電阻式觸摸屏組成結構和觸摸屏原理

中心議題：

• SAR結構
• 觸摸屏的組成結構和實(shí)現原理
• 檢測觸摸的方法

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