一种电感式触摸屏控制器设计

一一种种电电感感式式触触摸摸屏屏控控制制器器设设计计 2013 年 3 月 4 日 来源 大比特半导体器件网 引引言言 触摸屏是目前最友好的计算机用户接口界面 在消费电子业的应用越来越 广泛 触摸屏主要由两部分组成 触摸检测装置和触摸屏控制器 目前主流触 摸屏产品的触摸检测装置都是采用前置的方式 在触摸过程中会对检测装置的机 械结构造成损坏 导致触摸屏触摸精度下降 寿命缩短 此外 常用的电容 电阻式的触摸屏的成本相对较高 本文设计了一种后置式电感式触摸屏 避免触 摸过程中对触摸检测装置的损坏 延长触摸屏产品的寿命 成本也相对较低 1 电电感感式式触触摸摸屏屏的的工工作作原原理理 1 1 触触摸摸屏屏整整体体结结构构 电感式触摸屏整体结构如图1 所示 需要特别说明的是 电感式触摸屏要 用专用的触摸笔来达到触摸输入的效果 触摸笔可以发出120 180 kHz 频 率范围内的信号 这里不详细介绍触摸笔的原理 上面是LCD 显示器 下面是触摸屏检测装置 触摸检测装置通过FPC Flexible Printed Circuit board 柔性印刷电路板 与触摸屏控制器连接 由触摸屏结构图中可以看出 在 利用触摸屏输入时 触摸笔不与触摸检测装置直接接触 这样避免了对触摸检测 装置的机械损坏 提高了整个触摸控制系统的寿命 图 1 电感式触摸屏整体结构 1 2 触触摸摸检检测测装装置置结结构构 触摸检测装置是由厚度为0 8 mm 的软性 PCB Printed Circuit Board 构 成 在 PCB 内部镶嵌着两层横 Y 轴 竖 X 轴 垂直交叉的导线 每一组交叉 的导线之间都是绝缘的 导线的一端接地 另一端通过FPC 与触摸屏控制器 中模拟电子开关CD4051 的输入端相连接 X Y 轴方向上的线圈数量根据 显示器的尺寸来确定 触摸检测装置结构如图2 所示 该触摸检测装置X 轴方向由35 个线圈 Y 轴由 30 个线圈组成 适用于14 英寸显示屏使用 图 2 触摸检测装置结构 1 3 触触摸摸屏屏坐坐标标的的确确定定方方法法 当用户将触摸笔接近检测装置时 检测装置会感应到信号 触摸信号采用分 时扫描的方式进行检测 如图2 右侧是触摸点P 局部放大图 假如触摸到P 点时 在Xn Xn 1 和 Ym Ym 1 线圈上会感应到电磁信号 使得检测端口 的信号由零变为非零 首先对X 轴方向进行扫描 通过模拟电子开关扫描到 Xn 上的信号 由CD4051 公共输出引脚输出到OUT 端 再把信号经放大滤 波 电压整流电路后传送到MCU 由 MCU 完成 A D 转换 得到一个电压值 Vn 接着扫描到Xn 1 上的信号 同样也经过放大 滤波 整流后将信号发送到 MCU 进行 A D 转换得到一个电压值Vn 1 X 轴方向上扫描完成后 再扫描Y 轴 同理可以在Ym Ym 1 上检测到两个电压值Vm Vm 1 利用检测到 的 4 个电压值Vn Vn 1 Vm Vm 1 可计算出触摸坐标 计算公式如下 其中 Xn Ym Xn 1 Ym 1 是已知坐标 Vx Vy 为已知常数 Vx 是触摸笔在Xn 轴上时 Vn 与 Vn 1 的差值 Vy 则是触摸笔在Ym 轴 上时 Vm 与 Vm 1 的差值 从触摸屏控制器获得的X 与 Y 值仅是当前触摸屏的坐标 它不具有实用 价值 这个值不但与触摸屏分辨率有关 而且也与触摸屏和LCD 的贴合状 况有关 4 LCD 与触摸屏的分辨率和坐标是不一样的 因此 如果想得到体现 LCD 坐标的触摸屏位置 还需要在程序中进行转换 其转换公式如下 其中 LCDWidth LCDHeight 是液晶屏的宽度与高度 XLCD min XLCD max 和 YLCD min YLCD max 分别是触摸屏横纵坐标 的最大 最小值 2 触触摸摸屏屏控控制制系系统统硬硬件件设设计计 触摸屏控制电路整体结构如图3 所示 当用触摸笔触摸LCD 显示屏时 触摸检测装置对应的X Y 轴上会分别感应到一个信号 这个信号经过模拟电 子开关 然后经两级放大 滤波 将得到的信号分两路处理 一路是电压整流 另一路是频率检测电路 得到的数据通过MCU HT46RB70 计算 判断出触摸 屏的位置及触摸的方式 再由MCU 将触摸信号发送到计算机 最终实现触摸 输入 整个触摸屏控制电路的时序都是由单片机控制的 其他模块的电路见后面 的详细介绍 图 3 触摸屏控制电路整体结构 2 1 模模拟拟电电子子开开关关电电路路 模拟电子开关电路如图4 所示 该电路的功能是驱动触摸屏检测装置 将 触摸信号传送到信号处理电路 其电路主要是由CD4051 组成 CD4051 是一个 8 通道数字控制模拟开关 该芯片有3 位二进制控制输入端 A B C 和一个使能输入端INH 以及 8 个信号输入端和1 个公共输出端 当 INH 输入端为高电平时 所有通道截止 当 INH 为低电平时 单片机通过 3 位二进制信号A B C 选通一个通道的输入信号 从公共输出端OUT 输出 经过两级放大电路及滤波电路后 将触摸信号分别发送到频率检测电路和 电压整流电路的TOUCH SIN 端 图 4 中 AX BX CX 是 X 轴方向上电子 开关的控制输入端 A0 A4 是 X 轴方向上的电子开关的使能端 X00 X34 与触摸屏检测装置X 轴接口相连接 由于一个CD4051 芯片只有 8 个通道的数字模拟开关 不能满足线圈数量的需求 故这里设计了由5 个 CD4051 U1 U5 组成的 X 轴方向上的模拟电子开关电路 同理可设计 Y 轴方向上模拟电子电路 AY BY CY 为控制输入端 B0 B3 作为使能 端 Y 轴由 4 个 CD4051 U6 U9 组成 图中Y00 Y29 与触摸屏检测装置 Y 轴接口相连接 图 4 模拟电子开关电路 2 2 触触摸摸信信号号频频率率检检测测电电路路 触摸信号的频率是由触摸笔发出 触摸笔上有两个按键 按下这两个按键可 以输出两个不同频率的信号 分别为k1 k2 触摸笔的作用相当于鼠标 当 触摸笔输出一次k1 频率时相当于点击一下鼠标左键 输出一次k2 频率相 当于点击鼠标右键 当触摸笔笔尖与LCD 距离 3 5 cm 时 触摸检测装置 可感应到触摸信号 这时光标随着触摸笔在LCD 上移动 触摸信号频率检 测精度的高低是触摸屏是否稳定的关键因素 频率检测电路及仿真结果如图5 图 6 所示 TOUCH SIN 端为触摸信号输入端 通过施密特触发器 然后信号 从 FRE 端发送到单片机 进行运算处理 计算出触摸信号的频率 利用 Multisim 软件平台建立出频率检测电路仿真模型 从仿真结果中可以看到 经过 处理后的触摸信号转换为具有相同周期T 的方波信号 将方波信号传送到微 处理器 微处理器在t 时间里计算出方波的个数n 则信号的周期T t n 频 率 f 1 T 由此确定触摸信号的频率 图 5 频率检测电路 单片机从端口TOUCH SIN 获得的频率信号的质量 决定了触摸屏能否快 速响应正确的触摸动作 因此 在触摸信号频率检测电路设计中 使用施密特触 发器 SN74LVC1G14 可以将触摸时产生的锯齿波形信号整形成较规则的方波信 号 经过这样的设计 也可以有效消除触摸时因其他信号对频率的干扰或过快点 击对触摸屏精度造成的影响 图 6 仿真结果 2 3 触触摸摸信信号号电电压压整整流流电电路路 图 7 触摸信号整流电路 当触摸笔靠近LCD 时 触摸检测器获得感应信号 经过电子开关及信号处 理电路后 再对信号进行整流 触摸信号整流电路如图7 所示 触摸信号 由 TOUCH SIN 输入 经过二极管D 整流 图中CONTROL 与 HT460RB70 的 PC4 引脚相连接 HT460RB70 通过 PC4 引脚控制三极管的 导通状态 通过电容充放电直接影响整流后的波形 使其更加准确 信号整流后 还需经过一个同相放大电路 然后从SIN 发送到 HT460RB70 单片机 PCO INT 引脚 在Multisim 中对触摸电压信号整流电路的仿真结果如图 8 所示 图中信号SIN 是处理后的信号波形 其结果表明 通过整流后得到平 滑稳定的直流电压信号 有利于提高A D 转换的精度 图 8 仿真结果 2 4 MCU 电电路路 MCU 电路采用Holtek 公司的 RISC 单片机 HT47RB70 该单片机是 A D 转换型 8 位 USB 单片机 专门为USB 产品而设计 尤其适用于USB 或 SPI 接口触控屏 触控按键等产品 基于 HT47RB70 的电感式触摸屏MCU 电路如图9 所示 HT47RB70 采用上电复位方式进行复位 AX BX CX 和 AY BY CY 与其 PD0 PD2 和 PA0 PA2 引脚分别作为X 轴和 Y 轴电子开关电路的选择端 PD3 PD6 和 PA3 PA6 分别作为X 轴和 Y 轴上电子开关电路的使能端 PE0 PE2 作为信号修正电路的控制端 通过触摸电压处理电路后的信号通过 PB0 AN0 输入单片机 经过单片机内部的A D 转换器得出触摸电压的值 从 而辨别出触摸效果 频率信号通过PC0 INT 输入单片机 通过单片机在单位 时间内对方波个数的计数 即可得出信号的频率 最后通过将触摸信号转换成标 准鼠标信号 通过USB 接口输出到计算机 达到触摸效果 图 9 MCU 电路 3 软软件件设设计计 电感式触摸屏控制器软件设计主要包括 I O 初始化程序 定时计数器 初始化 触摸笔中断服务程序 与计算机通信程序和主程序几部分 触摸笔中断 程序中包括触摸坐标计算程序和触摸信号频率计算程