艾凱旋 ，劉云婷 ，劉 洋

(1.中國工程物理研究院 計量測試中心，四川 綿陽 621999；2.電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610054)

0 引言

隨著移動設(shè)備和5G 時代的到來，大到機械設(shè)備操作界面，小到人們?nèi)粘Ｊ褂玫囊苿与娮釉O(shè)備，觸摸屏都因其方便快捷的操作方式而被廣泛使用。

觸摸屏作為人機交互的媒介之一，具有十分重要的研究價值。隨著人們對觸摸屏功能需求提高，可折疊和柔性觸摸屏的設(shè)計制備是觸摸屏研發(fā)的主要方向之一[1-5]。同樣，伴隨觸摸屏功能屬性的豐富，基于觸摸屏的應(yīng)用擴展也是重要方向之一，例如電子皮膚和可穿戴設(shè)備等[6-11]。但在研究過程中，觸摸屏往往需要外部觸摸檢測電路對觸摸屏的功能進行驗證。Sarwar等人提出了一種基于AD7146 的觸摸檢測電路[12]，可實現(xiàn)16 個觸摸點工作狀態(tài)的檢測，但只能檢測互電容觸摸屏。而針對自電容觸摸屏的檢測，Liu 等人和Ye 等人分別以AD7147 和MPR121 為核心設(shè)計了一種觸摸檢測電路[13-14]，但限于芯片本身的電容通道數(shù)目約束，Liu 等人設(shè)計的觸摸檢測電路只能檢測12 個電容通道的自電容觸摸屏，而Ye 等人設(shè)計的觸摸檢測電路只能檢測最多13 個電容通道的自電容觸摸屏，均無法應(yīng)對超過13 個電容通道檢測數(shù)量的自電容觸摸屏功能驗證。

對此，本文提出了一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，硬件部分為由Arduino 控制的觸摸檢測電路，其電路核心為MPR121，采用MPR121 地址位切換的原則，實現(xiàn)可檢測最多24 個電容通道數(shù)目的自電容觸摸屏的功能。同時，為了便于實時觀察觸摸屏中觸摸點的工作狀態(tài)，設(shè)計了一種基于Python 的圖形化界面。最后，通過實驗對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了功能驗證。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

1.1 觸摸檢測電路硬件設(shè)計

一個MPR121 只能檢測12 個電容通道的觸摸屏，為了讓觸摸檢測電路可以同時最多檢測24 個電容通道數(shù)目的自電容觸摸屏，觸摸檢測電路設(shè)計過程中選擇了兩個MPR121 以及一個CD74HC21E 為核心設(shè)計，其電路原理圖如圖1 所示。

圖1 觸摸檢測電路原理圖

該電路可以同時檢測具有24 個電容通道的自電容觸摸屏。其中，VDD 為觸摸檢測電路的電源輸入端，需要提供3.3 V 的電壓，觸摸檢測電路才能正常工作，而VREG 為MPR121 內(nèi)部電源電壓和內(nèi)部穩(wěn)壓器的輸出端，為了保證VDD 端與VREG 端電壓的穩(wěn)定性，均在其與接地端之間并聯(lián)一個0.1 μF 的去耦電容。

MPR121 作為具有12 個電容通道的芯片，其需要通過I2C 接口與微處理控制器通信才可以將觸摸屏中觸摸點的工作狀態(tài)傳輸?shù)接嬎銠C中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選擇由Arduino 控制，Arduino 通過I2C 接口讀取從機地址從而獲得MPR121 芯片采集到的觸摸點的數(shù)據(jù)，MPR121 芯片對應(yīng)的從機地址可以為0x5A、0x5B、0x5C 和0x5D，本文中觸摸檢測電路可以提供任意兩個從機地址供Arduino讀取，且在觸摸檢測電路的SCL、SDA 以及端需加10 kΩ 的上拉電阻。

觸摸檢測電路在檢測觸摸點工作狀態(tài)過程中，需要提前為Q1～Q24 的電容通道依次進行充電，然后定期將電容通道中的電量通過觸摸點釋放到接地端，其電容通道的整個充放電過程如圖2 所示。

圖2 電容通道充放電過程圖

觸摸檢測電路中MPR121 電容通道的默認(rèn)充電時間為0.5 μs，峰值電壓為2.34 V，隨著觸摸檢測電路不斷檢測電容通道中的電壓變化，就可以檢測到觸摸屏中觸摸點的自電容大小，從而判斷觸摸屏中觸摸點的工作狀態(tài)，其檢測原理表達式如下：

其中，Q 為電容通道中的總電量，V 為電容通道中的峰值電壓，I 和T 分別為電容通道的充電電流和充電時間，MPR121 的默認(rèn)充電電流為16 μA，其電源電壓VDD為3.3 V，其最高峰值電壓Vmax和最低峰值電壓Vmin表達式如下：

其可測量電容范圍計算如下：

式中Clow和Chigh分別是觸摸檢測電路可以檢測的最小電容值和最大電容值，當(dāng)觸摸檢測電路檢測到在3.08 pF～4.73 pF 之間的電容值時，觸摸屏中觸摸點顯示被觸摸狀態(tài)。

為了便于觸摸檢測電路檢測電容通道的拓展，觸摸檢測電路中采用CD74HC21E 器件作為兩個MPR121 的的連接端，CD74HC21E 器件具有4 輸入與門功能，可同時供4 個MPR121 共同連接使用，最終實現(xiàn)48 個電容通道數(shù)目檢測?？紤]到觸摸檢測電路只用到了兩個MPR121，CD74HC21E 的另外兩個閑置輸入端口均接入高電平。觸摸檢測電路的硬件電路版圖如圖3 所示，可通過MPR121 的ADDR 端口自由設(shè)置從機地址。

圖3 觸摸檢測電路硬件版圖

1.2 觸摸檢測電路驅(qū)動程序設(shè)計

觸摸檢測電路設(shè)計完成后，需要對其進行驅(qū)動程序的設(shè)計，包括觸摸檢測電路中寄存器地址的設(shè)置、電容通道的初始化設(shè)置以及從機數(shù)據(jù)的讀取設(shè)置等，因其采用Arduino 開發(fā)板，驅(qū)動程序的設(shè)計在Arduino IDE 開發(fā)環(huán)境中進行，圖4 所示為驅(qū)動程序模塊圖。

圖4 驅(qū)動程序模塊圖

觸摸檢測電路驅(qū)動程序主要包含“setup”模塊和“l(fā)oop”模塊兩部分，“setup”模塊的主要功能是對MPR121 芯片的工作模式和電容傳感通道進行基本設(shè)置，包括I2C 通信命令的設(shè)置，同時將引腳的初始工作電平設(shè)置為高電平。電容傳感通道設(shè)置模塊內(nèi)部包含的寄存器地址定義模塊主要用于對MPR121 芯片中的寄存器地址進行命名和歸類，而寄存器設(shè)置模塊用于對寄存器地址定義模塊定義的地址進行MPR121 芯片的原始設(shè)置。

“l(fā)oop”模塊的主要功能是對觸摸檢測電路中需要重復(fù)進行的操作進行一系列設(shè)置，其中主要是對透明觸摸屏上觸摸點觸摸狀態(tài)的讀取。觸摸狀態(tài)讀取模塊的主要功能就是讀取透明觸摸屏中觸摸點的工作狀態(tài)，其通過內(nèi)部的中斷檢測模塊檢測觸摸檢測電路是否工作在正常狀態(tài)，當(dāng)其工作在正常狀態(tài)時，則通過其內(nèi)部的雙字節(jié)數(shù)據(jù)讀取模塊，依次遍歷兩個不同從機地址MPR121芯片的12 個觸摸點數(shù)據(jù)，最后按順序?qū)⑵鋭澐值?4 個觸摸點中，用于確定對應(yīng)觸摸點的觸摸狀態(tài)。當(dāng)觸摸點被觸摸時，Arduino IDE 開發(fā)環(huán)境的串口檢測界面中對應(yīng)觸摸點的數(shù)據(jù)會顯示“1”，相反，顯示“0”。

Arduino 控制兩個MPR121 進行電容通道的檢測采用遍歷的方式，依次選定MPR121 的從地址為0x5A 和0x5B，通過一個循環(huán)語句依次遍歷兩個MPR121 的電容通道檢測結(jié)果，當(dāng)觸摸多個按鍵時，Arduino 會以16 ms 采集一個電容通道電容變化的速度依次遍歷兩個zMPR121的電容通道，每秒可以遍歷共60 個電容通道以上的電容變化情況，因此當(dāng)人的手指觸摸多個按鍵時，不會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的現(xiàn)象。

1.3 圖形化界面程序設(shè)計

觸摸檢測電路在實時采集觸摸點數(shù)據(jù)過程中，會產(chǎn)生大量觸摸點數(shù)據(jù)，通過Arduino IDE 自帶的串口監(jiān)視界面無法直觀獲得觸摸屏中各觸摸點工作狀態(tài)，因此設(shè)計了一種基于Python 的圖形化界面，其工作流程圖如圖5所示。

圖5 圖形化界面流程圖

圖形化界面采用Python 的PyQt4 單元庫為核心[15]，并調(diào)用了sys 庫、time 庫以及serial 庫。圖形化界面主要由三個功能模塊組成，分別為觸摸點數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)模塊、多線程數(shù)據(jù)接收模塊以及顯示界面設(shè)置模塊。多線程數(shù)據(jù)接收模塊用于接收并更新觸摸檢測電路采集到的觸摸點數(shù)據(jù)，觸摸點數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)模塊用于將多線程數(shù)據(jù)接收模塊接收到的觸摸點數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示界面設(shè)置模塊，顯示界面設(shè)置模塊用于設(shè)置圖形化界面的外觀、形狀等，并將接收到的觸摸點數(shù)據(jù)實時刷新到圖形化界面中。圖形化界面的觸摸點數(shù)據(jù)刷新率為10 μs 一次，其完成后的圖形化界面如圖6 所示，為一個5×5 矩陣式分布的觸摸板樣式。

圖6 圖形化界面顯示圖

圖形化界面會按照觸摸屏上觸摸點的工作狀態(tài)實時變化，當(dāng)觸摸點被觸摸時，對應(yīng)位置的圖形化界面會顯示紅色，且隨著觸摸點數(shù)量的增多以及布局的改變，圖形化界面也可以進行相應(yīng)的程序調(diào)整。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)驗證

為了驗證觸摸屏數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的有效性，觸摸檢測電路最終以印刷電路板的形式搭建完成，其工作電壓可由Arduino 開發(fā)板提供，實驗中采用Arduino Uno R3 開發(fā)板。

觸摸檢測電路在工作過程中需將其SCL 和SDA 端口分別與Arduino Uno R3 開發(fā)板對應(yīng)的I2C 端口相連，且觸摸檢測電路的VDD 與Arduino Uno R3 開發(fā)板的3.3 V 電壓端口相連，VSS 端與Arduino Uno R3 開發(fā)板的GND 端相連，端與Arduino Uno R3 開發(fā)板的任一數(shù)字引腳端口相連，且設(shè)置該數(shù)字引腳端口為輸入端口，起始電平為高電平。圖7 所示為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測試圖。

圖7 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測試圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在驗證過程中，選擇了一個5×5 簡易式觸摸板作為測試對象，并將其觸摸點連接端與觸摸檢測電路的對應(yīng)電容通道端口相連，其測試過程中因為觸摸檢測電路只能測試24 個電容通道，故觸摸板只有24個觸摸點的狀態(tài)可以被檢測到，圖8 所示為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)驗證結(jié)果圖。

圖8 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)果圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的觸摸檢測電路在檢測到簡易觸摸板上的觸摸點被接觸時，其對應(yīng)位置的觸摸點數(shù)據(jù)會同步更新到圖形化界面中實時顯示出來，且在觸摸檢測電路檢測過程中沒有誤檢測的觸摸點產(chǎn)生，證明了觸摸檢測電路的有效性。

3 結(jié)論

觸摸屏數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計完成，不僅使觸摸檢測電路的電容通道數(shù)量增加到24 個，可以用于更多觸摸點的觸摸屏檢測，且通過以Python 中的PyQt4 單元庫為核心的圖形化界面更直觀地觀測觸摸點變化情況，為觸摸屏數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計提供了新的思路。