基于C8051F021和ADS7846的觸摸屏系統設計

0 引言

　　隨著現代電子產品設計技術的不斷發展，電子產品的設計，尤其是人機交互界面的設計越來越趨向于人性化。觸摸屏憑借其獨特的操作特性，應用日益廣泛，它配合微控制器使用，能使嵌入式設備或手持式設備具有更加良好的人機交互界面，操作更加方便快捷。本文給出了一個基于C8051F021單片機和ADS7846 觸摸屏控制器的觸摸屏控制系統的設計方法。

　　1 觸摸屏工作原理

　　觸摸屏有電阻式、電容式、紅外線式、表面聲波式等多種。其中電阻式觸摸屏是目前應用較為廣泛的一種，可分為四線、五線、七線等幾類。其中四線制電阻式觸摸屏采用的是四線電阻模擬量技術，即兩個阻性層工作時，每層均加有5 V恒定電壓，一個豎直方向，一個水平方向，含四根導線；其特點主要是傳輸反應快，解析度高，穩定性好，一次校正，不易漂移，比較適合于工業控制領域，但使用時要注意防止外導電層被劃傷。

　　電阻式觸摸屏實際上是一種傳感器，它采用分壓器原理將矩形區域中的觸摸點(X，Y)的物理位置轉換為代表X坐標和Y坐標的電壓，圖1所示是其原理圖。四線制觸摸屏一般包含兩個阻性層：其中一層在屏幕的左右邊緣各有一條垂直總線，而另一層在屏幕的底部和頂部各有一條水平總線。為了在X軸方向進行測量，可將左側總線偏置為0 V，右側總線偏置為VREF，并將頂部或底部總線連接到ADC，這樣，當兩個阻性層相接觸時(即有觸摸時)即可作一次測量；為了在Y軸方向進行測量，可將底部總線偏置為0 V，頂部總線偏置為VREF，并將左側或右側總線連接到ADC，這樣，當兩個阻性層相接觸時，即可對電壓進行測量；該屏最理想的連接方法是將偏置為 VREF職的總線接在ADC的正參考輸入端，而將偏置為OV的總線接在ADC的負參考輸入端。

　　2 系統的硬件設計與實現

　　2．1 C8051F021的主要功能特點

　　本系統選用性能優良且成本較低的SOC單片機C8051F021作為控制核心。它是完全集成的混合信號系統級MCU芯片，具有32個數字I／O引腳。其主要的內部資源有8通道12位ADC，2通道12位DAC，4 KB的RAM，64 KB的FLASH，以及硬件實現的SPI、SMBus／I2C和兩個UART串行接口，同時帶有時鐘振蕩器，看門狗定時器，VDD監視器，溫度傳感器等。其所有模擬和數字外設均可由IDE軟件使能／禁止和配置。同時，它還采用了與8051兼容的CIP－51微控制器內核，因采用流水線結構，其指令執行速度有了很大的提高。此外，C8051F021還配置了標準的JTAG接口，在IDE軟件的支持下，可對安裝在最終產品上的MCU進行非侵入式、全速、在系統調試。該器件的封裝為TQFP－64，可在工業溫度范圍內(－45℃~+85℃)使用2．7~3．6 V的電壓工作。

　　2．2 ADS7846的主要功能和特點

　　ADS7846是BB公司生產的一種四線制觸摸屏控制器。可廣泛應用在電阻式觸摸屏系統中。ADS7846的核心是一個具有采樣和保持功能的12位逐次逼近式A／D轉換器，其轉換速率可達125kHz．且分辨率可編程為8位或12位。該器件不僅具有X、Y坐標測量功能，還具有電池電壓、芯片溫度、觸摸壓力和外模擬量4種測量功能，其工作方式可由控制字決定，片內的6選1模擬多路開關可根據微控制器送來的命令字來選擇6個電壓量之一(X+、Y+、Y-、 VBAT、TEMP、AUX-IN)，并將其送入A／D轉換器轉換，然后再通過SPI接口將轉換值送入微控制器。此外，ADS7846還集成有觸摸識別電路，當檢測到有觸摸時，該電路會在PENIRQ(筆中斷)引腳輸出一個低電平信號，并以該信號向微控制器提出測量觸點坐標的中斷請求。該芯片采用單電源供電，工作電壓為2．2~5．25 V，且內部自帶+2．5 V的參考電壓。

　　2．3 C8051F021和ADS7846的硬件接口

　　基于C8051F021單片機和ADS7846觸摸屏控制器的觸摸屏控制系統的硬件接口電路如圖2所示。

　　圖2中。TX+、TX-、TY+、TY-為位置輸入端，分別對應四線制電阻式觸摸屏的四線制接口：

BUSY為忙信號指示，可在數據轉換時持續一個時鐘周期的高電平狀態，當TCS為高時，BUSY為高阻狀態：
TCS為片選輸入，只有當TCS為低時，串行數據才可以從DIN讀入；
DIN為串行數據輸入，在DCLK的上升沿讀入數據；
DOUT為串行數據輸出，用于輸出轉換后的觸摸點位置數據，12位工作方式下，其最大為4095，可在DCLK的下降沿輸出數據，當TCS為高時，DOUT為高阻狀態；
DCLK為外部時鐘輸人引腳，其輸入時鐘信號的頻率決定了電路的轉換速度，其推薦占空比為40％～60％；
PENIRQ為筆中斷引腳。工作時應通過10～100 kΩ電阻器上拉，當有觸摸事件發生時，可向微控制器申請中斷服務；
VREF為A／D參考電壓輸入；

　TCS、DCLK、 DIN、 BUSY、DOUT、PENIRQ分別接C8051F021的P1．0、P1．1、P1．2、P1．3、P1．4、PO．3。另外，IN3、IN4為兩個附屬A／D輸入通道，本系統沒有用到，使用時可將其接地。

　　3 系統軟件的設計與實現

　　ADS7846可通過片內模擬多路開關的切換，將X+/Y+端接VCC，將X-/Y-端接地，并將X+/Y+和X-/Y-以差分形式接到A/D轉換器的輸入端。這樣，當點擊觸摸屏的不同位置時，輸入到A／D轉換器中的電壓就不相同，然后再經A／D轉換后，就可得到觸點的輸出值，該輸出值與觸點的位置成近似線性關系。ADS7846通過一般控制字來設置工作方式，其控制字如表1所列。

　　在表1中，S為數據傳輸起始標志位，該位必為“1”；A2～A0用于通道選擇；MODE用來選擇A／D轉換精度： “1”選擇8位， “0”選擇12位；SER／DFR選擇參考電壓的輸入模式；PD1、PD0選擇省電模式： “00”為省電模式，可在兩次A/D轉換之間掉電，且允許中斷，而“01”同“00”相似，但不允許中斷； “10”為保留； “11”為禁止省電模式。

　　ADS7846與C8051F021之間通過標準的SPI接口相連。并由C8051F021啟動3次SPI傳送來完成轉換。第1次SPI傳送由 C8051F021向ADS7846發送控制字，含起始位、通道選擇、8／12位模式選擇、差分／單端選擇和掉電模式選擇；后兩次SPI傳送則是 C8051F021讀取A/D轉換后的結果數據，至此便完成了ADS7846和C8051F021之間的一次通信。其數據傳送時序如圖3所示。

　　本系統中的觸摸屏應用流程圖如圖4所示。

　　在編程過程中，通常應該注意以下問題：

(1) C8051F021的初始化，一般還會包括顯示模塊的初始化等；
(2)DS7846的初始化，一般包括寄存器和筆中斷的初始化等；
(3)防止抖動和連擊，通常需要加入消抖子程序和延時子程序；
(4)減小測量誤差，往往應采用多次測量并加入軟件濾波子程序；
(5)觸摸屏與液晶屏的坐標系不一致，還必須加入坐標變換子程序。

　　4 結束語

　　本文給出了一個基于C8051F021單片機和ADS7846觸摸屏控制器的觸摸屏控制系統的設計方法。討論了在觸摸屏控制系統開發過程中的若干軟、硬件問題。在工程實際中，本系統經過多次測試，效果良好。