摘要：提出一種電阻式觸摸屏控制器的設(shè)計(jì)方案。針對(duì)電阻式觸摸屏x，y向總電阻存在型號(hào)差異和個(gè)體差異的特點(diǎn)，為了避免傳統(tǒng)測(cè)量方法中人工確定觸模屏阻值參數(shù)的問(wèn)題，提出一種x，y向總電阻的測(cè)量方法。該方法通過(guò)軟硬件的配合，自動(dòng)測(cè)量觸摸屏x，y向總電阻，實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同型號(hào)或個(gè)體觸摸屏的自適應(yīng)壓力電阻計(jì)算。該方法適用于已封裝好的電子產(chǎn)品，可避免產(chǎn)品組裝前對(duì)觸摸屏的測(cè)試工作，有效地節(jié)約產(chǎn)品的開發(fā)成本和生產(chǎn)時(shí)間。
關(guān)鍵詞：電阻式觸模屏；自適應(yīng)；電阻測(cè)量；壓力電阻

0 引言
    觸摸屏是電子產(chǎn)品中常用的一種輸入設(shè)備，通常與液晶屏搭配使用，用來(lái)取代傳統(tǒng)的鍵盤輸入，廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品與工業(yè)控制中。觸摸屏通常附著在液晶顯示屏表面，通過(guò)微處理器對(duì)觸摸屏的控制，實(shí)現(xiàn)觸摸屏對(duì)液晶屏圖像界面的直接操作。電阻式觸摸屏由于成本低，無(wú)專利技術(shù)的原因，是嵌入式設(shè)備應(yīng)用最為廣泛的一種觸摸屏。本文提出一種電阻式觸摸屏控制器的設(shè)計(jì)方法，為業(yè)界主流低端手機(jī)基帶芯片MTK6223D提供觸摸屏控制的功能擴(kuò)展；同時(shí)針對(duì)電阻式觸摸屏x，y方向總電阻測(cè)量的問(wèn)題，提出一種自適應(yīng)的觸摸屏x，y向電阻測(cè)量方法，既提高壓力電阻的計(jì)算精度，又可避免人工測(cè)量電阻式觸摸屏的電阻參數(shù)，有效節(jié)約手機(jī)開發(fā)成本和生產(chǎn)時(shí)間。

1 電阻式觸摸屏結(jié)構(gòu)
    電阻式觸摸屏根據(jù)引出信號(hào)線的數(shù)量，可以劃分為4線、5線、6線、7線、8線等類型，其中以4線電阻式觸摸屏最為常見，結(jié)構(gòu)最為典型。本文討論的電阻式觸摸屏，均指四線結(jié)構(gòu)電阻式觸摸屏。
1．1 基本結(jié)構(gòu)
    電阻式觸摸屏在玻璃或丙烯酸基板上覆蓋有兩層透平、均勻?qū)щ姷腎TO層，分別作為X電極和Y電極，它們之間由均勻排列的透明格點(diǎn)分開絕緣。其中下層的ITO與玻璃基板附著，上層的ITO附著在PET薄膜上。X電極和Y電極的正負(fù)端由“導(dǎo)電條”分別從兩端引出，且X電極和Y電極導(dǎo)電條的位置相互垂直。引出端X-，X+，Y-，Y+一共4條線，這也是4線電阻式觸摸屏名稱的由來(lái)。當(dāng)有物體接觸觸摸屏表面并施以一定的壓力時(shí)，上層的ITO導(dǎo)電層發(fā)生形變與下層ITO發(fā)生接觸，進(jìn)而2個(gè)導(dǎo)電層間在該位置的電壓和電阻發(fā)生變化?？刂破鳈z測(cè)電壓變化后，在x和y 2個(gè)方向上產(chǎn)生信號(hào)，讀取觸點(diǎn)位置在x，y方向上的電壓值后，同該x，y方向上的參考電壓進(jìn)行比較，計(jì)算出觸點(diǎn)的坐標(biāo)。這是電阻式觸摸屏的基本工作原理。
1．2 坐標(biāo)的估算
    計(jì)算電阻式觸摸屏觸點(diǎn)的x，y坐標(biāo)分為如下兩步(見圖1)：
    (1)計(jì)算y坐標(biāo)，在Y+電極施加驅(qū)動(dòng)電壓Vref，Y-電極接地，X+作為引出端測(cè)量得到接觸點(diǎn)的電壓，由于ITO層均勻?qū)щ?，觸點(diǎn)電壓與Vref電壓之比等于觸點(diǎn)y坐標(biāo)與屏高度之比。
    (2)計(jì)算x坐標(biāo)，在X+電極施加驅(qū)動(dòng)電壓Vref，X-電極接地，Y+作為引出端測(cè)量得到接觸點(diǎn)的電壓，由于ITO層均勻?qū)щ?，觸點(diǎn)電壓與Vref電壓之比等于觸點(diǎn)x坐標(biāo)與屏寬度之比。測(cè)得的電壓通常由ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)行簡(jiǎn)單處理就可以作為坐標(biāo)值，判斷觸點(diǎn)的實(shí)際位置。

2 觸摸屏控制器的設(shè)計(jì)
    本文采用的觸摸屏控制系統(tǒng)由基帶芯片MFK6223D、觸摸屏控制器和觸摸屏3部分組成，如圖2所示。MTK6223D是聯(lián)發(fā)科技(MTK)的一款低端GPRS／GSM基帶芯片，該芯片將ARM7控制模塊、DSP模塊、射頻模塊和電源管理等集成到一起，采用Nucleus Plus操作系統(tǒng)，是目前業(yè)界一款主流的低端手機(jī)基帶芯片。但是MTK6223D沒(méi)有提供對(duì)觸摸屏的支持，為進(jìn)一步強(qiáng)化手機(jī)的功能，MTK6223D需要搭配觸摸屏控制器芯片，實(shí)現(xiàn)功能更為強(qiáng)大的手機(jī)設(shè)計(jì)。本文提出的觸摸屏控制器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)觸摸屏信號(hào)的模／數(shù)轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)值計(jì)算，壓力電阻阻值計(jì)算和抬筆落筆中斷判斷4項(xiàng)功能，并通過(guò)AMBA總線向手機(jī)基帶芯片上傳數(shù)據(jù)。

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2．1 觸摸屏控制器
    觸摸屏控制器分為模擬信號(hào)處理和數(shù)字控制電路2個(gè)部分，如圖3所示。模擬信號(hào)處理部分負(fù)責(zé)模／數(shù)轉(zhuǎn)換、測(cè)量x，y方向坐標(biāo)與量化等工作。數(shù)字控制電路負(fù)責(zé)控制測(cè)量流程和計(jì)算壓力電阻阻值等功能，同時(shí)數(shù)字控制電路也要向基帶芯片提供中斷報(bào)告和總線訪問(wèn)機(jī)制。

2．1．1 模擬信號(hào)處理
    模擬信號(hào)處理如圖4所示。

    模／數(shù)轉(zhuǎn)換部分的主要工作是將觸摸屏傳來(lái)的模擬信號(hào)量化成數(shù)字信號(hào)，同時(shí)將向數(shù)字控制部分提供相應(yīng)接口。SP5368觸摸屏控制器使用逐次逼近模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器(SAR ADC)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為8位的數(shù)字信號(hào)，共有256個(gè)量化級(jí)別，基本滿足分辨率在320×240以下觸摸屏的測(cè)量精度。
    模擬信號(hào)的測(cè)量分為差分測(cè)量和單端測(cè)量?jī)煞N模式，如圖5所示。差分模式的測(cè)量精度較高，但是功耗較高。單端模式的功耗較小，但是測(cè)量精度較低，同時(shí)存在部分碼值多余的現(xiàn)象。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)視需求的不同，選擇合適的測(cè)量方式。

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2．1．2 數(shù)字控制電路
    數(shù)字控制電路主要的功能有2項(xiàng)，一個(gè)是控制驅(qū)動(dòng)電路，完成對(duì)觸摸屏觸點(diǎn)坐標(biāo)和壓力電阻的采集，另一個(gè)是計(jì)算觸點(diǎn)壓力值，向上位機(jī)(上層系統(tǒng))提供抬筆和落筆兩種類型的中斷。其數(shù)字電路的示意圖如圖6所示。

2．2 壓力電阻阻值的計(jì)算與分析
    觸摸屏控制器除了向操作系統(tǒng)提供觸點(diǎn)x，y方向坐標(biāo)外，另一項(xiàng)功能是向系統(tǒng)報(bào)告抬筆中斷和落筆中斷。在電阻式觸摸屏結(jié)構(gòu)中，觸摸屏的抬筆中斷或落筆中斷，是通過(guò)判斷壓力電阻阻值的變化產(chǎn)生的。
    壓力值反映了觸摸屏2層導(dǎo)電薄膜之間電阻值RTouch的變化，壓力越大，RTouch就越小，壓力越小，RTouch就越大。計(jì)算壓力值，實(shí)際上就是計(jì)算觸點(diǎn)位置的RTouch。通過(guò)對(duì)觸點(diǎn)壓力的計(jì)算，系統(tǒng)可以判斷擠壓動(dòng)作是抬筆動(dòng)作還是落筆動(dòng)作。電阻式觸摸屏壓力計(jì)算的基本原理分三步，如圖7所示。
    (1)X-接地，X+接電源，Y+接ADC得到觸點(diǎn)的X坐標(biāo)；
    (2)X-接地，Y+接電源，X+接ADC得到Z1點(diǎn)的位置Z1；
    (3)X-接地，Y+接電源，Y-接ADC得到Z2點(diǎn)的位置Z2。
    然后，結(jié)合xy方向的總電阻值就可以求出：
   
    計(jì)算出壓力電阻RTouch后，需要同閾值電阻RTup，RTdown(RTdown<RTup)進(jìn)行比較，如果RTouch小于RTdown，則認(rèn)為觸摸屏產(chǎn)生落筆動(dòng)作，如果RTouch大于RTup，則認(rèn)為產(chǎn)生抬筆動(dòng)作。如果RTdown閾值設(shè)得太小，則需使用很大力量才能觸發(fā)落筆動(dòng)作，這樣會(huì)讓使用者產(chǎn)生寫字費(fèi)力的感覺(jué)，同時(shí)過(guò)度用力擠壓觸摸屏也會(huì)減少觸摸屏壽命，破壞觸摸屏物理結(jié)構(gòu)；如果RTup設(shè)的過(guò)大，會(huì)在畫線過(guò)程中產(chǎn)生頻繁抬筆動(dòng)作，則會(huì)讓使用者產(chǎn)生寫字不連續(xù)，無(wú)法劃出連續(xù)直線的現(xiàn)象。
2．3 自適應(yīng)的電阻測(cè)量方法
    由于市場(chǎng)上觸摸屏品牌眾多，各廠家的觸摸屏參數(shù)存在差異，所以觸摸屏x，y方向總電阻RREF會(huì)隨著觸摸屏型號(hào)的不同發(fā)生變動(dòng)。對(duì)于同一型號(hào)觸摸屏，由于制作工藝的問(wèn)題，RREF也會(huì)出現(xiàn)上下浮動(dòng)。在觸摸屏的壓力電阻計(jì)算中，RREF是一項(xiàng)主要的計(jì)算參數(shù)，因此在實(shí)際的電子產(chǎn)品開發(fā)中，針對(duì)不同觸摸屏，測(cè)量并修正觸摸屏x，y方向的總電阻RREF是一項(xiàng)十分重要的工作。但是在產(chǎn)品成型之前，如果對(duì)每一個(gè)觸摸屏個(gè)體進(jìn)行單獨(dú)的RREF測(cè)量和記錄是一項(xiàng)耗時(shí)并且浪費(fèi)成本的工作。目前業(yè)界通用的做法是每種型號(hào)的觸摸屏采用統(tǒng)一的參數(shù)，并不對(duì)每個(gè)觸摸屏進(jìn)行單獨(dú)的測(cè)量。
    針對(duì)上述問(wèn)題，為了更加精確地計(jì)算壓力電阻，筆者提出了一種計(jì)算電阻式觸摸屏RRE的方法。該方法只需要對(duì)已封裝在產(chǎn)品中的觸摸屏進(jìn)行簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊測(cè)試，然后結(jié)合軟件算法，即可計(jì)算出觸摸屏的RREF。另外，由于該方法和觸摸屏校正采用的點(diǎn)擊方式非常相似，因此該測(cè)量過(guò)程可以和觸摸屏校正同步完成。所以，該方法可以在沒(méi)有消耗時(shí)間和成本的前提下，完成對(duì)觸摸屏個(gè)體的RREF計(jì)算與修正，同時(shí)具備較好的測(cè)量精度。為便于討論，下面僅討論x方向RREF的測(cè)算，y方向同理。其基本步驟如下：
    (1)在差分模式下，點(diǎn)擊觸摸屏任意一條對(duì)角線方向的2個(gè)頂角A和B，獲取觸摸屏有效面積內(nèi)x方向上電壓量化值Xmin_d，Xmax_d(量化值為1～256的區(qū)間)。在差分模式下，觸點(diǎn)電壓量化值是觸點(diǎn)處電阻同觸摸屏總電阻的量化值比值，如圖8所示可得到以下關(guān)系。
   
    (2)點(diǎn)擊觸摸屏任意一條對(duì)角線方向的2個(gè)頂角A和B，獲取單端模式下觸摸屏有效面積內(nèi)x方向上電壓極值的量化值Xmin_s、Xmax_s(量化值為1～256的區(qū)間)。不同于差分模式，單端模式引入了A／D轉(zhuǎn)換電路中MOS場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)。對(duì)于芯片廠商而言，MOS場(chǎng)效應(yīng)管參數(shù)和其電壓參數(shù)都是已知的。故在這種情況下，觸點(diǎn)電壓量化值是觸點(diǎn)處電阻同觸摸屏總電阻與MOS管電阻之和的比值。如圖9所示可得到以下關(guān)系。
   

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    (3)由式(6)，式(7)可以得到NMOS場(chǎng)效應(yīng)管RN與R3的關(guān)系，其中VDS是NMOS管的漏極電壓。

    結(jié)合MOS場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電流公式，對(duì)于一個(gè)已知的數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片，Vss，μN，Cox，W，L，VGS和Vth均為已知參數(shù)；聯(lián)立式(9)、式(10)，可以推出通過(guò)MOS管的漏極電流為：
   
    又因?yàn)镮R=VDD且，結(jié)合式(3)，(4)，進(jìn)而最終求出x方向的總電阻Rref。
   

3 MTK驅(qū)動(dòng)層
    MTK為其開發(fā)的系列基帶芯片提供定制的嵌入式操作系統(tǒng)，該嵌入式操作系統(tǒng)是基于Nucleus Plus搶占式多任務(wù)系統(tǒng)內(nèi)核擴(kuò)展而成，并通過(guò)宏定義開關(guān)對(duì)不同型號(hào)的基帶芯片提供支持。MTK定制軟件平臺(tái)的觸摸屏驅(qū)動(dòng)以任務(wù)(Task)的形式存在，任務(wù)的函數(shù)人口是位于touch_pan-el_main．c中的tp_task_main函數(shù)，觸摸屏任務(wù)通過(guò)輪詢的方式監(jiān)測(cè)觸摸屏的狀態(tài)信息，進(jìn)而完成對(duì)不同狀態(tài)的事件響應(yīng)。
   
    MTK6223D基帶芯片自身并不支持觸摸屏功能，所以基于MTK6223D的嵌入式平臺(tái)通過(guò)宏定義開關(guān)封閉了平臺(tái)對(duì)觸摸屏相關(guān)功能的支持，但觸摸屏的相關(guān)代碼和架構(gòu)仍然得到了保留。在MTK6223D搭配觸摸屏的手機(jī)設(shè)計(jì)方案中，觸摸屏功能通過(guò)外界觸摸屏控制器得到實(shí)現(xiàn)，觸摸屏的底層驅(qū)動(dòng)是在MTK原有架構(gòu)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而成。MTK嵌入式操作系統(tǒng)將觸摸屏的狀態(tài)信息保存在TouchPanelDataStruct結(jié)構(gòu)體中。當(dāng)嵌入式系統(tǒng)收到來(lái)自觸摸屏控制器的中斷時(shí)，中斷函數(shù)完成對(duì)Touch_Panel_PenState_enum中state變量的更新，然后tp_task_main函數(shù)通過(guò)對(duì)state變量的判斷，確認(rèn)觸摸筆屏處于UP狀態(tài)還是DOWN狀態(tài)，同時(shí)讀取觸摸屏的當(dāng)前坐標(biāo)。
   
    

4 結(jié)語(yǔ)
    該文研究了電阻式觸摸屏的工作原理，提出一種和基帶芯片MTK6223D搭配使用觸摸屏控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)需求，提出一種自適應(yīng)的測(cè)量觸摸屏總電阻阻值的方法。該測(cè)量方法通過(guò)軟件和觸摸屏硬件控制器配合完成，并可與觸摸屏校正同步實(shí)現(xiàn)。該方法具有較高的測(cè)量精度，不用在產(chǎn)品組裝前，對(duì)觸摸屏元器件進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量，有效地節(jié)約了產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)的時(shí)間和成本，對(duì)于嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)具有較為實(shí)際的意義。