探索TSC2003-Q1：一款強(qiáng)大的I2C觸摸屏幕控制器

在電子設(shè)計領(lǐng)域，觸摸屏幕控制器是許多設(shè)備不可或缺的組件。今天我要和大家詳細(xì)介紹一款來自德州儀器（TI）的I2C觸摸屏幕控制器——TSC2003-Q1，它在汽車應(yīng)用等多個領(lǐng)域都有著出色的表現(xiàn)。

文件下載：tsc2003-q1.pdf

一、TSC2003-Q1的特性與應(yīng)用

特性亮點

TSC2003-Q1專為汽車應(yīng)用而設(shè)計，具備諸多優(yōu)秀特性。它的工作電壓范圍為2.5V至5.25V，內(nèi)部集成了2.5V參考電壓，還能直接測量電池電壓（范圍從0.5V到6V），同時支持片上溫度測量和觸摸壓力測量。其I2C接口支持標(biāo)準(zhǔn)、快速和高速三種模式，并且具備自動掉電功能，封裝采用TSSOP - 16，體積小巧。

廣泛應(yīng)用

這款控制器的應(yīng)用場景十分廣泛，涵蓋了個人數(shù)字助理（PDA）、便攜式儀器、銷售點終端、尋呼機(jī)、觸摸屏顯示器以及手機(jī)等設(shè)備。

二、技術(shù)細(xì)節(jié)剖析

基本架構(gòu)與工作原理

TSC2003是一款經(jīng)典的逐次逼近寄存器（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），基于電容重新分配架構(gòu)，自帶采樣保持功能，采用0.6μ CMOS工藝制造。它使用單電源供電，范圍在2.7V至5.25V之間，內(nèi)部參考電壓可被2V至VDD之間的外部低阻抗源驅(qū)動，參考電壓值直接決定了轉(zhuǎn)換器的輸入范圍。

模擬輸入

模擬輸入通過多路復(fù)用器提供，包括X、Y和Z坐標(biāo)、輔助輸入、電池電壓和芯片溫度等。獨特的低導(dǎo)通電阻開關(guān)配置，能讓未選中的ADC輸入通道為外部設(shè)備供電，相應(yīng)引腳提供接地，可有效消除開關(guān)導(dǎo)通電阻誤差。

內(nèi)部參考

內(nèi)部2.5V參考電壓可通過掉電控制位PD0和PD1開啟或關(guān)閉。該參考電壓僅在單端參考模式下用于電池監(jiān)測、溫度測量和輔助輸入測量，而觸摸屏測量則自動采用差分模式以獲得最佳性能。

參考輸入與模式

參考輸入電壓范圍為2V至VDD，參考電壓降低時，每個數(shù)字輸出代碼的模擬電壓權(quán)重會減小，即LSB（最低有效位）尺寸變小，ADC的偏移或增益誤差在LSB尺寸上會顯得增大。VREF輸入電壓直接驅(qū)動電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器（CDAC），輸入電流極低。在開關(guān)驅(qū)動器開啟時進(jìn)行測量，參考模式有特殊要求，使用差分模式可解決輸入和滿量程輸入的問題。

觸摸屏幕穩(wěn)定時間問題

當(dāng)觸摸屏上使用外部電容濾波時，會產(chǎn)生穩(wěn)定時間問題，表現(xiàn)為增益誤差。TSC2003可通過命令先開啟驅(qū)動器而不進(jìn)行轉(zhuǎn)換，等待一段時間后再進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通常I2C總線傳輸轉(zhuǎn)換命令的時間足以讓觸摸屏穩(wěn)定。

溫度測量

TSC2003提供兩種溫度測量模式。第一種模式需在已知溫度下校準(zhǔn)，通過測量二極管正向偏置電壓來預(yù)測環(huán)境溫度，分辨率為0.3°C/LSB；第二種模式無需校準(zhǔn)，采用兩次測量方法，可達(dá)到2°C/LSB的精度，但分辨率較低，為1.6°C/LSB。

電池測量

該控制器能監(jiān)測電壓調(diào)節(jié)器另一側(cè)的電池電壓，電池電壓范圍為0.5V至6V，輸入電壓會被除以4后輸入ADC，以簡化多路復(fù)用器和控制邏輯，降低功耗。

壓力測量

TSC2003支持兩種觸摸壓力測量方法。第一種方法需要知道X板電阻、測量X位置以及兩次跨面板測量（Z2和Z1）；第二種方法需要知道X板和Y板電阻、測量X和Y位置以及Z1。

數(shù)字接口

TSC2003支持I2C串行總線和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的三種模式。它作為I2C總線上的從設(shè)備，通過開漏I/O線SDA和SDL連接。數(shù)據(jù)傳輸需在總線空閑時啟動，每個數(shù)據(jù)傳輸以起始條件開始，以停止條件結(jié)束，接收設(shè)備需在接收每個字節(jié)后產(chǎn)生確認(rèn)信號。

地址字節(jié)與命令字節(jié)

地址字節(jié)的前五位為工廠預(yù)設(shè)的10010，接下來兩位是設(shè)備選擇位A1和A0，由TSC2003的輸入引腳決定，最后一位（R/W）定義操作類型。命令字節(jié)由配置位C3 - C0和掉電位PD1 - PD0組成，C3 - C0設(shè)置輸入多路復(fù)用器地址和功能，PD1 - PD0選擇掉電模式。

轉(zhuǎn)換與讀寫周期

啟動轉(zhuǎn)換/寫周期時，主設(shè)備發(fā)送包含TSC2003從地址且R/W = 0的地址字節(jié)，之后發(fā)送命令字節(jié)。讀轉(zhuǎn)換/讀周期時，主設(shè)備發(fā)送R/W = 1的地址字節(jié)，然后接收數(shù)據(jù)。為獲得最佳性能，I2C總線在A/D轉(zhuǎn)換時應(yīng)保持空閑。

I2C高速操作

TSC2003可與高速I2C主設(shè)備配合工作，需將SCL上的簡單電阻上拉改為有源上拉。總線初始工作在標(biāo)準(zhǔn)或快速模式，主設(shè)備發(fā)送特定代碼后進(jìn)入高速模式，直到出現(xiàn)停止條件。

數(shù)據(jù)格式與8位轉(zhuǎn)換

輸出數(shù)據(jù)為直二進(jìn)制格式，8位轉(zhuǎn)換模式可在需要更快吞吐量且對數(shù)字結(jié)果要求不高時使用，能縮短轉(zhuǎn)換時間、減少數(shù)據(jù)傳輸時間和降低功耗。

三、布局與PENIRQ輸出建議

布局要點

為使TSC2003獲得最佳性能，布局時需注意。電源要干凈且充分旁路，在設(shè)備附近放置0.1 - μF陶瓷旁路電容，若VDD與電源連接阻抗高，還需1 - μF至10 - μF電容。VREF引腳一般無需旁路電容，GND引腳應(yīng)連接到干凈的接地點，避免靠近微控制器或數(shù)字信號處理器的接地端。與電阻式觸摸屏連接時，連接線要短且牢固。

PENIRQ輸出功能

PENIRQ輸出在特定條件下可觸發(fā)中斷。當(dāng)面板被觸摸時，PENIRQ輸出變低，在X、Y和Z位置測量周期以及某些驅(qū)動命令下，X + 輸入會與PENIRQ下拉晶體管斷開，避免產(chǎn)生誤差。若最后寫入的命令字節(jié)中PD0 = 1，PENIRQ輸出功能將被禁用，需寫入PD0 = 0的命令字節(jié)重新啟用。

四、總結(jié)

TSC2003-Q1是一款功能強(qiáng)大、性能出色的觸摸屏幕控制器，其豐富的特性和廣泛的應(yīng)用場景使其在電子設(shè)計中具有很高的價值。在實際設(shè)計過程中，我們需要充分考慮其技術(shù)細(xì)節(jié)和布局要求，以發(fā)揮其最佳性能。大家在使用這款控制器時，有沒有遇到過什么特別的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。