基于C8051F021和ADS7846的触摸屏系统设计

0 引言
    随着现代电子产品设计技术的不断发展，电子产品的设计，尤其是人机交互界面的设计越来越趋向于人性化。触摸屏凭借其独特的操作特性，应用日益广泛，它配合微控制器使用，能使嵌入式设备或手持式设备具有更加良好的人机交互界面，操作更加方便快捷。本文给出了一个基于C8051F021单片机和ADS7846触摸屏控制器的触摸屏控制系统的设计方法。

1 触摸屏工作原理
    触摸屏有电阻式、电容式、红外线式、表面声波式等多种。其中电阻式触摸屏是目前应用较为广泛的一种，可分为四线、五线、七线等几类。其中四线制电阻式触摸屏采用的是四线电阻模拟量技术，即两个阻性层工作时，每层均加有5 V恒定电压，一个竖直方向，一个水平方向，含四根导线；其特点主要是传输反应快，解析度高，稳定性好，一次校正，不易漂移，比较适合于工业控制领域，但使用时要注意防止外导电层被划伤。
    电阻式触摸屏实际上是一种传感器，它采用分压器原理将矩形区域中的触摸点(X，Y)的物理位置转换为代表X坐标和Y坐标的电压，图1所示是其原理图。四线制触摸屏一般包含两个阻性层：其中一层在屏幕的左右边缘各有一条垂直总线，而另一层在屏幕的底部和顶部各有一条水平总线。为了在X轴方向进行测量，可将左侧总线偏置为0 V，右侧总线偏置为VREF，并将顶部或底部总线连接到ADC，这样，当两个阻性层相接触时(即有触摸时)即可作一次测量；为了在Y轴方向进行测量，可将底部总线偏置为0 V，顶部总线偏置为VREF，并将左侧或右侧总线连接到ADC，这样，当两个阻性层相接触时，即可对电压进行测量；该屏最理想的连接方法是将偏置为VREF职的总线接在ADC的正参考输入端，而将偏置为OV的总线接在ADC的负参考输入端。

2 系统的硬件设计与实现
2．1 C8051F021的主要功能特点
    本系统选用性能优良且成本较低的SOC单片机C8051F021作为控制核心。它是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有32个数字I／O引脚。其主要的内部资源有8通道12位ADC，2通道12位DAC，4 KB的RAM，64 KB的FLASH，以及硬件实现的SPI、SMBus／I2C和两个UART串行接口，同时带有时钟振荡器，看门狗定时器，VDD监视器，温度传感器等。其所有模拟和数字外设均可由IDE软件使能／禁止和配置。同时，它还采用了与8051兼容的CIP－51微控制器内核，因采用流水线结构，其指令执行速度有了很大的提高。此外，C8051F021还配置了标准的JTAG接口，在IDE软件的支持下，可对安装在最终产品上的MCU进行非侵入式、全速、在系统调试。该器件的封装为TQFP－64，可在工业温度范围内(－45℃~+85℃)使用2．7~3．6 V的电压工作。
2．2 ADS7846的主要功能和特点
    ADS7846是BB公司生产的一种四线制触摸屏控制器。可广泛应用在电阻式触摸屏系统中。ADS7846的核心是一个具有采样和保持功能的12位逐次逼近式A／D转换器，其转换速率可达125kHz．且分辨率可编程为8位或12位。该器件不仅具有X、Y坐标测量功能，还具有电池电压、芯片温度、触摸压力和外模拟量4种测量功能，其工作方式可由控制字决定，片内的6选1模拟多路开关可根据微控制器送来的命令字来选择6个电压量之一(X+、Y+、Y-、VBAT、TEMP、AUX-IN)，并将其送入A／D转换器转换，然后再通过SPI接口将转换值送入微控制器。此外，ADS7846还集成有触摸识别电路，当检测到有触摸时，该电路会在PENIRQ(笔中断)引脚输出一个低电平信号，并以该信号向微控制器提出测量触点坐标的中断请求。该芯片采用单电源供电，工作电压为2．2~5．25 V，且内部自带+2．5 V的参考电压。
2．3 C8051F021和ADS7846的硬件接口
    基于C8051F021单片机和ADS7846触摸屏控制器的触摸屏控制系统的硬件接口电路如图2所示。

    图2中。TX+、TX-、TY+、TY-为位置输入端，分别对应四线制电阻式触摸屏的四线制接口：
    BUSY为忙信号指示，可在数据转换时持续一个时钟周期的高电平状态，当TCS为高时，BUSY为高阻状态：
    TCS为片选输入，只有当TCS为低时，串行数据才可以从DIN读入；
    DIN为串行数据输入，在DCLK的上升沿读入数据；
    DOUT为串行数据输出，用于输出转换后的触摸点位置数据，12位工作方式下，其最大为4095，可在DCLK的下降沿输出数据，当TCS为高时，DOUT为高阻状态；
    DCLK为外部时钟输人引脚，其输入时钟信号的频率决定了电路的转换速度，其推荐占空比为40％～60％；
    PENIRQ为笔中断引脚。工作时应通过10～100 kΩ电阻器上拉，当有触摸事件发生时，可向微控制器申请中断服务；
    VREF为A／D参考电压输入；
    TCS、DCLK、 DIN、 BUSY、DOUT、PENIRQ分别接C8051F021的P1．0、P1．1、P1．2、P1．3、P1．4、PO．3。另外，IN3、IN4为两个附属A／D输入通道，本系统没有用到，使用时可将其接地。

3 系统软件的设计与实现
    ADS7846可通过片内模拟多路开关的切换，将X+/Y+端接VCC，将X-/Y-端接地，并将X+/Y+和X-/Y-以差分形式接到A/D转换器的输入端。这样，当点击触摸屏的不同位置时，输入到A／D转换器中的电压就不相同，然后再经A／D转换后，就可得到触点的输出值，该输出值与触点的位置成近似线性关系。ADS7846通过一般控制字来设置工作方式，其控制字如表1所列。

    在表1中，S为数据传输起始标志位，该位必为“1”；A2～A0用于通道选择；MODE用来选择A／D转换精度： “1”选择8位， “0”选择12位；SER／DFR选择参考电压的输入模式；PD1、PD0选择省电模式： “00”为省电模式，可在两次A/D转换之间掉电，且允许中断，而“01”同“00”相似，但不允许中断； “10”为保留； “11”为禁止省电模式。
    ADS7846与C8051F021之间通过标准的SPI接口相连。并由C8051F021启动3次SPI传送来完成转换。第1次SPI传送由C8051F021向ADS7846发送控制字，含起始位、通道选择、8／12位模式选择、差分／单端选择和掉电模式选择；后两次SPI传送则是C8051F021读取A/D转换后的结果数据，至此便完成了ADS7846和C8051F021之间的一次通信。其数据传送时序如图3所示。

    本系统中的触摸屏应用流程图如图4所示。

    在编程过程中，通常应该注意以下问题：
    (1) C8051F021的初始化，一般还会包括显示模块的初始化等；
    (2)DS7846的初始化，一般包括寄存器和笔中断的初始化等；
    (3)防止抖动和连击，通常需要加入消抖子程序和延时子程序；
    (4)减小测量误差，往往应采用多次测量并加入软件滤波子程序；
    (5)触摸屏与液晶屏的坐标系不一致，还必须加入坐标变换子程序。

4 结束语
    本文给出了一个基于C8051F021单片机和ADS7846触摸屏控制器的触摸屏控制系统的设计方法。讨论了在触摸屏控制系统开发过程中的若干软、硬件问题。在工程实际中，本系统经过多次测试，效果良好。