樊勇，李蘭君，葉恒杰，張壘

（南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，衡陽 421001）

引 言

觸摸屏是目前最友好的計算機－用戶接口界面［1］，在消費電子業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛［2］。觸摸屏主要由兩部分組成：觸摸檢測裝置和觸摸屏控制器［3］。目前主流觸摸屏產(chǎn)品的觸摸檢測裝置都是采用前置的方式，在觸摸過程中會對檢測裝置的機械結(jié)構(gòu)造成損壞，導(dǎo)致觸摸屏觸摸精度下降、壽命縮短；此外，常用的電容、電阻式的觸摸屏的成本相對較高。本文設(shè)計了一種后置式電感式觸摸屏，避免觸摸過程中對觸摸檢測裝置的損壞，延長觸摸屏產(chǎn)品的壽命，成本也相對較低。

1 電感式觸摸屏的工作原理

1.1 觸摸屏整體結(jié)構(gòu)

電感式觸摸屏整體結(jié)構(gòu)如圖1所示（需要特別說明的是，電感式觸摸屏要用專用的觸摸筆來達到觸摸輸入的效果，觸摸筆可以發(fā)出120～180kHz頻率范圍內(nèi)的信號，這里不詳細介紹觸摸筆的原理）。上面是LCD顯示器，下面是觸摸屏檢測裝置。觸摸檢測裝置通過FPC（Flexible Printed Circuit board，柔性印刷電路板）與觸摸屏控制器連接。由觸摸屏結(jié)構(gòu)圖中可以看出，在利用觸摸屏輸入時，觸摸筆不與觸摸檢測裝置直接接觸，這樣避免了對觸摸檢測裝置的機械損壞，提高了整個觸摸控制系統(tǒng)的壽命。

圖1 電感式觸摸屏整體結(jié)構(gòu)

1.2 觸摸檢測裝置結(jié)構(gòu)

觸摸檢測裝置是由厚度為0.8mm的軟性PCB（Printed Circuit Board）構(gòu)成，在PCB內(nèi)部鑲嵌著兩層橫（Y軸）豎（X軸）垂直交叉的導(dǎo)線，每一組交叉的導(dǎo)線之間都是絕緣的；導(dǎo)線的一端接地，另一端通過FPC與觸摸屏控制器中模擬電子開關(guān)CD4051的輸入端相連接。X、Y軸方向上的線圈數(shù)量根據(jù)顯示器的尺寸來確定。觸摸檢測裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，該觸摸檢測裝置X軸方向由35個線圈、Y軸由30個線圈組成，適用于14英寸顯示屏使用。

圖2 觸摸檢測裝置結(jié)構(gòu)

1.3 觸摸屏坐標(biāo)的確定方法

當(dāng)用戶將觸摸筆接近檢測裝置時，檢測裝置會感應(yīng)到信號，觸摸信號采用分時掃描的方式進行檢測。如圖2右側(cè)是觸摸點P局部放大圖，假如觸摸到P點時，在Xn、Xn＋1和Ym、Ym＋1線圈上會感應(yīng)到電磁信號，使得檢測端口的信號由零變?yōu)榉橇?。首先對X軸方向進行掃描，通過模擬電子開關(guān)掃描到Xn上的信號，由CD4051公共輸出引腳輸出到OUT端，再把信號經(jīng)放大濾波、電壓整流電路后傳送到MCU，由 MCU完成A／D轉(zhuǎn)換，得到一個電壓值Vn；接著掃描到Xn＋1上的信號，同樣也經(jīng)過放大、濾波、整流后將信號發(fā)送到MCU進行A／D轉(zhuǎn)換得到一個電壓值Vn＋1。X軸方向上掃描完成后，再掃描Y軸，同理可以在 Ym、Ym＋1上檢測到兩個電壓值 Vm、Vm＋1，利用檢測到的4個電壓值 Vn、Vn＋1、Vm、Vm＋1可計算出觸摸坐標(biāo)，計算公式如下：

其中，Xn，Ym、Xn＋1，Ym＋1是已知坐標(biāo)，ΔVx、ΔVy為已知常數(shù)，ΔVx是觸摸筆在Xn軸上時Vn與Vn＋1的差值，ΔVy則是觸摸筆在Ym軸上時Vm與Vm＋1的差值。

從觸摸屏控制器獲得的X與Y值僅是當(dāng)前觸摸屏的坐標(biāo)，它不具有實用價值，這個值不但與觸摸屏分辨率有關(guān)，而且也與觸摸屏和LCD的貼合狀況有關(guān)［4］。LCD與觸摸屏的分辨率和坐標(biāo)是不一樣的。因此，如果想得到體現(xiàn)LCD坐標(biāo)的觸摸屏位置，還需要在程序中進行轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換公式如下：其中，LCDWidth、LCDHeight是液晶屏的寬 度與 高度，XLCD＿min、XLCD＿max和 YLCD＿min、YLCD＿max分別是觸摸屏橫縱坐標(biāo)的最大／最小值。

2 觸摸屏控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

觸摸屏控制電路整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)用觸摸筆觸摸LCD顯示屏?xí)r，觸摸檢測裝置對應(yīng)的X、Y軸上會分別感應(yīng)到一個信號，這個信號經(jīng)過模擬電子開關(guān)，然后經(jīng)兩級放大、濾波，將得到的信號分兩路處理，一路是電壓整流，另一路是頻率檢測電路；得到的數(shù)據(jù)通過MCU HT46RB70計算，判斷出觸摸屏的位置及觸摸的方式，再由MCU將觸摸信號發(fā)送到計算機，最終實現(xiàn)觸摸輸入。整個觸摸屏控制電路的時序都是由單片機控制的，其他模塊的電路見后面的詳細介紹。

圖3 觸摸屏控制電路整體結(jié)構(gòu)

2.1 模擬電子開關(guān)電路

模擬電子開關(guān)電路如圖4所示，該電路的功能是驅(qū)動觸摸屏檢測裝置，將觸摸信號傳送到信號處理電路。其電路主要是由CD4051組成，CD4051是一個8通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，該芯片有3位二進制控制輸入端A、B、C和一個使能輸入端INH，以及8個信號輸入端和1個公共輸出端。當(dāng)INH輸入端為高電平時，所有通道截止；當(dāng)INH為低電平時，單片機通過3位二進制信號A、B、C選通一個通道的輸入信號，從公共輸出端OUT輸出，經(jīng)過兩級放大電路及濾波電路后，將觸摸信號分別發(fā)送到頻率檢測電路和電壓整流電路的TOUCH＿SIN端。圖4中AX、BX、CX是X軸方向上電子開關(guān)的控制輸入端，A0～A4是X軸方向上的電子開關(guān)的使能端，X00～X34與觸摸屏檢測裝置X軸接口相連接，由于一個CD4051芯片只有8個通道的數(shù)字模擬開關(guān)，不能滿足線圈數(shù)量的需求，故這里設(shè)計了由5個CD4051（U1～U5）組成的X軸方向上的模擬電子開關(guān)電路。同理可設(shè)計Y軸方向上模擬電子電路。AY、BY、CY為控制輸入端，B0～B3作為使能端，Y軸由4個CD4051（U6～U9）組成，圖中Y00～Y29與觸摸屏檢測裝置Y軸接口相連接。

2.2 觸摸信號頻率檢測電路

圖4 模擬電子開關(guān)電路

觸摸信號的頻率是由觸摸筆發(fā)出，觸摸筆上有兩個按鍵，按下這兩個按鍵可以輸出兩個不同頻率的信號，分別為k1、k2。觸摸筆的作用相當(dāng)于鼠標(biāo)，當(dāng)觸摸筆輸出一次k1頻率時相當(dāng)于點擊一下鼠標(biāo)左鍵，輸出一次k2頻率相當(dāng)于點擊鼠標(biāo)右鍵。當(dāng)觸摸筆筆尖與LCD距離≤3～5cm時，觸摸檢測裝置可感應(yīng)到觸摸信號，這時光標(biāo)隨著觸摸筆在LCD上移動。觸摸信號頻率檢測精度的高低是觸摸屏是否穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。頻率檢測電路及仿真結(jié)果如圖5、圖6所示，TOUCH＿SIN端為觸摸信號輸入端，通過施密特觸發(fā)器，然后信號從FRE端發(fā)送到單片機，進行運算處理，計算出觸摸信號的頻率。利用Multisim軟件平臺建立出頻率檢測電路仿真模型，從仿真結(jié)果中可以看到，經(jīng)過處理后的觸摸信號轉(zhuǎn)換為具有相同周期T的方波信號，將方波信號傳送到微處理器，微處理器在t時間里計算出方波的個數(shù)n，則信號的周期T＝t／n，頻率f＝1／T，由此確定觸摸信號的頻率。

圖5 頻率檢測電路

單片機從端口TOUCH＿SIN獲得的頻率信號的質(zhì)量，決定了觸摸屏能否快速響應(yīng)正確的觸摸動作［5］。因此，在觸摸信號頻率檢測電路設(shè)計中，使用施密特觸發(fā)器（SN74LVC1G14）可以將觸摸時產(chǎn)生的鋸齒波形信號整形成較規(guī)則的方波信號。經(jīng)過這樣的設(shè)計，也可以有效消除觸摸時因其他信號對頻率的干擾或過快點擊對觸摸屏精度造成的影響。

圖6 仿真結(jié)果

2.3 觸摸信號電壓整流電路

當(dāng)觸摸筆靠近LCD時，觸摸檢測器獲得感應(yīng)信號，經(jīng)過電子開關(guān)及信號處理電路后，再對信號進行整流。觸摸信號整流電路如圖7所示。觸摸信號由TOUCH＿SIN輸入，經(jīng)過二極管D整流。圖中CONTROL與HT460RB70的PC4引腳相連接，HT460RB70通過PC4引腳控制三極管的導(dǎo)通狀態(tài)，通過電容充放電直接影響整流后的波形，使其更加準(zhǔn)確。信號整流后還需經(jīng)過一個同相放大電路，然后從SIN發(fā)送到HT460RB70單片機PCO／INT引腳。在Multisim中對觸摸電壓信號整流電路的仿真結(jié)果如圖8所示，圖中信號SIN是處理后的信號波形。其結(jié)果表明，通過整流后得到平滑穩(wěn)定的直流電壓信號，有利于提高A／D轉(zhuǎn)換的精度。

圖7 觸摸信號整流電路

圖8 仿真結(jié)果

2.4 MCU電路

MCU電路采用Holtek公司的RISC單片機——HT47RB70。該單片機是A／D轉(zhuǎn)換型8位USB單片機，專門為USB產(chǎn)品而設(shè)計，尤其適用于USB或SPI接口觸控屏、觸控按鍵等產(chǎn)品。

基于HT47RB70的電感式觸摸屏MCU電路如圖9所示。HT47RB70采用上電復(fù)位方式進行復(fù)位，AX、BX、CX和AY、BY、CY與其PD0～PD2和PA0～PA2引腳分別作為X軸和Y軸電子開關(guān)電路的選擇端。PD3～PD6和PA3～PA6分別作為X軸和Y軸上電子開關(guān)電路的使能端。PE0～PE2作為信號修正電路的控制端。通過觸摸電壓處理電路后的信號通過PB0／AN0輸入單片機，經(jīng)過單片機內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換器得出觸摸電壓的值，從而辨別出觸摸效果。頻率信號通過PC0／INT輸入單片機，通過單片機在單位時間內(nèi)對方波個數(shù)的計數(shù)，即可得出信號的頻率。最后通過將觸摸信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)鼠標(biāo)信號，通過USB接口輸出到計算機，達到觸摸效果。

3 軟件設(shè)計

電感式觸摸屏控制器軟件設(shè)計主要包括：I／O初始化程序、定時計數(shù)器初始化、觸摸筆中斷服務(wù)程序、與計算機通信程序和主程序幾部分。觸摸筆中斷程序中包括觸摸坐標(biāo)計算程序和觸摸信號頻率計算程序。當(dāng)觸摸控制器接收到觸摸信號時，MCU響應(yīng)觸摸筆中斷服務(wù)程序，得到觸摸LCD的坐標(biāo)，啟動與計算機通信程序，將觸摸信號發(fā)送到計算機，這樣完成一次觸摸。

結(jié) 語

圖9 MCU電路

本文介紹了電感式觸摸屏的工作原理，以及控制器的硬件電路和部分程序設(shè)計，該控制器電路全部通過驗證。電感式觸摸屏的設(shè)計實現(xiàn)了非直接接觸式的觸摸，避免了對觸摸檢測裝置的損壞，延長了整個觸摸控制系統(tǒng)的壽命，觸摸同一點的重復(fù)精度與觸摸靈敏度達到預(yù)期的設(shè)計要求。

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［2］Youngjae Im，Sungil Cho，Sungjoon Park，et al.Controllability of Touch－screen Phonesbased on Various Grip Postures［J］.Lecture Notes in Engineering and Computer Science，2010，2182：1948－1952.

［3］賀海峰.觸摸屏在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.大眾科技，2009（3）：45－49.

［4］王田苗，魏洪興.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā)［M］.3版.北京：清華大學(xué)出版社，2008：169－170.

［5］史蕊，蔡浩，王振，等.基于S3C44B0X＋μCOS II的觸摸屏設(shè)計［J］.電測與儀表.2007（2）：50－53.