激光治療儀中的觸摸屏接口的軟硬件設(shè)計(jì)

　　隨著社會(huì)自動(dòng)化程度的提高，人機(jī)交互能力急需大的轉(zhuǎn)變，向著更方便使用、更直觀的方向發(fā)展。激光治療機(jī)主要應(yīng)用激光的物理特性作用于人體，產(chǎn)生機(jī)體化學(xué)反應(yīng)從而達(dá)到治療疾病的目的。激光治療機(jī)作為一種精密儀器需要精確的控制及防塵、防靜電、防潮等方面的嚴(yán)格要求。激光治療機(jī)輸入設(shè)備采用觸摸屏控制，既是基于以上要求也是從方便使用者操作和界面直觀的角度考慮的。觸摸屏的應(yīng)用使得數(shù)據(jù)的顯示和數(shù)據(jù)的輸入結(jié)合為一體，簡化了整個(gè)設(shè)備。

　　1 觸摸屏原理

　　觸摸屏附著在顯示器的表面，與顯示器配合使用。通過觸摸產(chǎn)生模擬電信號(hào)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)由微處理器計(jì)算得出觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)，從而得到操作者的意圖并執(zhí)行。觸摸屏按其技術(shù)原理可分為五類：矢量壓力傳感式、電阻式、電容式、紅外線式和表面聲波式，其中電阻式觸摸屏在實(shí)際應(yīng)用中用的較多。電阻式觸摸屏由4層的透明薄構(gòu)成，最下面是玻璃或有機(jī)玻璃構(gòu)成的基層，最上面是一層外表面經(jīng)過硬化處理從而光滑防刮的塑料層，附著在上下兩層內(nèi)表面的兩層為金屬導(dǎo)電層（OTI，氧化銦），這兩層由細(xì)小的透明隔離點(diǎn)進(jìn)行絕緣。當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)，兩導(dǎo)電層在觸摸點(diǎn)處接觸。

　　觸摸屏的兩個(gè)金屬導(dǎo)電層分別用來測量X軸和Y軸方向的坐標(biāo)。用于X坐標(biāo)測量的導(dǎo)電層從左右兩端引出兩個(gè)電極，記為X+和X-。用于Y坐標(biāo)測量的導(dǎo)電層從上下兩端引出兩個(gè)電極，記為Y+和Y-。這就是四線電阻觸摸屏的引線構(gòu)成。當(dāng)在一對(duì)電極上施加電壓時(shí)，在該導(dǎo)電層上就會(huì)形成均勻連續(xù)的電壓分布。若在X方向的電極對(duì)上施加一確定的電壓，而Y方向電極對(duì)上不加電壓時(shí)，在X平行電壓場中，觸點(diǎn)處的電壓值可以在Y+(或Y-)電極上反映出來，通過測量Y+電極對(duì)地的電壓大小，便可得知觸點(diǎn)的X坐標(biāo)值。同理，當(dāng)在Y電極對(duì)上加電壓，而X電極對(duì)上不加電壓時(shí)，通過測量X+電極的電壓，便可得知觸點(diǎn)的Y坐標(biāo)。測量原理如圖1所示。

　　圖1 四線式觸摸屏測量原理

　　五線式觸摸屏與四線式不同。主要區(qū)別在于五線觸摸屏將其中一導(dǎo)電層的四端均引出來作為四個(gè)電極，另一導(dǎo)電層僅僅作為測量的導(dǎo)體輸出X向和Y向的電壓，測量時(shí)要交替在X向和Y向上施加電壓。

　　2 觸摸屏控制器工作原理

　　觸摸屏控制器有多種，主要的功能均是在微處理器的控制下向觸摸屏的兩個(gè)方向分時(shí)施加電壓，并將相應(yīng)的電壓信號(hào)傳送給自身A/D轉(zhuǎn)換器，在微處理器SPI口提供的同步時(shí)鐘作用下將數(shù)字信號(hào)讀入微處理器。控制器ADS7846基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2 ADS7846基本結(jié)構(gòu)

　　圖1觸摸點(diǎn)P處測量結(jié)果計(jì)算如下：

　　ADS7846內(nèi)部可以通過寄存器的設(shè)置將A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率設(shè)為8位或12位，在本系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率取12位。則P點(diǎn)的二進(jìn)制輸出代碼為：

　　其中： 為加在ADS7846內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器上的參考電壓。

　　觸摸屏控制器的運(yùn)行是通過串行數(shù)據(jù)輸入口DIN輸入控制命令進(jìn)行控制的。控制命令的基本格式如下：

　　bit7指明發(fā)送命令開始，高電平有效。A2:A0用于選擇數(shù)據(jù)輸入通道，101選擇X坐標(biāo)測量，001選擇Y坐標(biāo)測量。MODE將內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為8位（MODE=1）或12位（MODE=0）。SER/DFR為單端/雙端參考電壓選擇位。PD1:PD0根據(jù)省電模式的需要進(jìn)行選擇設(shè)置。這些命令控制位的設(shè)置將在程序代碼部分得以應(yīng)用。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　激光治療機(jī)的輸入系統(tǒng)由三部分組成：觸摸屏、觸摸屏控制器和微控制器。微控制器采用Microchip公司的新型芯片PIC16F876。內(nèi)部總線采用哈佛雙總線結(jié)構(gòu)。在內(nèi)部頻率相同的情況下，加快了數(shù)據(jù)的傳輸速度，避免了瓶頸現(xiàn)象。此芯片采用精簡指令集（RISC）易于使用，加快了開發(fā)速度。內(nèi)部含有8KB程序存儲(chǔ)器（分頁操作），256字節(jié)EEPROM，368字節(jié)RAM，8路模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1個(gè)通用串行口（SCI），1個(gè)I2C接口，1個(gè)串行外圍接口（SPI），3個(gè)定時(shí)器及看門狗電路（WathcDog）等許多重要資源。外圍許多接口功能上的復(fù)用使得整個(gè)微控制器簡潔，功能強(qiáng)大。

　　根據(jù)ADS7846與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口特征，選用PIC16F876的SPI口。SPI口包括三個(gè)信號(hào)：SDO（串行數(shù)據(jù)輸出），SDI（串行數(shù)據(jù)輸入），SCK（串行同步時(shí)鐘）。硬件連接關(guān)系見圖3。

　　圖3 輸入系統(tǒng)硬件接口簡圖

　　本文側(cè)重于激光治療儀輸入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其它硬件的設(shè)計(jì)僅給出接口的含義。由于PIC16F876的內(nèi)部集成度較高，所以外圍接口相當(dāng)簡單，但是要完成復(fù)雜的控制功能必須進(jìn)行內(nèi)部寄存器的設(shè)置。

　　按照以上設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)了應(yīng)用軟件。圖4為主程序與觸摸屏輸入檢測部分的程序流程圖。其中，坐標(biāo)數(shù)據(jù)處理通常采用查表的方法，將用戶命令的坐標(biāo)形成數(shù)據(jù)表，利用獲得的坐標(biāo)信息進(jìn)行變換快速查表，從而提高軟件的運(yùn)行速度。

　　圖4 程序流程圖

　　下面是PIC16F876同ADS7846接口的部分程序代碼。

　　結(jié)語

　　本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使得輸入極其方便，而且外圍設(shè)備得到簡化，在實(shí)際應(yīng)用中提高了人機(jī)交互的能力，收到良好的社會(huì)效益。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想不僅能夠應(yīng)用在醫(yī)療行業(yè)，而且能夠應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化以及手持設(shè)備等各行業(yè)。

　　參考文獻(xiàn)

　　1 Burr-Brown Corporation. ADS7846 TOUCH-SCREEN CONTROLLER. 1999

　　2 Microchip Technology Inc. PIC16F87X Data Sheet.2001

　　3 俞光昀, 王綺紅, 吳一鋒. PIC系列單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用技術(shù).北京: 電子工業(yè)出版社, 2000