刘彦文《基于ARM的嵌入式系统原理及应用》第9章

基于ARM的

嵌入式系统原理及应用

刘彦文编著

2017年2月

第9章ADC与触摸屏接口、

片外DAC连接举例

高等院校信息技术规划教材本课件的配套教材《基于ARM的嵌入式系统原理及应用》

刘彦文清华大学出版社2017/2

第9章ADC与触摸屏接口、

片外DAC连接举例

9.1ADC与触摸屏接口基础知识ADC（AnalogtoDigitalConverter，模数转换器）也称A/D转换器。ADC把输入的模拟量，例如电压，转换成对应的二进制数。触摸屏（TouchScreen，TS）接口对触摸屏进行控制；对电阻式触摸屏，它将触点X/Y位置模拟电压通过A/D转换器转换成对应的二进制数。触摸屏是覆盖在显示器上的输入设备，它记录触摸位置，将使用者对显示信息作出的反应，通过触摸屏接口输入到微处理器。

9.1.1ADC基础知识A/D转换器电路，有的集成为一个单独的芯片，也有的集成在微处理器芯片内部。高档单片机、嵌入式微处理器通常将ADC电路集成在芯片内部。A/D转换器模拟输入信号通常使用直流电压信号，信号电压范围有0~5V的，也有0~3.3V的等等。通常有多路模拟输入信号，例如8路，分别连接到一个A/D转换器的8个引脚端。8路模拟输入信号每1路的信号地，都连接到A/D转换器的模拟地引脚端。A/D转换器内部有一个模拟多路选择器，某一时刻只能将一路模拟输入信号，通过模拟多路选择器接通，经过采样、保持电路后进行A/D转换，而其他路模拟输入信号被断开。多路模拟输入信号需要分时、分别进行转换。A/D转换器内部模拟多路选择器，也称为通道选择电路或多路模拟开关。采样、保持电路通常与A/D转换器集成在一起。采样、保持电路的组成见图9.1。图9.1采样、保持电路图9.1中，采样、保持电路的输入连接多路选择器的输出，在采样脉冲高电平控制下，状态控制开关闭合，对输入信号采样，电容电压随模拟输入信号改变；采样脉冲变为低电平后，状态控制开关断开，电容电压保持不变。采样、保持电路的输出跟随电容电压的变化，可以看作A/D转换器是对电容电压进行转换。一次A/D转换结束，A/D转换器停止转换操作，等待处理器读取数据。表示一次A/D转换结束，常用的一种方法是ADC转换结束发出中断请求，通知处理器读取转换数据；常用的另一种方法是在ADC内部设置一个转换结束标志位，一次A/D转换结束，将标志位置1，处理器读取标志位，判断A/D转换是否结束，决定是否读取转换数据。A/D转换器开始新的一次转换有两种常用的方法，一种方法是指定A/D转换器中的某一控制位，设置为1表示开始新的一次转换操作；另一种方法是以每次读取A/D转换数据的操作，触发开始新的一次转换。9.1.2四线电阻式触摸屏接口基础知识⒈

四线电阻式触摸屏组成及工作原理图9.2为四线电阻式触摸屏截面图及在X电极对上施加确定的电压后，X方向导电层不同位置电压示意图。图9.2四线电阻式触摸屏截面图及

X方向导电层不同位置电压示意图

图9.2中，触摸屏下层表面是玻璃或透明膜，上层表面为防刮透明膜。触摸屏内部上、下各有一层透明导电层，也称电阻层。触摸屏内部透明绝缘隔离球，将上、下两层透明导电层隔离开。上层导电层有弹性，受到按压动作后，会与下层导电层接触。每一导电层连接两个电极，如图中能看到的上层X+、X-和下层Y+电极，下层Y-电极在截面图中无法看到。单独在X+、X-电极之间施加一定的电压，不在Y+、Y-电极上施加电压，那么在X+、X-电极之间的电阻使得电流通过该层时，产生电势差，如图9.2中下半部分所示。图9.3给出了上导电层X+、X-电极、下导电层Y+、Y-电极的位置。图9.3（a）和图9.3（b）分别表示，检测触点位置时，要先在X+、X-电极对施加电压，Y+、Y-电极对不施加电压；然后在Y+、Y-电极对施加电压，X+、X-电极对不施加电压。图9.3电极位置及X、Y电极对

分别施加电压图图9.4表示当触针向下动作，触摸屏上、下导电层在触点处接触时，各电极的引脚状态以及以电阻形式表示的触摸屏工作原理图。

图9.4触摸屏工作原理图

图9.4（a）表示，在X+、X-电极对施加电压，Y+、Y-电极对不施加电压。Y-连接状态为对地高阻，通过电流非常小，计算时可以忽略从触点经由Y-的电流。Y+连接到A/D转换器输入端，由于A/D转换器输入阻抗非常大，从触点流到A/D转换器的电流非常小，计算时可以忽略。因此由Y+电极送到A/D转换器的电压，就是X方向触点的电压。同理，图9.4（b）表示，在Y+、Y-电极对施加电压，X-连接状态为对地高阻，X+连接到A/D转换器输入端，X+电极电压就是Y方向触点的电压。⒉四线电阻式触摸屏接口主要操作接口主要操作包括：有触摸动作时首先控制X+、X-电极对施加电压，Y+电极与A/D转换器连接、Y-电极对地高阻，读A/D转换值；然后控制Y+、Y-电极对施加电压，X+电极与A/D转换器连接，X-电极对地高阻，读A/D转换值；另外还有检测触摸动作，产生中断请求等操作。9.2S3C2440A/S3C2410AADC

与触摸屏接口概述9.2.1概述S3C2440A/S3C2410A芯片内有一个带有8通道模拟输入的10位ADC，是一种能够反复循环进行模数转换的设备。ADC转换模拟输入信号成为10位二进制数代码，使用2.5MHzA/D转换器时钟时，最大转换速率为500KSPS。KSPS（KiloSamplesPerSecond）译作每秒千次采样，或千次采样/秒。A/D转换器操作使用的采样和保持功能，由芯片内部提供。ADC支持节电模式。

S3C2440A/S3C2410A支持触摸屏接口，接口由触摸屏面板，4个外部晶体管，1个外部电压源，AIN[7]和AIN[5]组成，见图9.6。触摸屏接口能够控制和选择控制信号（nYPON、YMON、nXPON和XMON），模拟信号输入引脚AIN[7]、AIN[5]分别与触摸屏面板XP、YP引脚连接，同时与X位置转换晶体管、Y位置转换晶体管连接。触摸屏接口含有外部晶体管控制逻辑和带中断产生逻辑的ADC接口逻辑。

9.2.2主要特点S3C2440A/S3C2410A芯片内ADC与触摸屏主要特点：·分辨率为10位（bit）；·微分线性误差：±1.0LSB；积分线性误差：±2.0LSB；·最大转换速率为500KSPS；·电源电压：3.3V；模拟输入电压范围：0~3.3V；·采样和保持功能在片内实现；·支持通常（Normal）转换模式；·支持分别的X/Y位置转换模式；·支持自动连续的X/Y位置转换模式；·支持等待外部中断模式；·低功耗。

9.2.3ADC与触摸屏接口用到的

S3C2440A/S3C2410A引脚信号AIN[7:0]引脚分别连接8路模拟输入信号，如果不使用应该接地。GPG[15:12]引脚（图9.5中用EINT[23:20]标出）分别输出nYPON、YMON、nXPON和XMON4个控制信号，控制X方向电极对连接外部电压源及地线与否；控制Y方向电极对连接外部电压源及地线与否。另外，外部电压源VDDA_ADC及地VSSA_ADC不连接微处理器引脚，分别连接到3.3V和地。9.3S3C2440A/S3C2410A

ADC与触摸屏接口操作9.3.1功能框图图9.5给出了S3C2440A/S3C2410AA/D转换器与触摸屏接口的功能框图。

图9.5ADC与触摸屏接口功能框图

（等待中断模式）AIN[7]通过一个上拉电阻（由晶体管实现，也称上拉开关），与VDDA_ADC连接。图9.5中，如果不使用触摸屏接口功能，全部模拟信号输入引脚AIN[7:0]都可以作为一般模拟信号输入通道；如果使用触摸屏接口功能，AIN[7]和AIN[5]用于对触摸屏模拟信号进行转换，其余引脚仍可以作为一般模拟信号输入通道。9.3.2触摸屏应用举例本例中触摸屏面板XP引脚与AIN[7]连接，YP引脚与AIN[5]连接。为了控制触摸屏面板XP、XM、YP和YM引脚，S3C2440A/S3C2410A芯片外使用了4个外部晶体管，控制信号nYPON、YMON、nXPON和XMON与这4个晶体管连接。见图9.6。图9.6ADC与触摸屏接口举例如果使用触摸屏，建议用以下步骤进行操作：·将外部晶体管连接到触摸屏面板的引脚及S3C2440A/S3C2410A引脚，见图9.6；·选择使用分别X/Y位置转换模式或自动连续X/Y位置转换模式去获得X/Y位置；·设置触摸屏接口为等待中断模式；·如果中断出现，分别X/Y位置转换模式或自动连续X/Y位置转换模式中的一种模式被激活；·得到X/Y位置相应的值以后，返回等待中断模式。9.3.3功能描述⒈A/D转换时间当PCLK频率是50MHz，并且可以在ADCCON寄存器中设置的预分频值为49，那么全部10位转换时间是：A/D转换频率=50MHz/(49+1)=1MHz转换时间=1/(1MHz/5cycles)=1/200KHz=5µsA/D转换器被设计成能够在最大2.5MHz时钟下操作，因此转换速率最高为500KSPS。⒉

触摸屏接口模式⑴

通常（Normal）转换模式当设置ADCTSC寄存器中AUTO_PST=0，并且XY_PST=00时，ADC被设置为通常ADC转换模式，这种模式用于通用的ADC转换。这种模式通过设置ADCCON和ADCTSC寄存器进行初始化，读ADCDAT0寄存器XPDATA域的值，结束一次转换。⑵分别X/Y位置转换模式分别X/Y位置转换模式由两种转换模式组成：

X位置测量模式和Y位置测量模式。第一种模式以如下方法被操作：当设置ADCTSC寄存器中AUTO_PST=0，并且XY_PST=01时，表示X位置测量模式。在这种模式下，触摸屏X位置转换数据被写到ADCDAT0寄存器的XPDATA域。转换后，触摸屏接口产生中断源INT_ADC到中断控制器。第二种模式以如下方法被操作：当设置ADCTSC寄存器中AUTO_PST=0，并且XY_PST=10时，表示Y位置测量模式。在这种模式下，触摸屏Y位置数据被写到ADCDAT1寄存器的YPDATA域。转换后，触摸屏接口也产生中断源INT_ADC到中断控制器。在分别X/Y位置转换模式，触摸屏面板引脚的条件见P355表9-1，参见图9.6。

⑶自动连续X/Y位置转换模式当ADCTSC寄存器中AUTO_PST=1，并且XY_PST=00时，设置为自动连续X/Y位置转换模式，以如下方法被操作：触摸屏控制器自动转换X位置和Y位置。触摸屏控制器写X测量数据到ADCDAT0寄存器的XPDATA域，写Y测量数据到ADCDAT1寄存器的YPDATA域。自动连续位置转换以后，触摸屏控制器产生中断源INT_ADC到中断控制器。自动连续X/Y位置转换模式，触摸屏面板引脚条件见P356表9-2。⑷等待中断模式当设置ADCTSC寄存器中AUTO_PST=0，并且XY_PST=11时，触摸屏控制器处于等待中断模式，它等待触针向下动作出现。当触摸屏面板触针向下动作出现，触摸屏控制器产生中断INT_TC信号。中断发生后，可设置为分别X/Y位置转换模式或自动连续X/Y位置转换模式，读入X和Y位置的对应值。等待中断模式，触摸屏面板引脚条件见P356表9-3。⒊备用（Standby）模式当ADCCON寄存器中STDBM位被设置为1时，备用模式被激活。在备用模式，A/D转换操作被停止，ADCDAT0寄存器的XPDATA域的值和ADCDAT1寄存器的YPDATA域的值，是前一次转换的数值。⒋编程注意⑴可以用中断或查询（polling）方法，读取A/D转换数据。使用中断方法，全部转换时间，即从A/D转换开始到读转换数据，可能会有一定的延时，这是由中断服务例程的返回时间和数据访问时间决定的。使用查询方法，可以检查寄存器的ADCCON[15]位，这一位是转换结束标志位，由此确定读ADCDAT寄存器的时间。⑵当一次A/D转换完成，A/D转换器停止操作，等待转换后的数据被读取。A/D转换器能够以不同的方法被激活，例如将寄存器ADCCON[1]位设置为1，表示由读A/D转换数据的操作，激活A/D转换器开始新的一次转换操作。当然，也可以通过设置寄存器ADCCON[0]位为1，激活A/D转换器开始新的一次转换操作。9.4S3C2440A/S3C2410AADC

与触摸屏接口特殊功能寄存器S3C2440A比S3C2410A增加了两处功能，一是ADCTSC[8]位定义了新的功能，另外新定义了ADC触摸屏触针抬起、向下中断检查寄存器ADCUPDN，详见表9-5、表9-9。见P357-359⒈ADC控制寄存器⒉ADC触摸屏控制寄存器⒊ADC开始或区间延时寄存器⒋ADC转换数据寄存器0⒌ADC转换数据寄存器1⒍ADC触摸屏触针抬起、向下中断检查寄存器9.5S3C2410AADC

与触摸屏接口程序举例9.5.1ADC程序举例【例9.1】以下程序片段读ADCAIN[0]~AIN[7]通道模拟输入信号，转换后显示。(见P360-361)9.5.2ADC与触摸屏接口程序举例【例9.2】以下程序片段将ADC与触摸屏接口设置为等待中断模式，进入中断服务程序后，按分别X/Y转换模式读X位置值、Y位置值并显示。程序从voidTs_Sep（void）处开始阅读。(见361-363)9.6S3C44B0XADC与

片外触摸屏控制器(见P363-372)9.7微处理器片外DAC连接举例9.7.1

DAC硬件基础DAC（DigitaltoAnalogConverter，数模转换器）也称D/A转换器，是一种用于将微处理器输出的数字量，转换为模拟量的电路模块。DAC模块一般是一个单独的芯片，通过不同的接口电路与微处理器连接。

⒈D/A转换器常用的D/A转换器有8、10、12、14、16bit的，D/A转换器将微处理器送来的二进制数，转换为对应的模拟量输出。转换器输出分为电压和电流两种方式，电压输出方式较为常用。不同的芯片输出电压范围也不相同，例如有输出0~5V、0~