電阻式觸摸屏組成結構和觸摸屏原理
中心議題:
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/187125.htm很多LCD模塊都采用了電阻式觸摸屏,這些觸摸屏等效于將物理位置轉換為代表X、Y坐標的電壓值的傳感器。通常有4線(xiàn)、5線(xiàn)、7線(xiàn)和8線(xiàn)觸摸屏來(lái)實(shí)現,本文詳細介紹了SAR結構、四種觸摸屏的組成結構和實(shí)現原理,以及檢測觸摸的方法。
電阻式觸摸屏是一種傳感器,它將矩形區域中觸摸點(diǎn)(X,Y)的物理位置轉換為代表X坐標和Y坐標的電壓。很多LCD模塊都采用了電阻式觸摸屏,這種屏幕可以用四線(xiàn)、五線(xiàn)、七線(xiàn)或八線(xiàn)來(lái)產(chǎn)生屏幕偏置電壓,同時(shí)讀回觸摸點(diǎn)的電壓。
過(guò)去,為了將電阻式觸摸屏上的觸摸點(diǎn)坐標讀入微控制器,需要使用一個(gè)專(zhuān)用的觸摸屏控制器芯片,或者利用一個(gè)復雜的外部開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )來(lái)連接微控制器的片上模數轉換器(ADC)。夏普公司的LH75400/01/10/11系列和LH7A404等微控制器都帶有一個(gè)內含觸摸屏偏置電路的片上ADC,該ADC采用了一種逐次逼近寄存器(SAR)類(lèi)型的轉換器。采用這些控制器可以實(shí)現在觸摸屏傳感器和微控制器之間進(jìn)行直接接口,無(wú)需CPU介入的情況下控制所有的觸摸屏偏置電壓,并記錄全部測量結果。本文將詳細介紹四線(xiàn)、五線(xiàn)、七線(xiàn)和八線(xiàn)觸摸屏的結構和實(shí)現原理。
SAR結構
SAR的實(shí)現方法很多,但它的基本結構很簡(jiǎn)單,參見(jiàn)圖1。
圖1 SAR的基本結構
該結構將模擬輸入電壓(VIN)保存在一個(gè)跟蹤/保持器中,N位寄存器被設置為中間值(即100.。.0,其中最高位被設置為1),以執行二進(jìn)制查找算法。因此,數模轉換器(DAC)的輸出(VDAC)為VREF的二分之一,這里VREF為ADC的參考電壓。之后,再執行一個(gè)比較操作,以決定VIN小于還是大于VDAC:
1. 如果VIN小于VDAC,比較器輸出邏輯低,N位寄存器的最高位清0。
2. 如果VIN大于VDAC,比較器輸出邏輯高(或1),N位寄存器的最高位保持為1。
其后,SAR的控制邏輯移動(dòng)到下一位,將該位強制置為高,再執行下一次比較。SAR控制邏輯將重復上述順序操作,直到最后一位。當轉換完成時(shí),寄存器中就得到了一個(gè)N位數據字。
圖2顯示了一個(gè)4位轉換過(guò)程的例子,圖中Y軸和粗線(xiàn)表示DAC的輸出電壓。
圖2 4位轉換過(guò)程
在本例中:
1. 第一次比較顯示VIN小于VDAC,因此位[3]被置0。隨后DAC被設置為0b0100并執行第二次比較。
2. 在第二次比較中,VIN大于VDAC,因此位[2]保持為1。隨后,DAC被設置為0b0110并執行第三次比較。
3. 在第三次比較中,位[1]被置0。DAC隨后被設置為0b0101,并執行最后一次比較。
4. 在最后一次比較中,由于VIN大于VDAC,位[0]保持為1。
觸摸屏原理
觸摸屏包含上下疊合的兩個(gè)透明層,四線(xiàn)和八線(xiàn)觸摸屏由兩層具有相同表面電阻的透明阻性材料組成,五線(xiàn)和七線(xiàn)觸摸屏由一個(gè)阻性層和一個(gè)導電層組成,通常還要用一種彈性材料來(lái)將兩層隔開(kāi)。當觸摸屏表面受到的壓力(如通過(guò)筆尖或手指進(jìn)行按壓)足夠大時(shí),頂層與底層之間會(huì )產(chǎn)生接觸。所有的電阻式觸摸屏都采用分壓器原理來(lái)產(chǎn)生代表X坐標和Y坐標的電壓。如圖3所示,分壓器是通過(guò)將兩個(gè)電阻進(jìn)行串聯(lián)來(lái)實(shí)現的。上面的電阻(R1)連接正參考電壓(VREF),下面的電阻(R2)接地。兩個(gè)電阻連接點(diǎn)處的電壓測量值與下面那個(gè)電阻的阻值成正比。
圖3 分壓器通過(guò)兩個(gè)電阻進(jìn)行串聯(lián)實(shí)現
為了在電阻式觸摸屏上的特定方向測量一個(gè)坐標,需要對一個(gè)阻性層進(jìn)行偏置:將它的一邊接VREF,另一邊接地。同時(shí),將未偏置的那一層連接到一個(gè)ADC的高阻抗輸入端。當觸摸屏上的壓力足夠大,使兩層之間發(fā)生接觸時(shí),電阻性表面被分隔為兩個(gè)電阻。它們的阻值與觸摸點(diǎn)到偏置邊緣的距離成正比。觸摸點(diǎn)與接地邊之間的電阻相當于分壓器中下面的那個(gè)電阻。因此,在未偏置層上測得的電壓與觸摸點(diǎn)到接地邊之間的距離成正比。
四線(xiàn)觸摸屏
四線(xiàn)觸摸屏包含兩個(gè)阻性層。其中一層在屏幕的左右邊緣各有一條垂直總線(xiàn),另一層在屏幕的底部和頂部各有一條水平總線(xiàn),見(jiàn)圖4。為了在X軸方向進(jìn)行測量,將左側總線(xiàn)偏置為0V,右側總線(xiàn)偏置為VREF。將頂部或底部總線(xiàn)連接到ADC,當頂層和底層相接觸時(shí)即可作一次測量。
圖4 四線(xiàn)觸摸屏的兩個(gè)阻性層
為了在Y軸方向進(jìn)行測量,將頂部總線(xiàn)偏置為VREF,底部總線(xiàn)偏置為0V。將ADC輸入端接左側總線(xiàn)或右側總線(xiàn),當頂層與底層相接觸時(shí)即可對電壓進(jìn)行測量。圖5顯示了四線(xiàn)觸摸屏在兩層相接觸時(shí)的簡(jiǎn)化模型。對于四線(xiàn)觸摸屏,最理想的連接方法是將偏置為VREF的總線(xiàn)接ADC的正參考輸入端,并將設置為0V的總線(xiàn)接ADC的負參考輸入端。
五線(xiàn)觸摸屏
五線(xiàn)觸摸屏使用了一個(gè)阻性層和一個(gè)導電層。導電層有一個(gè)觸點(diǎn),通常在其一側的邊緣。阻性層的四個(gè)角上各有一個(gè)觸點(diǎn)。為了在X軸方向進(jìn)行測量,將左上角和左下角偏置到VREF,右上角和右下角接地。由于左、右角為同一電壓,其效果與連接左右側的總線(xiàn)差不多,類(lèi)似于四線(xiàn)觸摸屏中采用的方法。
為了沿Y軸方向進(jìn)行測量,將左上角和右上角偏置為VREF,左下角和右下角偏置為0V。由于上、下角分別為同一電壓,其效果與連接頂部和底部邊緣的總線(xiàn)大致相同,類(lèi)似于在四線(xiàn)觸摸屏中采用的方法。這種測量算法的優(yōu)點(diǎn)在于它使左上角和右下角的電壓保持不變;但如果采用柵格坐標,X軸和Y軸需要反向。對于五線(xiàn)觸摸屏,最佳的連接方法是將左上角(偏置為VREF)接ADC的正參考輸入端,將左下角(偏置為0V)接ADC的負參考輸入端。
七線(xiàn)觸摸屏
七線(xiàn)觸摸屏的實(shí)現方法除了在左上角和右下角各增加一根線(xiàn)之外,與五線(xiàn)觸摸屏相同。執行屏幕測量時(shí),將左上角的一根線(xiàn)連到VREF,另一根線(xiàn)接SAR ADC的正參考端。同時(shí),右下角的一根線(xiàn)接0V,另一根線(xiàn)連接SAR ADC的負參考端。導電層仍用來(lái)測量分壓器的電壓。
八線(xiàn)觸摸屏
除了在每條總線(xiàn)上各增加一根線(xiàn)之外,八線(xiàn)觸摸屏的實(shí)現方法與四線(xiàn)觸摸屏相同。對于VREF總線(xiàn),將一根線(xiàn)用來(lái)連接VREF,另一根線(xiàn)作為SAR ADC的數模轉換器的正參考輸入。對于0V總線(xiàn),將一根線(xiàn)用來(lái)連接0V,另一根線(xiàn)作為SAR ADC的數模轉換器的負參考輸入。未偏置層上的四根線(xiàn)中,任何一根都可用來(lái)測量分壓器的電壓。
檢測有無(wú)接觸
所有的觸摸屏都能檢測到是否有觸摸發(fā)生,其方法是用一個(gè)弱上拉電阻將其中一層上拉,而用一個(gè)強下拉電阻來(lái)將另一層下拉。如果上拉層的測量電壓大于某個(gè)邏輯閾值,就表明沒(méi)有觸摸,反之則有觸摸。這種方法存在的問(wèn)題在于觸摸屏是一個(gè)巨大的電容器,此外還可能需要增加觸摸屏引線(xiàn)的電容,以便濾除LCD引入的噪聲。弱上拉電阻與大電容器相連會(huì )使上升時(shí)間變長(cháng),可能導致檢測到虛假的觸摸。
四線(xiàn)和八線(xiàn)觸摸屏可以測量出接觸電阻,即圖5中的RTOUCH。RTOUCH與觸摸壓力近似成正比。要測量觸摸壓力,需要知道觸摸屏中一層或兩層的電阻。圖6中的公式給出了計算方法。需要注意的是,如果Z1的測量值接近或等于0(在測量過(guò)程中當觸摸點(diǎn)靠近接地的X總線(xiàn)時(shí)),計算將出現一些問(wèn)題,通過(guò)采用弱上拉方法可以有效改善這個(gè)問(wèn)題。
圖5 RTOUCH
圖6 觸摸屏電阻計算方法
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