電感式觸摸屏控制系統(tǒng)硬軟件設(shè)計

圖1 觸摸屏控制電路整體結(jié)構(gòu)

1. 模擬電子開關(guān)電路

　　模擬電子開關(guān)電路如圖2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(jìn)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(jī)通過3位二進(jìn)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2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。

圖2 模擬電子開關(guān)電路

2. 觸摸信號頻率檢測電路

　　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3、圖4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(jī)，進(jìn)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3 頻率檢測電路

　　單片機(jī)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.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4 仿真結(jié)果

3. 觸摸信號電壓整流電路

圖5 觸摸信號整流電路

　　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(jìn)行整流。觸摸信號整流電路如圖5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(jī)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6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6 仿真結(jié)果

4. MCU電路

　　MCU電路采用Holtek公司的RISC單片機(jī)--HT47RB70.該單片機(jī)是A/D轉(zhuǎn)換型8位USB單片機(jī)，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7所示。HT47RB70采用上電復(fù)位方式進(jìn)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(jī)，經(jīng)過單片機(jī)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(jī)，通過單片機(jī)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(jī)，達(dá)到觸摸效果。

圖7 MCU電路

5. 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(jī)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(jī)通信程序，將觸摸信號發(fā)送到計算機(jī)，這樣完成一次觸摸。

結(jié)束

本文在介紹電感式觸摸屏的結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)之上,設(shè)計了以HT46RB70單片機(jī)為控制核心的電感式觸摸屏控制器。電感式控制器觸摸檢測裝置采用后置的方式,避免了觸摸過程中的機(jī)械損傷,延長了觸摸屏的壽命,同時具有低成本的優(yōu)點。該控制器的硬件電路及軟件部分已全部實現(xiàn),實驗結(jié)果表明該控制器具有較好的穩(wěn)定性,且適用溫度范圍廣。