触摸屏控制器设计

0 引 言
    随着信息技术的飞速发展，人们对电子产品智能化、便捷化、人性化要求也不断提高，触摸屏作为一种人性化的输入输出设备，在我国的应用范围非常广阔，是极富吸引力的多媒体交互没备。目前，触摸屏的需求动力主要来自于消费电子产品，如手机、PDA、便携导航设备等。随着触摸屏技术的不断发展，它在其他电子产品中的应用也会得到不断延伸。现在市面上已有的触摸屏控制器普遍价格比较高且性能相对比较固定，一些场合下无法满足用户的实际需求。本文基于上述考虑，根据电阻式触摸屏的工作原理，选用51系列单片机作为控制核心，设计一种实用且低成本的触摸屏控制系统。

1 触摸屏的工作原理
    触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器件组成(如图1所示)；触摸检测部件用于检测用户触摸位置，接收后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息送给控制器，它同时能接收控制器发来的命令并加以执行。

    触摸屏的主要3大种类是：电阻技术触摸屏、表面声波技术触摸屏、电容技术触摸屏。其中，电阻式触摸屏凭借低廉的价格以及对于手指及输入笔触摸的良好响应性，涵盖了100多家触摸屏元件制造商中的2／3，成为过去5年中销售量最高的触摸屏产品。在这里根据要设计应用的触摸屏控制器，重点介绍一下四线电阻式触摸屏。
    电阻触摸屏的屏体部分是一块与显示器表面相匹配的多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的内表面也涂有一层透明导电层，在两层导电层之间有许多细小(小于千分之一英寸)的透明隔离点把它们隔开绝缘。当手指触摸屏幕时，平常相互绝缘的两层导电层就在触摸点位置有了一个接触，因其中一面导电层接通Y轴方向的5 V均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零，这种接通状态被控制器侦测到后，进行A／D转换，并将得到的电压值与5 V相比即可得到触摸点的Y轴坐标，同理得出X轴的坐标，这就是四线电阻式触摸屏基本原理，其原理如图2所示。

2 触摸屏控制系统硬件设计
    根据四线电阻式触摸屏的工作原理可以看出，在硬件设计上的主要工作就在于将触摸点所在的X轴及Y轴坐标通过控制驱动模块加以精确识别。
2．1 总体结构设计
    触摸屏控制器的设计关键在于对驱动模块的控制，本文采用AT89C2051作为驱动电路的控制核心，通过ADS7843模块接收触摸屏上得到的信号并控制驱动电路作出相应的反应，通过RS232串行通信发送到计算机上显示出来。其整体结构框图如图3所示。

2．2 触摸屏驱动原理电路
    在本文的触摸屏驱动电路设计中，应用了ADS7843芯片作为其中的驱动模块，它在控制器的作用下完成了触摸坐标信息采集及A／D转换，并将处理后的信息送到控制器中，实现了信息交互功能。它的内部驱动电路原理如图4所示。

    从图4中可以看出控制信号通过简单的电阻与三级管组合来驱动四线电阻式触摸屏。通过单片机输出指令控制三极管的通断，形成对该驱动电路的循环扫描以检测是否有按压动作以及读取XY的坐标。

该驱动电路的主要工作时序为：
    (1)检测是否有按压动作
    ①YCTR+=1，YCTR-=0此时三极管V2、V3都为关断状态。
    ②XCTR+=0，XCTR-=1此时三极管V1、V4都为开通状态。
    ③A／D转换器读ADC的电压值，若大于门限值则说明有按压动作。
    (2)读X坐标
    ①YCTR+=1，YCTR-=0此时三极管V2、V3都为关断状态。
    ②XCTR+=0，XCTR-=1此时三极管V1、V4都为开通状态。
    ③A／D转换器读ADX的电压值。
    (3)读Y坐标
    ①XCTR+=1，XCTR-=0此时三极管V1、V4都为关断状态。
    ②YCTR+=0，YCTR-=1此时三极管V2、V3都为开通状态。
    ③A／D转换器读ADY的电压值。
2．3 触摸屏控制系统原理电路设计
    本电路以单片机AT89C2051为控制器件，它有较少的精简I／O端口，体积很小，非常适用做小型应用系统的处理器。以ADS7843触摸屏控制芯片为硬件驱动模块，ADS7843内部有一个由多个模拟开关组成的供电测量电路网络和12位的A／D转换。ADS7843根据微控制器发来的不同测量命令导通不同的模拟开关，以便向工作面电极对提供电压，并把相应测量电极上的触点坐标位置所对应的电压模拟量引入A／D转换器。在触摸点X、Y坐标的测量过程中，测量电压与测量点的关系如图5所示等效电路，图中P为测量点。

    参见图6的控制驱动电路，当触摸屏上有按压动作时，ADS7843芯片在单片机AT89C2051的作用下完成了触摸坐标X+、X-、Y+、Y-的信息采集及A／D转换，将数据信息返回到单片机，单片机根据得到的数字信息作出处理后通过MAX232芯片与计算机进行串行通信，将输入显示出来。

3 软件设计
    根据硬件电路设计原理，控制驱动电路软件设计中最为关键的就是根据ADS7843芯片内部原理及时序关系控制其实现对XY坐标的采集，同时将信息通过RS232串行通信发送到计算机上。程序设计框图如图7所示。

4 结束语
    本系统针对传统触摸屏控制器的高成本、低可控性等问题，采用ADS7843触摸屏驱动芯片，通过AT89C2051单片机编程产生驱动信号，并由串行通信对测量过程进行信息传递。通过进行实际的设计调试，该设计触摸响应迅速，具有精度高、体积小、结构简单、可控性高且软硬件系统成本预算低廉等特点，具有广阔的应用前景。