TrueTouch電容觸摸屏方案的通訊接口的設計

電容式觸摸屏是在玻璃表面貼上一層透明的特殊金屬導電物質(zhì)。當手指觸摸在金屬層上時(shí)，觸點(diǎn)的電容就會(huì )發(fā)生變化，使得與之相連的振蕩器頻率發(fā)生變化，通過(guò)測量頻率變化可以確定觸摸位置獲得信息。電容式觸摸屏在觸摸屏四邊均鍍上狹長(cháng)的電極，在導電體內形成一個(gè)低電壓交流電場(chǎng)。在觸摸屏幕時(shí)，由于人體電場(chǎng)，手指與導體層間會(huì )形成一個(gè)耦合電容，四邊電極發(fā)出的電流會(huì )流向觸點(diǎn)，而電流強弱與手指到電極的距離成正比，位于觸摸屏幕后的控制器便會(huì )計算電流的比例及強弱，準確算出觸摸點(diǎn)的位置。電容觸摸屏的雙玻璃不但能保護導體及感應器，更有效地防止外在環(huán)境因素對觸摸屏造成影響，就算屏幕沾有污穢、塵?；蛴蜐n，電容式觸摸屏依然能準確算出觸摸位置。由于電容隨溫度、濕度或接地情況的不同而變化，故其穩定性較差，往往會(huì )產(chǎn)生漂移現象。該種觸摸屏適用于系統開(kāi)發(fā)的調試階段。

　　一、 Cypress TrueTouch電容觸摸屏方案介紹

　　Cypress半導體公司生產(chǎn)高性能IC產(chǎn)品，用于數據傳輸、遠程通訊、PC和軍用系統。公司1982年成立，是一家國際化大公司。目前約有人員3000人，已經(jīng)在全球建立了銷(xiāo)售網(wǎng)絡(luò )。公司總部設在美國加州San Jose.賽普拉斯（Cypress）為消費類(lèi)電子、計算、數據通信、汽車(chē)、工業(yè)和太陽(yáng)能等系統核心部分提供高性能的解決方案。賽普拉斯致力于客戶(hù)服務(wù)，充分利用基于產(chǎn)品性能的工藝以及制造技術(shù)專(zhuān)長(cháng)，使其產(chǎn)品系列擴展到有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)USB器件、CMOS圖像傳感器、計時(shí)技術(shù)解決方案、網(wǎng)絡(luò )搜索引擎、專(zhuān)業(yè)存儲器、高帶寬同步和微功耗存儲器產(chǎn)品、光學(xué)解決方案以及可再配置的混合信號陣列等。

　　Cypress PSoC 技術(shù)將可編程模擬 / 數字資源集成在單顆芯片上，為感應電容式觸摸屏提供了TrueTouch？解決方案，它涵蓋了從單點(diǎn)觸摸、多點(diǎn)觸摸識別手勢到多點(diǎn)觸摸識別位置的全部領(lǐng)域。配合高效靈活的PSoC Designer 5.0 開(kāi)發(fā)環(huán)境，Cypress TrueTouch？方案正在業(yè)界獲得廣泛的應用。

　　PSoC系列單片機是在一個(gè)專(zhuān)有的MCU（Microprogrammed Control Unit）內核周?chē)闪丝膳渲玫哪M和數字外圍器件陣列PSoC塊，利用芯片內部的可編程互聯(lián)陣列，有效地配置芯片上的模擬和數字塊資源，達到可編程片上系統的目的。PSoC 是一種對于標準的“全數字式”微控制器設計、純粹的模擬設計以及介乎此二者之間的所有設計而言具有同等的高適用性的器件，是一種具有極端靈活且完全可編程的混合信號SOC 的基本原理的全新一代器件。

　　圖1是Cypress TrueTouch方案中經(jīng)常使用的軸坐標式感應單元矩陣的圖形，類(lèi)似于觸摸板，將獨立的ITO 感應單元串聯(lián)在一起可以組成Y 軸或X 軸的一個(gè)感應單元，行感應單元組成Y 軸，列感應單元組成X 軸，行和列在分開(kāi)的不同層上。多點(diǎn)觸摸識別位置方法是基于互電容的觸摸檢測方法（行單元上加驅動(dòng)激勵信號，列單元上進(jìn)行感應，有別于激勵和感應的是同一感應單元的自電容方式），可以應用于任何觸摸手勢的檢測，包括識別雙手的10 個(gè)手指同時(shí)觸摸的位置（圖2）。它通過(guò)互電容檢測的方式可以完全消除“鬼點(diǎn)”，當有多個(gè)觸摸點(diǎn)時(shí)，僅當某個(gè)觸摸點(diǎn)所在的行感應單元被驅動(dòng)，列感應單元被檢測時(shí)，才會(huì )有電容變化檢測值，這樣就可以檢測出多個(gè)行 / 列交*處觸摸點(diǎn)的絕對位置。

　　圖1 軸坐標式感應單元矩陣的圖形

　　圖2 Cypress TrueTouch 多點(diǎn)觸摸識別位置

　　方案同時(shí)顯示了5 個(gè)手指觸摸點(diǎn)的位置。

　　圖3顯示了Cypress TrueTouch方案的不同應用領(lǐng)域，包括觸摸按鍵，圖像的兩手指手勢操作，以及同時(shí)識別多點(diǎn)觸摸位置和控制多個(gè)目標。

　　圖3 Cypress TrueTouch 電容觸摸屏方案

　　二、Cypress TrueTouch電容觸摸屏的通訊接口

　　Cypress TrueTouch電容觸摸屏主要通過(guò)TX / I2C / SPI / USB 與主機實(shí)現物理通信，TrueTouch芯片可以直接報告一些基本手勢（如兩點(diǎn)觸摸的平移 / 縮放 / 旋轉），也可以提供專(zhuān)用的API 給用戶(hù)，用戶(hù)端獲得多點(diǎn)坐標后通過(guò)API 運算識別更多的或者自定義的手勢。API 使用標準C 語(yǔ)言編寫(xiě)，可以運行在51 / ARM 等多個(gè)平臺，這大大簡(jiǎn)化了用戶(hù)端軟件開(kāi)發(fā)的工作量。

　　通信接口（communication interface ）是指中央處理器和標準通信子系統之間的接口。 如：RS232接口。RS232接口就是串口，電腦機箱后方的9芯插座，旁邊一般有 “|O|O|” 樣標識。計算機與計算機或計算機與終端之間的數據傳送可以采用串行通訊和并行通訊二種方式。由于串行通訊方式具有使用線(xiàn)路少、成本低，特別是在遠程傳輸時(shí)，避免了多條線(xiàn)路特性的不一致而被廣泛采用。 在串行通訊時(shí)，要求通訊雙方都采用一個(gè)標準接口，使不同 的設備可以方便地連接起來(lái)進(jìn)行通訊。

　　1. TX 通信接口

　　Cypress Designer 5.0 提供了TX8SW用戶(hù)模塊，可以實(shí)現7 / 8位RS-232格式的軟件串行接口，支持115200，57600，38400，19200，9600，4800，2400，and 1200 bps的傳輸速度。用戶(hù)可以在代碼中設定相應的I/O口，波特率，極性和停止位數。TX8SW接口不占用PSoC的數字 / 模擬模塊資源，提供了從PSoC到主機的單向通信連接。

　　2. I2C 通信接口

　　Cypress Designer 5.0 提供了多個(gè)I2C通信的用戶(hù)模塊，包括I2CHW（允許多主機通信，可以設定為主機或從機，支持7位/10位尋址模式），EzI2Cs（工作為從機模式，占用ROM/RAM資源最少），I2Cm（工作為主機模式）和I2Cs（工作為從機模式）。這幾種I2C模塊都與Philips的工業(yè)標準I2C總線(xiàn)接口兼容，而且不占用PSoC的數字 / 模擬模塊資源，提供了從PSoC到主機的100 kbps / 400 kbps速率雙向通信連接。

　　PSoC 與主機I2C 通信時(shí)，通常是對所有的行 / 列感應單元觸摸檢測完成后，通過(guò)一個(gè)GPIO 報告中斷給主機，主機響應中斷并讀出所需的數據。以下方法可以確保主機讀出數據的完整性：

　　While（1） ｛

　　TSX_ScanAllSensors（）; // TSX 是Cypress 互電容檢測方式用戶(hù)模塊

　　TSX_UpdateAllBaselines（）; // 更新感應單元Baseline

　　TSX_GetCentroids（）; // 獲得多點(diǎn)的位置

　　TSX_ReportINTwithOvertime（）; // 向主機報告中斷，有超時(shí)控制

　　// 檢測EzI2Cs 用戶(hù)模塊的RAM 讀/寫(xiě)計數器，等待直到主機讀出全部數據

　　while （EzI2Cs_bRAM_RWcntr ！= sizeof（I2Cregs）） ｛｝;

　　…; // 運行其它用戶(hù)代碼

　?。?/p>

　　主機對I2C Structure 特定字節寫(xiě)入預定義數據后，可以通知PSoC 進(jìn)入待機模式（定期工作模式 + 定期休眠模式）或 完全休眠模式。PSoC 在待機模式下主機可以進(jìn)入休眠，PSoC 通過(guò)Sleep Timer 定期喚醒自己進(jìn)入定期工作模式，檢測部分感應單元（如僅掃描行單元）來(lái)獲知是否有用戶(hù)激活事件。如果有激活事件就通過(guò)中斷喚醒主機并進(jìn)入PSoC工作模式；沒(méi)有就再次休眠并定期喚醒自己以降低功耗，實(shí)際的電流功耗是工作模式和休眠模式以時(shí)間加權的平均值，例如：一秒內喚醒PSoC 4 次進(jìn)入工作模式檢測，每次檢測16ms@3.2mA，其它時(shí)間進(jìn)入休眠模式@3uA，實(shí)際的電流功耗 = （16ms ＊ 4 ＊ 3.2mA + （1000ms – 16ms ＊ 4） ＊ 3uA ） / 1000ms ～= 0.208 mA。

　　PSoC Sleep mode 下將關(guān)閉Analog / Digital UM，使所有GPIO 不形成電流通路，使能I2C 通信引腳的外部中斷喚醒，然后進(jìn)入Sleep mode，主機隨后可以調用一次I2C 讀或寫(xiě)事件來(lái)喚醒PSoC。

　　隨著(zhù)手機、PDA等便攜式電子產(chǎn)品的普及，人們需要更小的產(chǎn)品尺寸和更大的LCD顯示屏。受到整機重量和機械設計的限制，人機輸入接口開(kāi)始由傳統的機械按鍵向電阻式觸摸屏過(guò)渡。2007年iPhone面世并取得了巨大成功，它采用的電容式觸摸屏提供了更高的透光性和新穎的多點(diǎn)觸摸功能，開(kāi)始成為便攜式產(chǎn)品的新熱點(diǎn)，主機隨后可以調用一次I2C 讀或寫(xiě)事件來(lái)喚醒PSoC。

　　3. SPI 通信接口

　　SPI，是英語(yǔ)Serial Peripheral interface的縮寫(xiě)，顧名思義就是串行外圍設備接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。SPI接口主要應用在 EEPROM，FLASH，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，AD轉換器，還有數字信號處理器和數字信號解碼器之間。SPI，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線(xiàn)，并且在芯片的管腳上只占用四根線(xiàn)，節約了芯片的管腳，同時(shí)為PCB的布局上節省空間，提供方便，正是出于這種簡(jiǎn)單易用的特性。

　　Cypress Designer 5.0 提供了SPIM（設定為主機模式），和SPIS（設定為從機模式） UM。它們使用Tx Buffer / Rx Buffer，Control / Shift寄存器和Digital通信模塊，實(shí)現了8bit全雙工同步通訊。用戶(hù)可以選擇SCLK（由SPI主機產(chǎn)生來(lái)設定通信bps）頻率和極性，LSB First等屬性以支持SPI mode 0，1，2和3（見(jiàn)表1）。

　　表1 SPI 模式選擇

　　4. USB 通信接口

　　Cypress Designer 5.0 提供了USBUART（使用USB接口來(lái)模擬一個(gè)COM口），和USBFS UM。

　　USBUART使用時(shí)在PSoC端和PC端就像使用串行口一樣方便，用戶(hù)在設定VendorID /ProductID / VendorString / ProductString / SerialNumberType /SerialNumberString / DevicePower / MaxPower這些參數后，編譯項目就可以自動(dòng)生成INF文件。當PSoC與PC連接后，PC安裝這個(gè)INF文件，雙方就可以進(jìn)行雙向通信。

　　USBFS支持Control / Interrupt / Bulk / Isochronous 傳輸，提供了USB IN / OUT控制節點(diǎn)的底層驅動(dòng)模式，解釋來(lái)自USB Host的請求并分配給相應的函數。通過(guò)USBFS Setup Wizard可以很方便的配置器件描述符，用戶(hù)還可以將USB配置成HID（Human Interface Devices）器件或通用USB器件。

　　USBUART和USBFS接口都不占用PSoC的數字 / 模擬模塊資源，提供了從PSoC到主機的USBFull Speed雙向連接。

　　三、Cypress TrueTouch 電容觸摸屏不同通訊接口的選擇

　　選用Cypress TrueTouch 觸摸屏解決方案時(shí)，可以根據具體應用的需要靈活選擇通訊接口（見(jiàn)表2）。

　　表2

　　電容式觸摸屏的優(yōu)點(diǎn)正在被廣泛認可，其增強的耐用性、優(yōu)雅的人機界面帶給消費者全新的操作體驗。隨著(zhù)電容式觸摸屏市場(chǎng)的逐漸擴大，靈活的通訊接口選擇將有助于Cypress TrueTouch 電容觸摸屏方案更好的為用戶(hù)服務(wù)。