基于A(yíng)T91X40系列的手持式觸摸屏

摘要： 基于當前手持式觸摸屏穩定性不高，性能不可靠的狀況，采用AT91X40 系列微控制器作為控制芯片，由于該芯片功能強大，集成度高，處理數據能力強，穩定性高，所以基于AT91X40 系列的手持式觸摸屏具有體積小巧，功能強大，操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。手持式觸摸屏的顯示和輸入設備選用了ADS7843 和SED1335 兩種主流觸摸和LCD 顯示芯片。通過(guò)現場(chǎng)的實(shí)驗驗證，基于AT91X40 系列的手持式觸摸屏穩定性高，工作可靠，具有實(shí)際應用價(jià)值。

手持系統是一種當前頗為流行的便攜設備，其具有體積小巧，功能強大，操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。常見(jiàn)的手持系統如PDA掌上電腦就是一種高級的設備，現在的手持系統已經(jīng)成為眾多大公司追逐的新寵，未來(lái)的前景更是被廣泛看好。隨著(zhù)科技發(fā)展，人們生活水平日益提高，新型的掌上手持系統越來(lái)越受到廣大消費者的喜愛(ài)。原來(lái)的手持設備多以鍵盤(pán)作為輸入設備，這樣限制了設備本身的體積大小與便攜性。如今大多手持設備已經(jīng)采用LCD 液晶屏作為顯示屏，用觸摸屏代替原來(lái)的鍵盤(pán)， 使在功能不變的情況下操作更簡(jiǎn)便?；贏(yíng)T91X40 系列微控制器的手持系統，突出體現了電子產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比較高的優(yōu)勢。目前，AT91X40 系列微控制器應用廣泛，材料易于購買(mǎi)， 與速度較高的其他芯片相比價(jià)格也相對低廉，適用于大眾化的中低端產(chǎn)品。手持系統的顯示和輸入設備，采用了現在流行的觸摸屏。觸摸屏技術(shù)發(fā)展速度快，前景廣闊，目前已經(jīng)得到廣泛應用，具有極大的研究?jì)r(jià)值。這個(gè)系統中，選用了ADS7843 和SED1335 兩種主流觸摸和LCD 顯示芯片。整個(gè)硬件的選擇突出了主流性、先進(jìn)性，保證研究成果擁有一定實(shí)際價(jià)值。

1 系統的核心控制芯片

AT91X40 系列微控制器集成了ARM7TDMI 核、嵌入式ICE 接口、存儲器以及外圍部件。系列結構有兩條主要總線(xiàn)：

先進(jìn)系統總線(xiàn)ASB （Advanced System Bus） 和先進(jìn)外圍總線(xiàn)APB（Advanced Peripheral Bus）。ARM7TDMI 通過(guò)ASB 接口實(shí)現與片內32 位存儲器、外部總線(xiàn)接口EBI 以及AMBA 橋的互連。AMBA 橋用來(lái)驅動(dòng)APB；APB 用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)片內外圍，優(yōu)化系統功耗。AT91X40 系列方框圖如圖1 所示。

圖1 AT91X40 系列方框圖

1.1 存儲器

AT91X40 系列微控制器有多達256 kB 的片內SRAM 和128 kB 的片內ROM。內部存儲器通過(guò)32 位數據總線(xiàn)與ARM核連接，具有單周期訪(fǎng)問(wèn)的特性。當使用ARM 指令集時(shí)可以達到0.9 MIPS/MHz 的性能，系統功耗最小，性能優(yōu)于使用分開(kāi)存儲器的方案。該系列產(chǎn)品具有外部總線(xiàn)接口EBI。通過(guò)它，ARM 核可以與外部存儲器及專(zhuān)用外設相連接[2]。EBI 支持8 位和16 位器件， 并可以用兩個(gè)8 位器件來(lái)仿真一個(gè)16 位器件。EBI 還實(shí)現了早讀協(xié)議，使用戶(hù)可以獲得比標準讀協(xié)議更快的存儲器訪(fǎng)問(wèn)速度。

1.2 片內外圍

AT91X40 系列產(chǎn)品集成有片內外圍，分為系統外圍和用戶(hù)外圍。ARM 核可以通過(guò)AMBA 橋以32 位的總線(xiàn)寬度訪(fǎng)問(wèn)，用最少的指令編程所有的片內外圍。外圍寄存器集包括控制寄存器、模式寄存器、數據寄存器、狀態(tài)寄存器以及使能/禁止/狀態(tài)寄存器。片內外圍數據控制器PDC （PeripheralData Controller） 用來(lái)在USART 和片內/外存儲器之間傳送數據而無(wú)需處理器的干預。最重要的是，PDC 省去了處理器中斷處理的開(kāi)銷(xiāo)，使得系統無(wú)需重新編程起始地址就可以連續傳送多達64 kB 的數據，從而提高了微控制器的性能，降低了功耗。

2 觸摸屏的結構及功能特性

2.1 觸摸屏的結構

典型觸摸屏的工作部分一般由3 部分組成， 如圖2 所示：兩層透明的阻性導體層、兩層導體之間的隔離層、電極。

阻性導體層選用阻性材料，如銦錫氧化物（ITO）涂在襯底上構成，上層襯底用塑料，下層襯底用玻璃。隔離層為粘性絕緣液體材料，如聚脂薄膜。電極選用導電性能極好的材料（如銀粉墨）構成，其導電性能大約為ITO 的1 000 倍。

圖2 觸摸屏結構

2.2 觸摸控制芯片ADS7843 的功能特性

ADS7843 是4 線(xiàn)電阻觸摸屏轉換接口芯片。它是一款具有同步串行接口的12 位取樣模數轉換器。在125 kHz 吞吐速率和2.7 V 電壓下的功耗為750 μW，而在關(guān)閉模式下的功耗僅為0.5 μW。因此，ADS7843 以其低功耗和高速率等特性，被廣泛應用在采用電池供電的小型手持設備上。ADS7843 采用SSOP-16 引腳封裝形式，溫度范圍是-40～+85 ℃。ADS7843具有兩個(gè)輔助輸入（IN3、IN4），可設為8 位或12 位模式。其外部連接電路如圖3 所示， 該電路的工作電壓Vcc 在2.7～5.25 V 之間，基準電壓介于1 V～+Vcc。該電路基準電壓確定了轉換器輸入范圍，輸出數據中每個(gè)數字位代表的模擬電壓等于基準電壓除以4 096。平均基準輸入電流由ADS7843 轉換率來(lái)確定。

SED1335 接口部分帶有功能較強的I/O 緩沖器， 可隨時(shí)準備接收MPU 的訪(fǎng)問(wèn)，并按內部時(shí)序，及時(shí)把MPU 發(fā)來(lái)的指令和數據傳輸就位。SED1335 在接口部分設置了適配8080系列和M6800 系列MPU 的兩種操作時(shí)序電路， 通過(guò)設置引腳電平來(lái)選擇操作時(shí)序。

3.2 控制部分

SED1335 的控制部分由振蕩器、功能邏輯電路、顯示RAM 管理電路、字符庫管理電路以及產(chǎn)生驅動(dòng)時(shí)序的時(shí)序發(fā)生器等組成。振蕩器的工作頻率范圍為1 ～10 MHz。

SED1335 能在很高的工作頻率下迅速地編譯MPU 發(fā)來(lái)的指令代碼。將參數置入相應寄存器內，并觸發(fā)相應的邏輯功能電路。顯示RAM 管理電路用以管理64 k 顯示RAM 及內藏的字符發(fā)生器CGRAM 或EXCGROM。

1）文本顯示特性具有文本顯示特性的顯示RAM 區用于文本顯示，在該顯示RAM 區中，每個(gè)字節的數據都是字符代碼。SED1335 利用這些字符代碼來(lái)確定字符庫中字符的首地址，然后將相應數據傳送到液晶顯示模塊上，在液晶屏上以8×8 點(diǎn)陣塊顯示該字符。SED1335 中專(zhuān)門(mén)有一組寄存器來(lái)管理這兩種特性的顯示區， 使其既可以單獨顯示一個(gè)特性，也可按某種邏輯關(guān)系顯示兩個(gè)特性。顯示方式的設置可以通過(guò)軟件指令來(lái)完成。

2）圖形顯示特性具有圖形顯示特性的顯示RAM 區用于圖形顯示。在該顯示RAM 區中，每一個(gè)字節的數據都直接送到液晶顯示模塊上，每一位的電平?jīng)Q定上一個(gè)點(diǎn)的顯示狀態(tài)。“1”為顯示，“0”為不顯示。所以，圖形顯示RAM 的一個(gè)字節對應顯示屏上的8×1 點(diǎn)陣。SED1335 中專(zhuān)門(mén)有一組寄存器來(lái)管理這兩種特性的顯示區， 使其既可以單獨顯示一個(gè)特性，也可按某種邏輯關(guān)系顯示兩個(gè)特性。顯示方式的設置可以通過(guò)軟件指令來(lái)完成。

3）字符發(fā)生器CGROM SED1335 管理內藏字符發(fā)生器CGROM， 在字符發(fā)生器內固化了160 種5×7 點(diǎn)陣字符的字模。SED1335 還有外擴字符發(fā)生器，需要外擴字符發(fā)生器時(shí)，既可以用RAM 區開(kāi)辟的CGRAM，也可以用EPROM 固化字庫來(lái)實(shí)現。由SED1335 僅能處理8 位的字符代碼，所以一次最多只能顯示及建立156 種字符。在SED1335 的字符表中給出了內部字符發(fā)生器的全部?jì)热?。同時(shí)也給出了外擴字符發(fā)生器的字符代碼范圍：80H-9FH 和E0H-FFH 共64 種。

4 系統功能的實(shí)現要點(diǎn)及程序流程

在調試核心控制芯片AT91X40 系列微控制器時(shí)， 根據觸摸屏的參數要求，要設置了一些基本參數。例如：系統時(shí)鐘、中斷類(lèi)型、I/O 口選用方式。因為沒(méi)有大功率的外部設備需要驅動(dòng)，把各個(gè)管腳統一設置為漏極模式。因為只用到了0中斷這個(gè)特殊功能，所以把其他功能關(guān)閉。SED1335 的設置很繁瑣，關(guān)鍵之處在于初始化的設置，把握住幾個(gè)關(guān)鍵性參數的設置即可，比如：屏幕顯示大小、顯示頻率、開(kāi)關(guān)屏指令。

觸摸功能的實(shí)現在于坐標采集的正確，以及中斷服務(wù)程序的編寫(xiě)。如果單純考慮控制芯片對中斷的響應，而加大延遲，勢必造成程序運行不流暢甚至死機的后果?？墒遣患哟笱舆t，就要通過(guò)長(cháng)時(shí)間的觸摸一點(diǎn)來(lái)達到系統對中斷的充分響應，這樣一來(lái)會(huì )使觸摸按鍵顯得過(guò)于遲鈍。在觸摸點(diǎn)坐標采集的問(wèn)題上，現在有幾種理論思想。第一種，多次測量觸摸點(diǎn)坐標取平均值，這樣采集到的坐標點(diǎn)很精確，但是耗時(shí)較多；第二種，通過(guò)查表的方式來(lái)確定坐標點(diǎn)。其原理大概是，事先編好一個(gè)坐標的數據表，當觸摸點(diǎn)在一個(gè)區域內時(shí)，根據查表的結果判定觸摸的位置。這種方法適用于觸摸固定位置的屏，因為要事先編數據表，所以靈活性稍差。這里采用了第二種方法，但是根據實(shí)際情況適當地進(jìn)行了簡(jiǎn)化。具體的程序流程圖如圖5 所示。主要包括：AT91X40 系列控制芯片的初始化設置，ADS7843 的初始化設置，SED1335 的初始化設置，圖形顯示，清屏功能。

圖5 程序流程圖

5 結束語(yǔ)

　　基于A(yíng)T91X40 系列的手持式觸摸屏，具有體積小巧，功能強大，操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。手持式觸摸屏的顯示和輸入設備，采用了現在流行的觸摸屏。觸摸屏技術(shù)發(fā)展速度快，前景廣闊，目前已經(jīng)得到廣泛應用，具有極大的研究?jì)r(jià)值。這個(gè)系統中，選用了ADS7843 和SED1335 兩種主流觸摸和LCD 顯示芯片。整個(gè)硬件的選擇突出了主流性、先進(jìn)性，保證研究成果擁有一定實(shí)際價(jià)值。