐標(biāo)處理后上報(bào)至系統(tǒng)，直至讀取到兩個(gè)觸點(diǎn)的坐標(biāo)都為0。當(dāng)兩個(gè)觸點(diǎn)的坐標(biāo)都為0時(shí)，表明此次觸控操作結(jié)束，將坐標(biāo)上報(bào)后，關(guān)閉定時(shí)器，清除中斷信息，最后解除對(duì)坐標(biāo)更新中斷的屏蔽。這樣，一次完整的觸控操作的檢測就完成了。
這種方法的好處有以下兒點(diǎn)：
①首先，這種方法可以適用于不同版本的固件，當(dāng)固件有升級(jí)時(shí)不需要修改驅(qū)動(dòng)程序。
②其次，使用定時(shí)器來定時(shí)讀取坐標(biāo)可以有效減輕Host MCU的負(fù)擔(dān)。事實(shí)上考慮到人手的移動(dòng)速度，過高頻率地讀取坐標(biāo)完全沒有必要，只會(huì)造成Host MCU的負(fù)擔(dān)增加。可以根據(jù)系統(tǒng)的繁忙程度和采集到的信息情況選取一個(gè)合適的時(shí)間間隔。
③采用這種方法，INT引腳在有觸控的時(shí)候保持低電平，在沒有觸控的時(shí)候保持高電平，這也符合目前市場上絕大部分電阻式觸摸屏控制芯片的中斷定義，減輕了開發(fā)時(shí)候的工作量。

5 觸摸屏參數(shù)測定
由于不同的觸摸屏其物理參數(shù)不同，因此在實(shí)際使用前需要測定相關(guān)參數(shù)，并寫入芯片相關(guān)寄存器內(nèi)，供坐標(biāo)計(jì)算時(shí)使用。
需要測定的參數(shù)共有8個(gè)，分別存儲(chǔ)于CMN_SETUP2(0x31)、SETUP_X(0x34)、SETUP_Y(0x35)、OFS_X(0x36)、OFS_Y(0x37)、TH_DET_TOUCH(0x3A)、EVR_X(0x63)及EVR_Y(0x64)這8個(gè)寄存器內(nèi)。0x31寄存器存儲(chǔ)的主要是X軸與Y軸的方向設(shè)定信息。由于安裝時(shí)觸摸屏與顯示屏的坐標(biāo)方向可能不同，通過此參數(shù)設(shè)定使觸摸屏的坐標(biāo)系與顯爪屏統(tǒng)一。在完成方向沒定后，需要測定的參數(shù)為X方向與Y方向的ADC參考電阻阻值，數(shù)據(jù)分別存入0x63與0x64寄存器。之后設(shè)定的為0x3A寄存器，該寄存器存儲(chǔ)的參數(shù)為有觸點(diǎn)與無觸點(diǎn)的判斷閾值。0x34～0x37寄存器存儲(chǔ)的信息則用來判定是否兩點(diǎn)接觸并計(jì)算兩點(diǎn)坐標(biāo)。
此外，BU21023還有手勢識(shí)別功能，由于Android系統(tǒng)自帶有手勢識(shí)別，故不使用BU21023的此功能，因此手勢閾值參數(shù)不做測定，對(duì)應(yīng)的TH_DET_GESTURE(0x3B)寄存器直接使用初始值。
需要注意的是，這些參數(shù)測定的結(jié)果直接影響兩點(diǎn)檢測時(shí)的準(zhǔn)確度。因此，在開發(fā)時(shí)可以測定若下組參數(shù)后選取一組效果最佳的參數(shù)。

結(jié)語
BU21023具有低功耗、易開發(fā)的特點(diǎn)，可以在普通四線電阻式觸摸屏上實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)觸控功能。該芯片適用于各類便攜式電子設(shè)備，并可以幫助開發(fā)者用較低的硬件成本實(shí)現(xiàn)較好的用戶體驗(yàn)。因此，該芯片有望大規(guī)模應(yīng)用在移動(dòng)電話或平板電腦開發(fā)中。