触摸屏低功耗设计

触摸屏低功耗设计

应用于智能手机的低功耗触摸屏接口设计

在智能电话中，液晶触摸屏接口最受欢迎，用户通过它来使用各种应用程序，或者用手指滚动访问网页，这样在节约时间、预算和功耗的情况下，开发这类复杂的接口，Altera MAX IIZ CPLD会是一个不错的选择。

定制或者自行触摸屏低功耗设计

任何触摸屏方案都包括两部分：2D触摸传感器和计算应用程序，后者将传感器数据转换为用户意图。

AD7142 CDC用于监测电容变化，只有14个电容传感器通道。参考设计是完整的传感器和数据采集系统，可以进行定制，也可以原样使用。参考设计有一个简单的数据解释程序，演示并测试多触点传感器的工作。应用处理器通过SPI或者I2C总线访问AD7142的CDC寄存器文件，将MAX IIZ CPLD的SRC信号控制设置在合适的轴上。

它提供铟锡氧化物(ITO)屏以及简单的双面PCB用作多触点导航板。在这一参考设计中，MAX IIZ CPLD扩展了AD7142 CDC的功能，使其能够处理两维ITO薄膜和PCB触摸传感器。长时间暂停后，触摸屏监测到一次触摸时，MAX IIZ CPLD会产生一个中断信号。

图1(a)所示的2D多触点参考设计基于MAX IIZ EPM240Z CPLD以及ADI的AD7142 集成电容数字转换器(CDC)，支持片内环境校准以及ITO屏。

图1：(a) 基于Altera MAX IIZ EPM240Z CPLD的多触点触摸屏参考设计

理想情况下，x走线在下面，y走线在上面，连接至AD7142输入。ITO 触摸传感器有两个被绝缘体分开的互相垂直的层，上面分别是x和y走线。如此布置的原因是CDC在监视靠近手指的走线时更敏感。走线阵列较宽，间距为5至10mm。

图1(b)中左侧为触摸屏交叉部分，右侧是触摸屏。在实际的显示触摸屏中，走线是透明的。

图1：(b) ITO触摸屏或者PCB触摸板的侧视图(左)以及正视图(右)

图1(b)中的传感器可实现计算导航板，从而避免了使用普通导航板所需要的选择按钮。如图2所示，中指移动光标，食指和无名指触摸屏幕，指示鼠标左键或者右键点击。去掉移动部分后，电容触摸屏传感器比按键和按键开关更耐用。

图2：用手指控制无开关导航板

ADI的AD7142 CDC

AD7142 CDC非常灵敏，应用处理器利用这一详细的电容矢量值，确定手指位于9.3传感器位置，即在传感器9和10之间。AD7142 CDC连续进行14次可寻址电容测量。AD7142 CDC精度达到12位，因此，只需要14个传感器就可以精确测量手指的位置。AD7142 CDC并不是设计用作触摸屏解码器，而是用于测量电容以及PCB上传感器线阵的电容变化。每个测量周期结束后，通过I2C或者SPI总线来访问这些数值。

AD7142 CDC电气特性比较完备，能校准特定的PCB布局，然后针对14个传感器输入的每一输入进行电容测量，精度为12位。AD7142 CDC在SRC信号上发送一个250kHz方波，驱动靠近传感器板的走线，然后测量接收到的SRC信号强度。由于触摸屏电容和SRC信号接收强度成正比，因此AD7142 CDC探测并量化用户手指接触触摸屏时的电容变化。

图3显示当没有手指接触时基线条件下的寄存器值，下面的图显示了手指触摸传感器9时的寄存器值。

图3：线性AD7142 CDC采样示意图

MAX IIZ中大量的I/O (5x5mm封装支持54个I/O，7x7mm封装支持116个I/O)结合AD7142的高分辨率电容数字测量能力，使这一解决方案能够适用于面积较大的触摸屏和面板。AD7142 CDC可以测量14个传感器相对于一条SRC走线的电容。增加MAX IIZ CPLD后，可在串行接口的控制下，获得AD7142 CDC的SRC方波信号，并选择驱动触摸屏的某一条垂直x走线，从而支持多条SRC走线。

图4：电容数字采样2D阵列表示：基线(左)和触摸后的结果(右)

AD7142 CDC可以进行相对于垂直走线轴或者本地的电容测量。左侧是基线电容测量，而右侧是两个手指触摸传感器后的结果。图中蓝色和红色采样行表示哪一SRC走线被激活。图4为AD7142 CDC和MAX IIZ CPLD相结合后的2D电容测量结果，显示了16条走线，即，对x轴进行了16次划分。最低功耗级可以将应用处理器和AD7142 CDC置于关断模式。采用外部32kHz时钟以及每秒一次的采样率，典型的MAX IIZ CPLD待机电流只有50μA。

在更低的功耗级中，需要用户触摸屏幕中心来唤醒器件，这要求应用处理器只采样一条水平走线和一条垂直走线。MAX IIZ CPLD和AD7142 CDC触摸屏解码参考设计的功效非常高，正常全速工作和正常分辨率下一般只需要1.5mA电流。它还支持三种其它功效级别。

在第一低功耗级中，应用处理器降低采样率，只采集一部分水平和垂直走线，或者使用精确的AD7142 CDC来确定走线之间的触摸点。当MAX IIZ CPLD的高功效电容探测系统监测到屏幕被触摸时，它通过中断信号唤醒处理器。处理器被唤醒后，系统以更高的精度来读取触摸位置。

使用I2C总线，采集所有数据的时间大约为375 ms，而使用SPI总线的时间为300ms。(降低CDC采样分辨率可以减少采样周期)。应用处理器通过串行接口设置MAX IIZ CPLD驱动传感器S1列和SRC信号，读取来自AD7142 CDC的14个电容值。

然后，应用处理器通知MAX IIZ CPLD将SRC移至下一垂直走线，进行另一次14个电容测量，不断重复，直至应用处理器获得了触摸传感器2D区域内所有244个(14x16)电容测量值。然后，应用处理器处理原始数据，确定用户意图。

触摸屏低功耗设计小结

为使产品得到消费者的更多青睐，单点触摸屏方案需要采用两点或者多点触摸屏。并且单点触摸屏和面板已经广泛的被认为是手机必备功能。现在应用的多触点解决方案还不多，利用现有元件，Altera MAX IIZ CPLD 实现了灵活的多触点用户接口，相信该技术在不久的将来定会有大作为。

AK4186：低功耗触摸屏控制设计方案

AKM公司的AK4186是一个4线/5线电阻触摸屏控制器，内部集成了一个12位的SAR A/D转换器。AK4186可以利用两个A/D转换探测屏幕上被按压的位置，还可以测量触摸压力。AK4186具有自动持续测量和测量数据计算功能。这两项功能通常需要外加配件，例如计算平均屏幕输入值，可以通过AK4186进行处理。此外，新的时序模式实现了短的协调测量时间，同时极大降低了微处理器的开支。AK4186的电源电压低至1.6V，从而可以连接一个低电压微处理器。AK4186非常适用于便携式电话、DSC、DVC、智能手机以及其它便携式设备。

AK4186主要特性

• 4线或5线触摸屏界面

• I2C串行接口

• 带有S/H电路的12位SAR A/D转换器

• 采样速率：22.2kHz

• 笔压力测量(4线)

• 连续读取功能

• 集成内部Osc(时序模式)

• 集成平均中值滤波

• 低电压运行：VDD=1.6V~3.6V

• PENIRQN缓冲输出

• 低功耗：1.8V时为60μA

• 自动关机

• 封装：12引脚CSP(1.7mm×1.3mm，0.4mm引脚间距)

AK4186评估板Rev.1 AKD4186-A

AKD4186-A是一块评估触摸屏控制器AK4186的电路板。它采用了CSP小型封装，适用于手机及手持式游戏设备。由于AKD4186-A拥有一块触摸屏I/F和数字I/O电源输入终端，很容易与低功率/电压驱动的目标系统相连接。此外，由于配备了模拟输入终端，因此模拟电压也可以被测出。

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