探討電阻式觸摸屏技術

因為美觀、維護、成本和衛(wèi)生等原因，觸摸屏技術開始向消費市場以外的醫(yī)療、工業(yè)和汽車市場滲透。隨著觸摸屏的問世，出現(xiàn)了多項觸控技術，如電容、電阻、電感、表面聲波和紅外線觸控技術。每種設計技術都有各自的優(yōu)缺點。電容式觸摸屏基于印刷電路板上的電極設計，因觸控鍵、滑塊和滾輪功能而深受用戶喜愛，輕松的觸控功能為用戶體驗增色很多。表面聲波觸控技術基于聲波，存在于需要透明的顯示屏設計中，例如娛樂園和人流很大的室內環(huán)境。紅外線觸控技術基于光線間斷方法，主要用于低分辨的超大屏幕。電感式觸摸屏技術主要用于塑料、鋁制或不銹鋼的面板，或者會暴露于液體的面板。其中，電阻式觸摸屏技術的成本競爭力最高，而且很容易集成到嵌入式設計內。這項技術主要用于設計面板尺寸不超過19英寸的觸摸屏。對手指觸摸檢測和手寫筆檢測的支持擴大了電阻觸控技術在消費電子中的應用范圍(見圖1）。

圖 1:手指和手寫筆檢測功能讓電阻式觸摸屏更好用

本文將主要探討電阻觸摸屏技術的特點、設計過程中應注意的問題以及潛在的應用領域。

了解電子觸控傳感器的設計和控制器選型要求

因為電阻觸摸屏現(xiàn)在很容易買到，而且價格隨時間逐漸下降，所以此項技術的應用范圍越來越廣。為了選擇最佳的觸摸屏技術，應用設計人員必須深入考慮應用需求。電阻式觸摸屏技術只需一個簡易的印刷電路板設計，不像電容式和電感式觸摸屏技術，需要在印刷電路板上設計電極或線圈蝕刻。因為觸摸屏直接覆蓋在顯示屏上，所以可以節(jié)省機械開關或電容式觸控鍵電極所需的印刷電路板空間。建議不要把電阻式觸摸屏用于惡劣的環(huán)境中，例如經常爆炸或灰塵過多的礦區(qū)或工地。電阻式觸摸屏上很少的破損都會影響觸控精確度和線性。

電阻式觸摸屏工作原理

1. 電阻式觸摸屏是表面覆蓋觸摸響應薄膜的透明玻璃板。

2. 電阻式觸摸屏面板有兩個電阻層(氧化銦錫)組成，中間是一層很薄的分隔層。

3. 電阻觸摸屏的兩個薄膜層組成一個電阻網絡，充當觸摸位置檢測功能的分壓電路。

4. 觸摸屏會在電阻網絡組成的分壓器上引起電壓變化，這個電壓用于確定觸摸屏幕的觸點位置。

5. 觸摸屏控制器(TSC)把捕捉的模擬電壓信號轉換成數(shù)字觸摸坐標信號。內置模數(shù)轉換通道，充當測量模擬電壓的電壓計。

6. 在觸摸屏幕后，起到電壓計作用的觸摸控制器首先在X+點施加電壓梯度VDD，在X-點施加接地電壓GND。然后，檢測Y軸電阻上的模擬電壓，并把模擬電壓轉換成數(shù)值，用模數(shù)轉換器計算X坐標(圖2)。在這種情況下，Y-軸變成感應線。同樣地，在Y+和Y-點分施加電壓梯度，可以測量Y坐標。

7. 某些觸摸控制器還支持觸摸壓力測量，即Z軸測量。測量Z軸坐標時，電壓梯度施加在Y+軸和X-軸上。

圖 2:電阻式觸摸屏:X 坐標測量:

電阻觸感主要有兩種形式：軟件觸感解決方案和專用觸摸屏控制器芯片。

在軟件觸感解決方案中，微控制器須擔負所有的觸控檢測和坐標計算任務。基于微控制器的軟件算法采用內部的微控制器進行觸摸位置電壓測量，執(zhí)行觸摸檢測功能和坐標處理功能。

在專用觸摸屏控制器內，控制器向系統(tǒng)主機(微控制器)發(fā)起一個檢測觸摸事件的中斷請求，并輸出代表觸摸坐標的數(shù)字數(shù)據。然后主處理器(MCU)讀取數(shù)字數(shù)據，執(zhí)行客戶期待的操作命令。

基于MCU計算參數(shù)的設計方法要求主處理器的速度非常快，只有這樣才能管理頻繁的觸摸操作。對于快速觸摸檢測應用，這不是一個非常可靠的設計。因為沒有數(shù)據平均和觸摸檢測延時功能，這類設計的檢測精度比較低。具有數(shù)據采樣、測量值平均、觸摸檢測延時配置和數(shù)字觸摸坐標計算功能的專用觸摸屏控制器芯片才是真正的觸摸屏控制器。這些芯片易于集成到產品設計中，具有更高的性能。

電阻觸摸屏分類

按照觸摸屏上的感應線數(shù)量，電阻式觸摸屏可再分為三大類：4線、5線和8線。4線觸摸屏的條形電極安裝在兩個不同的電阻層(X+、X-在同一層，Y+、Y-另一個電阻層上)。5線觸摸屏只在底層上有圓形電極(X+、X-、Y+和Y-)。頂層用于在觸摸過程中測量電壓，電壓梯度只施加在底層上。

8線觸摸屏的工作原理與4線觸摸屏相似。只是給每一條線增加一個參考電壓線，所以最后的總線數(shù)達到8條。新增的4條線分別用于給原來的4條線提供參考電壓。8線觸摸屏采用比例測量模數(shù)轉換器的測量原理。

因為成本低廉，觸摸感應算法簡單，4線觸摸屏被廣泛用于低端消費電子產品。5線和8線觸摸屏主要用于昂貴的高端醫(yī)療設備和重要的工業(yè)控制器。

觸摸屏解決方案的主要組件包括觸摸屏面板、觸摸屏控制器(TSC)、顯示面板和主處理器，如圖3所示，主處理器可以是一個低端的微控制器。主處理器利用一線或兩線接口協(xié)議(I2C/SPI)管理觸摸屏控制器的初始化，以及讀取數(shù)字坐標數(shù)據。主處理器還負責把用戶觸摸轉換成所需的操作，如音量調節(jié)、圖片更換或書寫顯示。大多數(shù)消費電子產品都有顯示面板，同一顯示面板上可顯示人機互動圖標。

圖 3:電阻式觸感解決方案結構圖

設計一個帶觸感用戶界面的應用系統(tǒng)，設計復雜性取決于觸摸屏分辨率的要求。觸摸屏分辨率還取決于觸摸屏控器的模數(shù)轉換器分辨率。另一個重要因素是觸摸屏控制器的功耗，建議選用一個具有中斷功能和低功耗待機模式的控制器。當沒有觸摸操作時，控制器進入低功耗的待機狀態(tài)，以節(jié)省電能；當檢測到觸摸事件時，控制器將會喚醒，執(zhí)行觸摸電壓解碼功能。這個功能成為便攜設備的一個基本要求，因為便攜設備電池中的每庫侖電量都非常寶貴。

選用一個內置緩存的觸摸屏控制器對于頻繁的觸摸檢測應用十分有益。例如，書寫是連續(xù)的觸摸操作，如果觸摸屏控制器包括一個FIFO緩存，那么可以在FIFO緩存裝滿后再進行數(shù)據處理，這可降低主處理器的處理開銷。當屏幕較大(>6英寸)時，觸摸屏導電板拾起的噪聲會影響觸摸屏的精度，在觸摸屏上(在X+/X-、Y+/Y-軸)增加電容器，可降低高頻噪聲。

一個電阻觸摸屏實例

為了弄明白電阻式觸感解決方案的原理，我們分析一個現(xiàn)成的低成本手寫板解決方案(圖 4)。在這個實例中，電阻觸摸屏控制器采用ST的先進STMPE811控制器，主處理器采用ST的STM32高密度32位微控制器。

圖 4:手寫板解決方案

該解決方案讓用戶在TFT-LCD面板上感受實時手寫的妙處。在一個4線電阻式觸摸屏上，手寫筆的X和Y坐標被映射到TFT-LCD面板內的一個線繪上。在現(xiàn)有的手寫板設計中，2.4英寸觸摸屏安裝到2.4英寸(QVGA分辨率)TFT-LCD面板上。大多數(shù)手機和PDA都采用低分辨率的顯示屏。為確保觸摸檢測坐標精確映射到顯示屏上，應特別注意觸摸屏和顯示面板的分辨率。沿觸摸屏電阻軸(X/Y)的觸摸坐標變化是另一個重要考慮因素，這個問題與觸摸屏的品牌有關。在某些觸摸屏上，從觸摸屏控制器取得的坐標值沿觸摸屏的軸從上向下逐漸變小，反之亦然。

在本例中，觸摸屏控制器通過I2C協(xié)議接口連接32位微控制器。TFT-LCD面板通過微控制器的靈活接口(FSMC)與微控制器相連，通過微控制器配置觸摸屏控制器的各種參數(shù)，如模數(shù)轉換器采樣速度和平均值。除I2C協(xié)議接口外，觸摸屏控制器提供一個輸出中斷引腳，用于向主處理器發(fā)起觸感檢測中斷請求。該中斷引腳與微控制器的外部中斷端口引腳相連。本解決方案采用的觸摸屏控制器包括一個12位模數(shù)轉換器和一個可暫存128個觸摸數(shù)據集的FIFO緩存。當觸摸屏控制器檢測到觸摸事件時，微控制器就會從外部中斷端口引腳收到一個中斷請求，然后通過I2C協(xié)議讀取觸摸屏控制器FIFO緩存內的數(shù)據。每個X軸和Y軸坐標數(shù)據都使用一個12位數(shù)值。從觸摸屏坐標到像素顯示屏坐標的軟件映射，計算基數(shù)是顯示器面板的分辨率和觸摸屏的分辨率。微控制器處理TFT-LCD像素顯示器的坐標，然后顯示相應的TFT-LCD像素。12位模數(shù)轉換器的分辨率完全夠用。因此，可以獲得非常精確的觸點，這可以讓連續(xù)的像素發(fā)光，為用戶提供實時的線繪感覺(圖5)。

圖 5:手寫板實現(xiàn)流程

因為觸摸屏控制器內置FIFO緩存，管理微控制器處理開銷變得很容易。此外，還可在顯示面板的一側顯示彩色表格。文本的顏色可以選擇，只要點擊表格中的一種顏色，下一個線繪就會變成所選顏色。該方案還提供一個清除按鈕的圖標，當屏幕充滿內容時，觸摸這個按鈕可清理屏幕。利用這種方式，設計人員可輕松實現(xiàn)一個畫筆功能。這個應用可能是孩子畫畫工具箱的基礎。