中心議題：

• 電容式觸摸屏的控制器電路設(shè)計

解決方案：

• 觸摸屏激勵信號源介紹
• 觸摸電流處理電路介紹
• 自動調(diào)零電路介紹
• 通訊接口介紹

摘要：該文介紹一種適用于電容式觸摸屏的控制器電路，該控制器由8751單片機(jī)系統(tǒng)及相應(yīng)的觸摸感應(yīng)電路組成，闡明了電容式觸摸屏的結(jié)構(gòu)和控制器的硬件電路及各部分的功能，以及確定觸摸位置坐標(biāo)的原理與方法。利用該控制器可以獲得手指在屏上觸摸的位置和觸摸輕重度信息，通過串行口或并行口將信息傳送給計算機(jī)，基于這些信息可以設(shè)計用戶應(yīng)用程序。該控制器電路及相應(yīng)的控制軟件已全部實現(xiàn)。

計算機(jī)觸摸屏是一種顯著改善人機(jī)操作界面的輸入設(shè)備，具有直接、簡單、快捷的優(yōu)點(diǎn)，在各個領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景，尤其適用于計算機(jī)屏幕菜單式問答系統(tǒng)，例如工業(yè)控制監(jiān)控、軍事指揮、商場導(dǎo)購、賓館功能介紹、各種咨詢系統(tǒng)等。目前國外觸摸屏有電容式、電阻式和紅外式之分。由于電容式觸摸屏具有數(shù)據(jù)連續(xù)、分辨率高、屏結(jié)構(gòu)簡單、內(nèi)藏式等優(yōu)點(diǎn)，可以不改變原計算機(jī)結(jié)構(gòu)，因而獲得廣泛應(yīng)用。觸摸屏是履蓋在計算機(jī)顯示終端上的玻璃屏，透過玻璃屏能看到顯示屏上的圖象。電容式觸摸屏是在玻璃屏上噴涂某種金屬氧化物薄膜，如可使用銦錫氧化物。在觸摸屏的四周邊緣上安排有若干電極，使得交流電能夠較均勻地在一個方向上流過整個觸摸屏，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。觸摸屏每一邊可安排5個或6 個電極，以適合 14″ 、17″ 等不同觸摸屏的需要。當(dāng)用手指觸摸玻璃屏某一位置時，使用者的體電容加到電路中，引起電極之間電容的變化。為了感應(yīng)電容值的變化，并確定手指觸摸的位置，必須設(shè)計1 個能與主機(jī)CPU 通訊的控制器。為此筆者研制了適用于電容式觸摸屏的控制器。本文主要介紹該控制器的硬件組成、各部分功能以及確定觸摸位置的原理和方法。


1　觸摸屏控制器電路及其功能

觸摸屏控制器總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。控制器的所有時序都由單片機(jī)控制，各部分功能敘述如下。

1. 1　觸摸屏激勵信號源
控制器的激勵信號源如圖3 所示。信號由函數(shù)信號發(fā)生器8038 產(chǎn)生，它能夠輸出正弦波和方波，正弦波用作觸摸屏的激勵信號。單片機(jī)通過 8 位 D/ A 轉(zhuǎn)換器可控制8038 的振蕩頻率，一般控制在200 kHz 左右，以避開計算機(jī)顯示器掃描信號產(chǎn)生的干擾。同時，由8038 產(chǎn)生的方波信號提供給模擬解調(diào)器，作為解調(diào)信號參考源。由于8038輸出的正弦波信號功率有限，為此在8038的正弦波信號輸出端增加了功率放大電路。

1. 2　觸摸電流處理電路
觸摸電流處理電路如圖4 所示。假設(shè)在沒有觸摸時，調(diào)零電路已使變壓器次級中心抽頭上的電流為零。當(dāng)有觸摸時，將使中心抽頭上的電流產(chǎn)生變化，其波形為經(jīng)信號激勵源頻率X0 調(diào)制的信號。如果在位置坐標(biāo)為X、Y的點(diǎn)上進(jìn)行觸摸，則中心抽頭電流通過模擬解調(diào)器解調(diào)輸出，并由低通濾波器濾波后，可得到與坐標(biāo)X、Y及觸摸輕重度Z 相對應(yīng)的觸摸電流i X、iY、iZ。

由于測量值的變化范圍較寬，如果簡單地將其信號放大后，接入 A/ D 轉(zhuǎn)換器ADC1001，將使其位置測量精度大大下降。為此使用了積分器，使其輸出的電壓與t XiX、tYiY、tZi Z 相對應(yīng)，其中，tX、t Y、t Z 為積分因子，對應(yīng)的積分時間由單片機(jī)控制模擬開關(guān)的開通時間來實現(xiàn)，這樣就能適合于測量值的變化。

1. 3　自動調(diào)零電路
在沒有觸摸的情況下，由于元器件的誤差等原因，變壓器次級中心抽頭上的電流不一定為零，從而引起測量誤差，為此本控制器設(shè)置了自動調(diào)零電路，如圖5 所示。該電路將12 位D/ A 轉(zhuǎn)換器DAC1230 的輸出，通過電容耦合到SIG-信號上，使得變壓器次級中心抽頭上的電流調(diào)整為零。
1. 4　通訊接口
電容式觸摸屏控制器設(shè)置了串行接口和并行接口，將測量計算得到的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳送給計算機(jī)。串行接口為RS - 232 標(biāo)準(zhǔn)接口，可通過撥碼開關(guān)進(jìn)行設(shè)置:波特率為1200、9 600 或19 200; 進(jìn)行奇/偶校驗或不校驗; 采用二進(jìn)制碼或ASCⅡ碼通訊。并行接口為CENTRONICS標(biāo)準(zhǔn)接口。由撥碼開關(guān)還可設(shè)置4 種數(shù)據(jù)發(fā)送模式: 連續(xù)模式、增量模式、按下發(fā)送模式和放開發(fā)送模式。

2　觸摸屏掃描模式和觸摸位置的確定
在圖1 所示的觸摸屏上，如果在 P 點(diǎn)觸摸，為了確定觸摸坐標(biāo)X、Y及觸摸的輕重度，必須設(shè)計適當(dāng)?shù)膾呙枘Ｊ剑沟眉钚盘朣IG+和SIG-按預(yù)先安排好的時序分別作用于觸摸屏的各邊電極上，依次形成各方向的觸摸電流。掃描時序由控制器中的單片機(jī)通過多路開關(guān)進(jìn)行控制。本控制器設(shè)計了4 種掃描模式。第 1種模式為將SIG+加到觸摸屏的左邊電極上，SIG-
加到觸摸屏的右邊電極上，觸摸屏的上邊和下邊電極全部開路，這樣在觸摸屏的X 方向上建立了交流電壓梯度，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)和濾波后，可得到X 方向上的觸摸電流為iX= KXXV/ Zf ，其中，V為變壓器次級對于中心抽頭虛地的電壓，KX 為常量，V/ Zf 為電路等價阻抗觸摸電流。第2 種模式為將SIG+加到觸摸屏的左邊電極上，同時也加到觸摸屏的右邊電極上，這時在X 方向上建立了均勻的交流電壓。如果在觸摸屏上任意一點(diǎn)進(jìn)行觸摸，則經(jīng)解調(diào)器解調(diào)和濾波后，得到其觸摸電流為i ZX= KZXV/ Zf ，其中，KZX為常量。由iX 和iZX得X 方向的觸摸位置坐標(biāo)為X= (KZX/ KX)·( iX/ i ZX ) ，式中，iX、iZX在以上2 種掃描模式下測得，而常量KZX/ KX 可由實驗確定。一旦確定了KZX / KX，就可計算出X 方向的任意觸摸位置坐標(biāo)X。同樣，第3 種模式是將SIG+和SIG-分別加到觸摸屏的上邊電極和下邊電極上，即可得到Y(jié)方向上的觸摸電流為i Y= KYYV/ Zf ，其中，KY 為常量。第4種模式是同時將SIG+加到觸摸屏的上邊電極和下邊電極上，得等價阻抗觸摸電流為 iZY= KZYV/ Zf ，其中，KZY為常量。也可由 iY 和 iZY得Y 方向的觸摸位置坐標(biāo)為 Y=(KZY/ KY) ( i Y/ i ZX) ，其中，常量KZY/ KY 同樣可由實驗確定。

觸摸坐標(biāo)的計算由單片機(jī)軟件實現(xiàn)。在測量觸摸位置坐標(biāo)的同時，也得到了觸摸輕重度
的信息，該信息可用于設(shè)置觸摸輕重度的閾值或喚起一個應(yīng)用程序。

3　結(jié)語
本文給出了電容式觸摸屏控制器的硬件線路，該控制器電路已全部實現(xiàn)。通過硬件線路
設(shè)計及相應(yīng)軟件的配合，在觸摸同一點(diǎn)的重復(fù)精度與觸摸靈敏度上得到用戶認(rèn)可，達(dá)到了預(yù)
想的技術(shù)要求，有關(guān)控制器的軟件部分將另文論述。