電感式觸摸屏控制系統(tǒng)硬軟件設(shè)計(jì)

圖1 觸摸屏控制電路整體結(jié)構(gòu)

1. 模擬電子開(kāi)關(guān)電路

　　模擬電子開(kāi)關(guān)電路如圖2所示，該電路的功能是驅(qū)動(dòng)觸摸屏檢測(cè)裝置，將觸摸信號(hào)傳送到信號(hào)處理電路。其電路主要是由CD4051組成，CD4051是一個(gè)8通道數(shù)字控制模擬開(kāi)關(guān)，該芯片有3位二進(jìn)制控制輸入端A、B、C 和一個(gè)使能輸入端INH,以及8個(gè)信號(hào)輸入端和1個(gè)公共輸出端。當(dāng)INH輸入端為高電平時(shí)，所有通道截止；當(dāng)INH為低電平時(shí)，單片機(jī)通過(guò)3位二進(jìn)制信號(hào)A、B、C選通一個(gè)通道的輸入信號(hào)，從公共輸出端OUT輸出，經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大電路及濾波電路后，將觸摸信號(hào)分別發(fā)送到頻率檢測(cè)電路和電壓整流電路的TOUCH_SIN端。圖2中AX、BX、CX是X軸方向上電子開(kāi)關(guān)的控制輸入端，A0~A4是X軸方向上的電子開(kāi)關(guān)的使能端，X00~X34與觸摸屏檢測(cè)裝置X軸接口相連接，由于一個(gè)CD4051芯片只有8個(gè)通道的數(shù)字模擬開(kāi)關(guān)，不能滿足線圈數(shù)量的需求，故這里設(shè)計(jì)了由5個(gè)CD4051（U1~U5）組成的X軸方向上的模擬電子開(kāi)關(guān)電路。同理可設(shè)計(jì)Y軸方向上模擬電子電路。AY、BY、CY為控制輸入端，B0~B3作為使能端，Y軸由4個(gè)CD4051（U6~U9）組成，圖中Y00~Y29與觸摸屏檢測(cè)裝置Y軸接口相連接。

圖2 模擬電子開(kāi)關(guān)電路

2. 觸摸信號(hào)頻率檢測(cè)電路

　　觸摸信號(hào)的頻率是由觸摸筆發(fā)出，觸摸筆上有兩個(gè)按鍵，按下這兩個(gè)按鍵可以輸出兩個(gè)不同頻率的信號(hào)，分別為k1、k2.觸摸筆的作用相當(dāng)于鼠標(biāo)，當(dāng)觸摸筆輸出一次k1頻率時(shí)相當(dāng)于點(diǎn)擊一下鼠標(biāo)左鍵，輸出一次k2頻率相當(dāng)于點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵。當(dāng)觸摸筆筆尖與LCD距離≤3~5cm時(shí)，觸摸檢測(cè)裝置可感應(yīng)到觸摸信號(hào)，這時(shí)光標(biāo)隨著觸摸筆在LCD上移動(dòng)。觸摸信號(hào)頻率檢測(cè)精度的高低是觸摸屏是否穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。頻率檢測(cè)電路及仿真結(jié)果如圖3、圖4所示，TOUCH_SIN端為觸摸信號(hào)輸入端，通過(guò)施密特觸發(fā)器，然后信號(hào)從FRE端發(fā)送到單片機(jī)，進(jìn)行運(yùn)算處理，計(jì)算出觸摸信號(hào)的頻率。利用Multisim軟件平臺(tái)建立出頻率檢測(cè)電路仿真模型，從仿真結(jié)果中可以看到，經(jīng)過(guò)處理后的觸摸信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有相同周期T的方波信號(hào)，將方波信號(hào)傳送到微處理器，微處理器在t時(shí)間里計(jì)算出方波的個(gè)數(shù)n,則信號(hào)的周期T=t/n,頻率f=1/T,由此確定觸摸信號(hào)的頻率。

圖3 頻率檢測(cè)電路

　　單片機(jī)從端口TOUCH_SIN獲得的頻率信號(hào)的質(zhì)量，決定了觸摸屏能否快速響應(yīng)正確的觸摸動(dòng)作.因此，在觸摸信號(hào)頻率檢測(cè)電路設(shè)計(jì)中，使用施密特觸發(fā)器（SN74LVC1G14）可以將觸摸時(shí)產(chǎn)生的鋸齒波形信號(hào)整形成較規(guī)則的方波信號(hào)。經(jīng)過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，也可以有效消除觸摸時(shí)因其他信號(hào)對(duì)頻率的干擾或過(guò)快點(diǎn)擊對(duì)觸摸屏精度造成的影響。

圖4 仿真結(jié)果

3. 觸摸信號(hào)電壓整流電路

圖5 觸摸信號(hào)整流電路

　　當(dāng)觸摸筆靠近LCD時(shí)，觸摸檢測(cè)器獲得感應(yīng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)電子開(kāi)關(guān)及信號(hào)處理電路后，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行整流。觸摸信號(hào)整流電路如圖5所示。觸摸信號(hào)由TOUCH_SIN輸入，經(jīng)過(guò)二極管D整流。圖中CONTROL與HT460RB70的PC4引腳相連接， HT460RB70通過(guò)PC4引腳控制三極管的導(dǎo)通狀態(tài)，通過(guò)電容充放電直接影響整流后的波形，使其更加準(zhǔn)確。信號(hào)整流后還需經(jīng)過(guò)一個(gè)同相放大電路，然后從SIN發(fā)送到HT460RB70單片機(jī)PCO/INT引腳。在Multisim中對(duì)觸摸電壓信號(hào)整流電路的仿真結(jié)果如圖6所示，圖中信號(hào)SIN是處理后的信號(hào)波形。其結(jié)果表明，通過(guò)整流后得到平滑穩(wěn)定的直流電壓信號(hào)，有利于提高A/D轉(zhuǎn)換的精度。

圖6 仿真結(jié)果

4. MCU電路

　　MCU電路采用Holtek公司的RISC單片機(jī)--HT47RB70.該單片機(jī)是A/D轉(zhuǎn)換型8位USB單片機(jī)，專門(mén)為USB產(chǎn)品而設(shè)計(jì)，尤其適用于USB或SPI接口觸控屏、觸控按鍵等產(chǎn)品。

　　基于HT47RB70的電感式觸摸屏MCU電路如圖7所示。HT47RB70采用上電復(fù)位方式進(jìn)行復(fù)位，AX、BX、CX和AY、BY、CY與其PD0~PD2和PA0~PA2引腳分別作為X軸和Y軸電子開(kāi)關(guān)電路的選擇端。PD3~PD6和PA3~PA6分別作為X軸和Y軸上電子開(kāi)關(guān)電路的使能端。PE0~PE2作為信號(hào)修正電路的控制端。通過(guò)觸摸電壓處理電路后的信號(hào)通過(guò)PB0/AN0輸入單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器得出觸摸電壓的值，從而辨別出觸摸效果。頻率信號(hào)通過(guò)PC0/INT輸入單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)方波個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，即可得出信號(hào)的頻率。最后通過(guò)將觸摸信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)鼠標(biāo)信號(hào)，通過(guò)USB接口輸出到計(jì)算機(jī)，達(dá)到觸摸效果。

圖7 MCU電路

5. 軟件設(shè)計(jì)

　　電感式觸摸屏控制器軟件設(shè)計(jì)主要包括：I/O初始化程序、定時(shí)計(jì)數(shù)器初始化、觸摸筆中斷服務(wù)程序、與計(jì)算機(jī)通信程序和主程序幾部分。觸摸筆中斷程序中包括觸摸坐標(biāo)計(jì)算程序和觸摸信號(hào)頻率計(jì)算程序。當(dāng)觸摸控制器接收到觸摸信號(hào)時(shí)，MCU響應(yīng)觸摸筆中斷服務(wù)程序，得到觸摸LCD的坐標(biāo)，啟動(dòng)與計(jì)算機(jī)通信程序，將觸摸信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，這樣完成一次觸摸。

結(jié)束

本文在介紹電感式觸摸屏的結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)之上,設(shè)計(jì)了以HT46RB70單片機(jī)為控制核心的電感式觸摸屏控制器。電感式控制器觸摸檢測(cè)裝置采用后置的方式,避免了觸摸過(guò)程中的機(jī)械損傷,延長(zhǎng)了觸摸屏的壽命,同時(shí)具有低成本的優(yōu)點(diǎn)。該控制器的硬件電路及軟件部分已全部實(shí)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制器具有較好的穩(wěn)定性,且適用溫度范圍廣。