激光治療儀中的觸摸屏接口的軟硬件設計

　　隨著(zhù)社會(huì )自動(dòng)化程度的提高，人機交互能力急需大的轉變，向著(zhù)更方便使用、更直觀(guān)的方向發(fā)展。激光治療機主要應用激光的物理特性作用于人體，產(chǎn)生機體化學(xué)反應從而達到治療疾病的目的。激光治療機作為一種精密儀器需要精確的控制及防塵、防靜電、防潮等方面的嚴格要求。激光治療機輸入設備采用觸摸屏控制，既是基于以上要求也是從方便使用者操作和界面直觀(guān)的角度考慮的。觸摸屏的應用使得數據的顯示和數據的輸入結合為一體，簡(jiǎn)化了整個(gè)設備。

　　1 觸摸屏原理

　　觸摸屏附著(zhù)在顯示器的表面，與顯示器配合使用。通過(guò)觸摸產(chǎn)生模擬電信號，經(jīng)過(guò)轉換為數字信號由微處理器計算得出觸摸點(diǎn)的坐標，從而得到操作者的意圖并執行。觸摸屏按其技術(shù)原理可分為五類(lèi)：矢量壓力傳感式、電阻式、電容式、紅外線(xiàn)式和表面聲波式，其中電阻式觸摸屏在實(shí)際應用中用的較多。電阻式觸摸屏由4層的透明薄構成，最下面是玻璃或有機玻璃構成的基層，最上面是一層外表面經(jīng)過(guò)硬化處理從而光滑防刮的塑料層，附著(zhù)在上下兩層內表面的兩層為金屬導電層（OTI，氧化銦），這兩層由細小的透明隔離點(diǎn)進(jìn)行絕緣。當手指觸摸屏幕時(shí)，兩導電層在觸摸點(diǎn)處接觸。

　　觸摸屏的兩個(gè)金屬導電層分別用來(lái)測量X軸和Y軸方向的坐標。用于X坐標測量的導電層從左右兩端引出兩個(gè)電極，記為X+和X-。用于Y坐標測量的導電層從上下兩端引出兩個(gè)電極，記為Y+和Y-。這就是四線(xiàn)電阻觸摸屏的引線(xiàn)構成。當在一對電極上施加電壓時(shí)，在該導電層上就會(huì )形成均勻連續的電壓分布。若在X方向的電極對上施加一確定的電壓，而Y方向電極對上不加電壓時(shí)，在X平行電壓場(chǎng)中，觸點(diǎn)處的電壓值可以在Y+(或Y-)電極上反映出來(lái)，通過(guò)測量Y+電極對地的電壓大小，便可得知觸點(diǎn)的X坐標值。同理，當在Y電極對上加電壓，而X電極對上不加電壓時(shí)，通過(guò)測量X+電極的電壓，便可得知觸點(diǎn)的Y坐標。測量原理如圖1所示。

　　圖1 四線(xiàn)式觸摸屏測量原理

　　五線(xiàn)式觸摸屏與四線(xiàn)式不同。主要區別在于五線(xiàn)觸摸屏將其中一導電層的四端均引出來(lái)作為四個(gè)電極，另一導電層僅僅作為測量的導體輸出X向和Y向的電壓，測量時(shí)要交替在X向和Y向上施加電壓。

　　2 觸摸屏控制器工作原理

　　觸摸屏控制器有多種，主要的功能均是在微處理器的控制下向觸摸屏的兩個(gè)方向分時(shí)施加電壓，并將相應的電壓信號傳送給自身A/D轉換器，在微處理器SPI口提供的同步時(shí)鐘作用下將數字信號讀入微處理器?？刂破鰽DS7846基本結構如圖2所示。

　　圖2 ADS7846基本結構

　　圖1觸摸點(diǎn)P處測量結果計算如下：

　　ADS7846內部可以通過(guò)寄存器的設置將A/D轉換器的分辨率設為8位或12位，在本系統中A/D轉換器的分辨率取12位。則P點(diǎn)的二進(jìn)制輸出代碼為：

　　其中： 為加在A(yíng)DS7846內部A/D轉換器上的參考電壓。

　　觸摸屏控制器的運行是通過(guò)串行數據輸入口DIN輸入控制命令進(jìn)行控制的?？刂泼畹幕靖袷饺缦拢?/P>

　　bit7指明發(fā)送命令開(kāi)始，高電平有效。A2:A0用于選擇數據輸入通道，101選擇X坐標測量，001選擇Y坐標測量。MODE將內部模數轉換器的分辨率定義為8位（MODE=1）或12位（MODE=0）。SER/DFR為單端/雙端參考電壓選擇位。PD1:PD0根據省電模式的需要進(jìn)行選擇設置。這些命令控制位的設置將在程序代碼部分得以應用。

　　3 系統硬件設計

　　激光治療機的輸入系統由三部分組成：觸摸屏、觸摸屏控制器和微控制器。微控制器采用Microchip公司的新型芯片PIC16F876。內部總線(xiàn)采用哈佛雙總線(xiàn)結構。在內部頻率相同的情況下，加快了數據的傳輸速度，避免了瓶頸現象。此芯片采用精簡(jiǎn)指令集（RISC）易于使用，加快了開(kāi)發(fā)速度。內部含有8KB程序存儲器（分頁(yè)操作），256字節EEPROM，368字節RAM，8路模數轉換器，1個(gè)通用串行口（SCI），1個(gè)I2C接口，1個(gè)串行外圍接口（SPI），3個(gè)定時(shí)器及看門(mén)狗電路（WathcDog）等許多重要資源。外圍許多接口功能上的復用使得整個(gè)微控制器簡(jiǎn)潔，功能強大。

　　根據ADS7846與微控制器進(jìn)行數據交換的接口特征，選用PIC16F876的SPI口。SPI口包括三個(gè)信號：SDO（串行數據輸出），SDI（串行數據輸入），SCK（串行同步時(shí)鐘）。硬件連接關(guān)系見(jiàn)圖3。

　　圖3 輸入系統硬件接口簡(jiǎn)圖

　　本文側重于激光治療儀輸入系統的設計，其它硬件的設計僅給出接口的含義。由于PIC16F876的內部集成度較高，所以外圍接口相當簡(jiǎn)單，但是要完成復雜的控制功能必須進(jìn)行內部寄存器的設置。

　　按照以上設計思想設計了應用軟件。圖4為主程序與觸摸屏輸入檢測部分的程序流程圖。其中，坐標數據處理通常采用查表的方法，將用戶(hù)命令的坐標形成數據表，利用獲得的坐標信息進(jìn)行變換快速查表，從而提高軟件的運行速度。

　　圖4 程序流程圖

　　下面是PIC16F876同ADS7846接口的部分程序代碼。

　　結語(yǔ)

　　本系統的設計使得輸入極其方便，而且外圍設備得到簡(jiǎn)化，在實(shí)際應用中提高了人機交互的能力，收到良好的社會(huì )效益。系統設計的思想不僅能夠應用在醫療行業(yè)，而且能夠應用在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化以及手持設備等各行業(yè)。

　　參考文獻

　　1 Burr-Brown Corporation. ADS7846 TOUCH-SCREEN CONTROLLER. 1999

　　2 Microchip Technology Inc. PIC16F87X Data Sheet.2001

　　3 俞光昀, 王綺紅, 吳一鋒. PIC系列單片機開(kāi)發(fā)應用技術(shù).北京: 電子工業(yè)出版社, 2000