基于觸摸傳感器QTll01的原理及觸摸屏設(shè)計(jì)

摘要：QTll01是QTouch電荷轉(zhuǎn)移(QT)器件，是一款完整的數(shù)字控制器，能檢測(cè)到接近或觸摸多達(dá)10個(gè)獨(dú)立按鍵時(shí)的信號(hào)，可廣泛應(yīng)用于MP3播放器、移動(dòng)式電話(huà)、PC外圍設(shè)備、電視機(jī)控制、定點(diǎn)設(shè)備、遠(yuǎn)距離控制等領(lǐng)域。詳細(xì)介紹了QTll01的原理及其在觸摸屏中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：QT1101；觸摸傳感器；電荷轉(zhuǎn)移；觸摸屏

l 引言
傳統(tǒng)的人機(jī)交流是通過(guò)鍵盤(pán)或鼠標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，信息交換的速度比較慢，而且要求操作者具有一定的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，這將使信息交流的目的大打折扣，因此需要一種非鍵盤(pán)、非鼠標(biāo)的方式來(lái)溝通，其中最具有應(yīng)用價(jià)值的就是觸摸屏技術(shù)。
觸摸屏技術(shù)是20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)的一種新的人機(jī)交互作用技術(shù)，主要分為電阻式、電容式、紅外線(xiàn)式和表面聲波式?；驹硎怯檬种富蚱渌矬w觸摸時(shí)，觸摸屏控制器檢測(cè)到觸摸位置，并通過(guò)接口送到CPU，從而確定輸入信息。觸摸屏具有堅(jiān)固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、操作靈活、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍非常廣闊，主要用于多媒體公共信息的查詢(xún)，如電信局、銀行等部門(mén)的業(yè)務(wù)查詢(xún)，機(jī)場(chǎng)、車(chē)站、賓館、旅游景點(diǎn)等的信息查詢(xún)及商場(chǎng)、超市導(dǎo)購(gòu)等；其次還可應(yīng)用于領(lǐng)導(dǎo)辦公、工業(yè)控制、軍事指揮、電子游戲、多媒體教學(xué)等，此外，觸摸屏正在走入家庭，如觸摸屏電話(huà)機(jī)、智能電腦電話(huà)等。本文提出了一種基于觸摸傳感器QT1101的觸摸屏設(shè)計(jì)方法，并詳細(xì)敘述了其基本原理。

2 觸摸屏設(shè)計(jì)
觸摸屏的設(shè)計(jì)原理很簡(jiǎn)單，其主要器件是QTl101和單片機(jī)，QT1101完成按鍵的檢測(cè)和確認(rèn)，然后把檢測(cè)到的按鍵信息送入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。基本框圖如圖1所示。

該設(shè)計(jì)的核心部分是觸摸傳感器QTll01，因此了解其工作原理對(duì)設(shè)計(jì)有很大的幫助。

3 QTll01基本原理
QTl101電荷轉(zhuǎn)移器件是一款獨(dú)立的專(zhuān)利型數(shù)字控制器，它可以檢測(cè)接近或觸摸多達(dá)10個(gè)獨(dú)立按鍵時(shí)的信號(hào)，QTl101的電極能發(fā)射穿透任何電介質(zhì)(如玻璃或塑料)的獨(dú)立感應(yīng)場(chǎng)，并具有連續(xù)自校準(zhǔn)功能，無(wú)需進(jìn)行調(diào)整。它是專(zhuān)為諸如控制面板、控制設(shè)備、游戲設(shè)備、照明控制或者任何有機(jī)械開(kāi)關(guān)或按鈕的人機(jī)接口而設(shè)計(jì)的，還可以用于材料傳感和控制應(yīng)用，每一個(gè)信道可相對(duì)其他信道獨(dú)立操作，通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)的外部電容Cs，每個(gè)信道可以調(diào)整到一個(gè)特定的靈敏度電平，從而實(shí)現(xiàn)高度的靈活性。

Quantum的鄰近按鍵抑制(AKS)專(zhuān)利技術(shù)能夠抑制來(lái)自微弱信號(hào)的觸摸，只允許檢測(cè)到一個(gè)主要的按鍵觸摸，避免由于手指覆蓋到其他相鄰的空鍵而影響使用。當(dāng)使用小控制面板時(shí)這個(gè)功能尤其重要，因?yàn)槭种缚赡芙佑|不止一個(gè)按鍵。
擴(kuò)頻突發(fā)脈沖技術(shù)可以提供很好的噪聲抑制。該器件的SYNC/LP引腳可以接類(lèi)似器件或者外部信息同步，或者選擇LP模式來(lái)節(jié)省功耗。
QTll01具有以下特點(diǎn)：
復(fù)位或重啟后需要450 ms的校準(zhǔn)初始化；
電荷轉(zhuǎn)移(QT)設(shè)計(jì)的專(zhuān)利技術(shù)；
10個(gè)獨(dú)立的QT傳感通道(按鍵)；
2.8 V～5.5 V的單電壓供電；
在360 ms低功耗模式(LP)下，3 V電壓消耗電流的典型值為40 μA；
100％全自動(dòng)，不需要調(diào)整；
自動(dòng)波特率的串行1線(xiàn)或2線(xiàn)接口完全無(wú)抖動(dòng)；
擴(kuò)頻突發(fā)脈沖模式進(jìn)行噪聲抑制；
引腳能很好地抑制低頻噪聲；
滑動(dòng)式應(yīng)用中的“快速模式”；
32-QFN或48-SSOP無(wú)鉛封裝。
圖2為QTll01的引腳排列(以32-QFN封裝為例)，表1為各個(gè)引腳的功能。

3.1 QTll01的引腳介紹
3.1.1 DETECT引腳
DETECT為10個(gè)按鍵的功能邏輯或，當(dāng)觸摸它時(shí)，可用于喚醒一個(gè)電池供電的產(chǎn)品。其輸出極性和該引腳的驅(qū)動(dòng)模式如表2所示。

3.1.2 CHANGE引腳
該引腳可以告知主機(jī)已經(jīng)檢測(cè)到了觸摸狀態(tài)的變化(如按鍵被觸摸或斷開(kāi))，然后主機(jī)通過(guò)串行接口讀取新的按鍵狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)按鍵狀態(tài)改變時(shí)，CHANGE變低，可以阻止傳送重復(fù)數(shù)據(jù)，如果CHANGE未用，既使沒(méi)有觸摸的變化主機(jī)也要一直查詢(xún)QT1l01。當(dāng)檢測(cè)到按鍵按下時(shí)，CHANGE變低并一直持續(xù)到主機(jī)通過(guò)串口查詢(xún)到該按鍵，然后CHANGE被釋放變?yōu)楦?，一直持續(xù)到按鍵狀態(tài)的下一個(gè)變化(任何鍵變高或變低)。
CHANGE為漏極開(kāi)路，需要通過(guò)一個(gè)100 kΩ的上拉電阻連接到VDD。
3.1.3 SYNC/LP引腳
如表3所示，SYNC/LP引腳的功能是根據(jù)SL_0和SL_l連接VDD還是VSS設(shè)定的。

(1)Sync模式
Sync模式允許調(diào)整突發(fā)脈沖與外部信號(hào)源(如主頻率50/60 Hz)同步，抑制干擾，還可以使在相近地方工作的兩個(gè)QT器件同步，這樣當(dāng)兩個(gè)器件的2個(gè)或多個(gè)按鍵距離比較近時(shí)不會(huì)相互干擾。
SYNC輸入是正脈沖觸發(fā)，如果SYNC的輸入沒(méi)有改變，該器件將在150 ms之后以自激頻率工作。當(dāng)SYNC有觸發(fā)脈沖時(shí)，器件則以A-B-C的順序激活三個(gè)突發(fā)脈沖：
突發(fā)脈沖A：按鍵O，1，4，5
突發(fā)脈沖B：按鍵2,3,6，7
突發(fā)脈沖C：按鍵8，9
(2)低功耗(LP)模式
在該模式下，功耗器件進(jìn)入慢速模式，具有較低的功耗，三種標(biāo)稱(chēng)的響應(yīng)時(shí)間為：120ms，200ms和360ms。
當(dāng)SYNC/LP引腳上有正脈沖時(shí)即進(jìn)入LP模式，一旦檢測(cè)到LP脈沖，器件就進(jìn)入并維持這種微安模式直至感應(yīng)到并確認(rèn)了一次觸摸之后，這時(shí)將自動(dòng)轉(zhuǎn)換為正常(全速)模式，其響應(yīng)時(shí)間典型值一般小于40 ms(與突發(fā)脈沖時(shí)間有關(guān))。當(dāng)SYNC/LP維持為高或者收到另一個(gè)LP脈沖時(shí)，器件將重新進(jìn)入LP模式。
響應(yīng)時(shí)間的設(shè)置是由可選電阻SL_l和SL_2來(lái)決定的，較短的相應(yīng)時(shí)間將具有較低的功耗。SYNC/LP的脈沖持續(xù)時(shí)間應(yīng)大于150μs，如果SYNC/LP引腳被永久地置為高電平，器件在一個(gè)按鍵觸摸時(shí)進(jìn)入正常模式，而當(dāng)按鍵狀態(tài)檢測(cè)完畢并被主機(jī)讀取后又返回低電流模式。如果SYNC/LP被永久地置為低電平，器件將一直維持正常全速模式工作。
3.1.4 OSC引腳
QT1101在全選模式下的電路連接圖如圖3所示，QTll01的內(nèi)部振蕩器是通過(guò)連接在OSC和SS引腳上的外部網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，所給出的推薦值是由標(biāo)稱(chēng)工作電壓和擴(kuò)頻模式來(lái)決定，如表4和表5所示。如果沒(méi)用擴(kuò)頻時(shí)，只用電阻Rb1，無(wú)需電容CSS，SS引腳通過(guò)100 kΩ的電阻連到VSS。

3.2 QTll01的特殊功能介紹
3.2.1 AKSTM功能
QT1l01的鄰近鍵抑制(AKSTM)功能特性有兩種模式，可通過(guò)可選電阻來(lái)控制。AKS可被禁止，這樣允許同一時(shí)刻任何組合的按鍵有效，當(dāng)AKS工作時(shí)，兩種模式如表6和表7所示。

全局：AKS功能同時(shí)對(duì)全部的lO個(gè)按鍵工作，也就是說(shuō)在任何一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)按鍵有效。
分組：AKS功能對(duì)三組按鍵工作(O-1-4-5，2-3-6-7和8-9)，也就是說(shuō)，在任何時(shí)刻最多可以有三個(gè)按鍵有效。
在分組模式下，一組中的按鍵對(duì)其他組的按鍵沒(méi)有AKS相互作用。
注意：在快速檢測(cè)模式下，AKS只能被禁止。
3.2.2 MOD_0和MOD_1輸入
在全選模式下，MOD_0和MOD_1用來(lái)設(shè)置最大持續(xù)時(shí)間的重新校準(zhǔn)超時(shí)。如果一個(gè)按鍵被持續(xù)按下的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而超過(guò)設(shè)定的時(shí)間時(shí)，將會(huì)對(duì)該特定按鍵自動(dòng)重新校準(zhǔn)，設(shè)定值為10 s、60 s和無(wú)窮大。
最大持續(xù)時(shí)間特性的工作是以單個(gè)按鍵為基礎(chǔ)的，當(dāng)一個(gè)按鍵被持續(xù)按下時(shí)，它的重新校準(zhǔn)對(duì)其他按鍵沒(méi)有影響。
MOD可選引腳的邏輯組合設(shè)置超時(shí)延遲，如表8所列。

在簡(jiǎn)化模式中，最大持續(xù)時(shí)間固定為60 s。
3.2.3 快速檢測(cè)功能
在很多設(shè)備中，需要以較快的速度感應(yīng)觸摸，這樣的例子包括卷動(dòng)滑動(dòng)帶或者斷開(kāi)按鈕。這時(shí)可以使器件工作在快速檢測(cè)模式，該模式通常只需要小于15 ms的反應(yīng)時(shí)間。在LP模式下，快速檢測(cè)不能加速初始延遲(根據(jù)可選設(shè)置其典型值可以高達(dá)360 ms)，但是，一旦檢測(cè)到按鍵，器件就被強(qiáng)制返回正常速度模式。在另一個(gè)LP脈沖到來(lái)之前器件會(huì)一直處于快速模式。在滑動(dòng)應(yīng)用中，按鍵工作時(shí)最好不用AKS。
在正常和快速模式下，處理一個(gè)按鍵釋放的時(shí)間是相同的，也就是需要6個(gè)時(shí)序確認(rèn)才能關(guān)掉一個(gè)按鍵。
快速檢測(cè)模式可由表6和表7所示的組合來(lái)激活。
3.2.4 簡(jiǎn)化模式
簡(jiǎn)化模式不需要大量的可選電阻，該模式是通過(guò)在引腳SNS6K和SNS7之間連接電阻進(jìn)行設(shè)置的，在該模式下，只有一種選擇是可用的——AKS使能或禁止。當(dāng)AKS禁止時(shí)，可工作在快速檢測(cè)模式，而當(dāng)AKS使能時(shí)，不能工作在快速檢測(cè)模式。而且AKS在該模式下只能是全局方式工作，也就是作用在全部的功能按鍵上。
其他的可選特性如下：
DETECT引腳：推挽式，高有效；
SYNC/LP：LP模式，200 ms的響應(yīng)時(shí)間；
最大持續(xù)時(shí)間：60 s。
3.3 QTll01的串行通信
QTll01的串行通信模式有兩種：1線(xiàn)模式(1W)和2線(xiàn)模式(2W)，下面分別介紹各個(gè)部分的基本原理。
3.3.1 串行1線(xiàn)(1W)接口
串行1W接口是基于RS-232的自動(dòng)波特率串行異步接口，它只需要主機(jī)MCU和QTll01之間的一根接線(xiàn)，串行數(shù)據(jù)短并且容易理解。1W總線(xiàn)是雙向的，其串行工作的基本時(shí)序如圖4(a)所示。

在傳送中，主機(jī)可以通過(guò)漏極開(kāi)路或者推挽式驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)1W總線(xiàn)，但是，如果主機(jī)使用推挽式驅(qū)動(dòng)，當(dāng)處理完停止位后就要釋放1W總線(xiàn)以免在QTll01發(fā)送應(yīng)答時(shí)有驅(qū)動(dòng)沖突。如果主機(jī)使用開(kāi)漏極傳送，上拉電阻的值應(yīng)與期望的波特率保持最優(yōu)化，快速率要求小電阻防止出現(xiàn)上升時(shí)間過(guò)快的問(wèn)題，在19 200 kb/s波特率時(shí)對(duì)應(yīng)的典型阻值為100 kΩ。
圖4(b)為主機(jī)請(qǐng)求位(“Pt”)的形式(RS-232格式)，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，波特率為8 000 b/s~38 400 b/s，其中第一個(gè)“S”是起始位，后一個(gè)“S”就是停止位，這種位格式不能改變，QT1101響應(yīng)的波特率與接收的“P”字符相同，圖4(c)給出了QTll01上的應(yīng)答字節(jié)格式。
當(dāng)發(fā)送“P”字符后，主機(jī)應(yīng)立即使1 W信號(hào)懸空，防止主機(jī)和QTll01之間的驅(qū)動(dòng)沖突。從接收停止位到OT1101驅(qū)動(dòng)1W引腳的延遲時(shí)間為1~3位周期，因此，主機(jī)應(yīng)該在一個(gè)位周期內(nèi)懸空該引腳來(lái)防止驅(qū)動(dòng)沖突。
3.3.2 2W工作
如上所述，1W總線(xiàn)工作中，當(dāng)?shù)却齉Tll01的應(yīng)答時(shí)，主機(jī)應(yīng)懸空1W總線(xiàn)，但是，這樣一般是不可能實(shí)現(xiàn)的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，QTll01也可以從主機(jī)通過(guò)RX引腳來(lái)接收字符“P”，而與1W引腳分離開(kāi)來(lái)，如圖5所示。由于QTll01從不驅(qū)動(dòng)RX，主機(jī)不用懸空RX。

RX上接收“P”后，QT1l01將像單純的1W模式時(shí)一樣通過(guò)1W總線(xiàn)發(fā)送相同的響應(yīng)格式。

4 結(jié)束語(yǔ)
本文給出了一種觸摸屏的設(shè)計(jì)方法，并介紹了觸摸傳感器QT1l01的基本原理，該器件具有性能高、費(fèi)用低的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于MP3播放器、移動(dòng)式電話(huà)、PC外圍設(shè)備、電視機(jī)控制，定點(diǎn)設(shè)備，遠(yuǎn)距離控制等領(lǐng)域。而基于QTll01設(shè)計(jì)的觸摸屏可用于多媒體公共信息查詢(xún)等一些需要快速人機(jī)交互的場(chǎng)合。