58.5 電阻式觸摸控制器——XPT2046

為了方便測量觸摸屏的坐標(biāo)，芯片廠商設(shè)計(jì)了專門的觸摸屏控制芯片，實(shí)現(xiàn)觸摸點(diǎn)電壓測量與轉(zhuǎn)換功能。本文采用的XPT2046是一款4導(dǎo)線制觸摸屏控制器，內(nèi)含12位分辨率

125KHz 轉(zhuǎn)換速率逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。XPT2046通過執(zhí)行兩次A/D轉(zhuǎn)換便可以計(jì)算出觸摸點(diǎn)位置，該芯片兼容 ADS7843 觸摸芯片，其電路原理圖和引腳圖如圖8-6和表8-1、表8-2所示。

XPT2046的電源VCC的范圍為2.7V～5.5V。A/D轉(zhuǎn)換所需的參考電壓可以選擇通過VREF輸入，范圍是1V～VCC；也可以采用內(nèi)部內(nèi)部 2.5V參考電壓，采用內(nèi)部參考電壓時VREF引腳應(yīng)懸空。XPT2046除了作為觸摸驅(qū)動芯片，還可以進(jìn)行電池電壓檢測、溫度測量，以及壓力測量。作為觸摸屏應(yīng)用時，X+、X-、Y+、Y-分別連接電阻觸摸屏的X+、X-、Y+、Y-引腳，測量時芯片會根據(jù)指令自動切換X、Y電極的電壓，并采集觸摸點(diǎn)的電壓進(jìn)行快速A/D轉(zhuǎn)換。

XPT2046的ADC可以配置為單端或差分模式，具體如下：

單端模式是以外部參考電壓VREF為參考，在采樣過程完成后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時可以關(guān)閉驅(qū)動開關(guān)，以降低功耗。但這種模式的缺點(diǎn)是精度直接受參考電壓源的精度限制，同時由于內(nèi)部驅(qū)動開關(guān)存在導(dǎo)通電阻，導(dǎo)通電阻與觸摸屏電阻的分壓作用，也會帶來測量誤差。因此該模式主要應(yīng)用于電池監(jiān)測、溫度測量和壓力測量。

差分工作模式是以X、Y電極兩端的電壓作為差分輸入電壓，可消除由于驅(qū)動開關(guān)的導(dǎo)通電阻引入的坐標(biāo)測量誤差。缺點(diǎn)是驅(qū)動開關(guān)一直接通，相對于單端輸入模式而言，功耗變高了。作為觸摸屏應(yīng)用時，為了提高轉(zhuǎn)換精度，應(yīng)該配置為差分模式。

68.6 XPT2046通信接口及控制命令

XPT2046允許采用SPI，SSI，Microwire等串行接口通信，本文采用IO口模擬SPI方式通信。XPT2046一次完整的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換一般需要24個時鐘周期，即通信時單片機(jī)必須提供24個時鐘周期才能保證XPT2046完成一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)按照高位在前、低位在后的順序傳輸，當(dāng)CS為低電平時，數(shù)據(jù)在CLK的上升沿鎖存，下降沿輸出（即CPOL=0，CPHA=1的模式）通信時序如8-7所示。

圖8-7 XPT2046 24時鐘周期轉(zhuǎn)換時序圖

結(jié)合時序圖，操作步驟如下：

1、發(fā)送控制字命令。前8個時鐘周期單片機(jī)通過DIN（MOSI）引腳發(fā)送控制字命令，用于配置XPT2046的工作模式。控制命令由8個數(shù)據(jù)位組成，包括起始位、通道選擇位、分辨率選擇位、輸入方式和低功率模式，控制命令如表8-3所示。

（1）起始位——第一位，即 S 位。控制字的起始位必須為 1，否則所有的輸入將被忽略。

（2）通道選擇位——A2、A1、A0用于選擇對哪一個通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。差分模式下：當(dāng)A2=0，A1=0，A0=1時表示選擇X+通道，即測量Y軸坐標(biāo)；當(dāng)A2=1，A1=0，A0=1時表示選擇Y+通道，即測量X軸坐標(biāo)。測量坐標(biāo)時，要分別測量X+和Y+通道。

（3）MODE——模式選擇位，用于設(shè)置 ADC 的分辨率。為0表示下一次的轉(zhuǎn)換為 12 位模式；為1表示下一次的轉(zhuǎn)換將是 8 位模式，默認(rèn)設(shè)置選擇12位模式。

（4）SER/DFR——輸入模式選擇位，單端輸入方式/差分輸入方式選擇位。為1是單端輸入方式，為0是差分輸入方式，觸摸測量時默認(rèn)選擇差分模式，即設(shè)置該位為0。

（5）PD1和PD0——模式選擇位，其功能如表8-4所示。若為11，器件總處于全功耗模式；若為00，器件在A/D轉(zhuǎn)換之間處于低功率模式。同時PD0位還控制是否產(chǎn)生PENIRQ中斷,如果使能PENIRQ中斷，當(dāng)有觸摸動作時，PENIRQ引腳會輸出0，否則輸出1，通過PENIRQ引腳可以判斷是否有觸摸動作，本教材默認(rèn)設(shè)置PD1、PD0為00。

2、電壓采樣。當(dāng)XPT2046接收到5個控制命令位時，即在接收到MODE位后，XPT2046內(nèi)部就可以根據(jù)控制位信息設(shè)置輸入多路選擇器和參考源輸入，并啟動觸摸面板驅(qū)動器，開始進(jìn)入采樣模式，該動作與SPI串行通信是同步的，并不影響剩余控制位的傳輸，如圖8-7種的時序圖所示；3個多時鐘周期后，控制字接收完成，于此同時采樣完畢，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入轉(zhuǎn)換狀態(tài)，此時XPT2046會將BUSY引腳置高，表示數(shù)據(jù)正在轉(zhuǎn)換。

3、轉(zhuǎn)換結(jié)束后需要提供16個時鐘信號，其中第1個時鐘信號用于清除BUSY位，然后再發(fā)送12個時鐘周期將輸出轉(zhuǎn)換后的12位有效數(shù)據(jù)。最后3個時鐘信號用于輸出剩余3個無效數(shù)據(jù)，默認(rèn)為0。

4、注意當(dāng)次讀取的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，是上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果，而當(dāng)次的時鐘提供的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，下一次讀取，因此第一次讀取的數(shù)據(jù)是無效數(shù)據(jù)。

78.7 觸摸屏校準(zhǔn)

計(jì)算觸摸點(diǎn)位置時需要引入兩個概念——物理坐標(biāo)和邏輯坐標(biāo)。物理坐標(biāo)就是觸摸點(diǎn)在液晶屏上的實(shí)際位置，通常以液晶上像素的個數(shù)來度量。本文采用的TFT-LCD的X和Y軸坐標(biāo)范圍分別為0239和0319。邏輯坐標(biāo)指的是觸摸點(diǎn)的電壓值經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換后得到的坐標(biāo)值，由ADC精度決定，12位ADC模式下其范圍為0~4095。實(shí)際使用時需要通過邏輯坐標(biāo)計(jì)算相應(yīng)的實(shí)際物理坐標(biāo)。

觸摸屏是由液晶顯示屏（TFT-LCD）疊加一層觸摸層構(gòu)成一個矩形的實(shí)際物理平面。一方面由于存在誤差，這兩個平面并不是完全重合；另一方面由于 A/D轉(zhuǎn)換器的前端電路具有高輸入阻抗，因此特別容易受到電氣噪聲的干擾；觸摸屏本身電阻材料的均勻性以及模擬電子開關(guān)的內(nèi)阻和 A/D轉(zhuǎn)換器自身的轉(zhuǎn)換精度都會影響轉(zhuǎn)換后的邏輯坐標(biāo)值。基于以上兩方面原因?qū)е聦?shí)際的物理坐標(biāo)與軟件通過邏輯坐標(biāo)所計(jì)算的物理坐標(biāo)有所偏差。校準(zhǔn)的作用就是要將邏輯平面映射到物理平面上，即得到觸點(diǎn)在液晶屏上的位置坐標(biāo)。

由于電阻式觸摸屏的電壓成線性均勻分布，那么A/D轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)值也成線性。首先假定物理平面和邏輯平面之間的誤差是線性誤差，如果已知觸摸屏上一點(diǎn)A，其物理坐標(biāo)為（X a ，Y a ），相應(yīng)的邏輯坐標(biāo)為（X b ，Y b ），根據(jù)假定的線性關(guān)系，可以得到：

Xa = K ~x ~ * X ~b ~ + D x ；

Ya = K ~y ~ * X ~b ~ + D y ;

其中Kx、Ky分別為觸摸屏X方向和Y方向的縮放比例系數(shù)，D x 、Dy為偏差常數(shù)，它們由校準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算而來。根據(jù)觸摸屏的Kx、Ky、D x 、D y ，就可以通過邏輯坐標(biāo)計(jì)算出相對準(zhǔn)確的物理坐標(biāo)。

觸摸屏的校準(zhǔn)方法大致有兩點(diǎn)校準(zhǔn)、三點(diǎn)校準(zhǔn)、四點(diǎn)校準(zhǔn)、五點(diǎn)校準(zhǔn)等。其中校準(zhǔn)的點(diǎn)數(shù)越多，觸摸屏的校準(zhǔn)相對越精確。本文采用五點(diǎn)校正法。五點(diǎn)校正法優(yōu)勢在于可以更加精確的計(jì)算出X和Y方向的比例縮放系數(shù)，同時提供了中心基準(zhǔn)點(diǎn)，對于一些線性電阻系數(shù)比較差的電阻式觸摸屏有很好的校正作用。

首先在液晶屏的4個角取4個固定物理坐標(biāo)作為測量點(diǎn)，并且在液晶屏中心位置取一個基準(zhǔn)點(diǎn)，然后依次顯示各個校準(zhǔn)點(diǎn)，并讀取該點(diǎn)的觸摸坐標(biāo)，最后計(jì)算Kx、Ky、D x 、D y ，校準(zhǔn)點(diǎn)如圖8-8所示。

8-8 五點(diǎn)校準(zhǔn)示意圖

校準(zhǔn)流程如下所示：

1、依次顯示并觸摸5個校準(zhǔn)點(diǎn)，并讀取觸摸坐標(biāo)；

2、根據(jù)坐標(biāo)計(jì)算S1、S2、S3、S4、S5、S6五條線段的長度，并比較S1和S2，S3和 S4，S5和S6的距離，當(dāng)二者的距離小于一定范圍時，默認(rèn)校準(zhǔn)有效，否則無效，重新 校準(zhǔn)。當(dāng)距離差越小時，校準(zhǔn)越準(zhǔn)確。

3、根據(jù)所得的校準(zhǔn)點(diǎn)的邏輯坐標(biāo)計(jì)算縮放比例系數(shù)K x 、K y ，和偏差D x 、Dy公式如下：

Kx = ((X2-X1)/ S1+(X4-X3)/ S2)/2

Ky = ((Y3-Y1)/ S3+(Y4-Y2)/ S4)/2

D ~x ~ = (S1- K x *(X1+X2))/2

D ~y ~ = (S1- Ky*(Y1+Y2))/2

4、通過K x 、K y 、D x 、Dy以及中心基點(diǎn)的邏輯坐標(biāo)計(jì)算相應(yīng)的物理坐標(biāo)，如果計(jì)算后的坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)誤差小于一定范圍，比如5個像素時認(rèn)為校準(zhǔn)成功，否則校準(zhǔn)失敗，需要重新校準(zhǔn)。

88.8 觸摸畫板實(shí)驗(yàn)

根據(jù)液晶屏的觸摸功能設(shè)計(jì)了一款簡易的觸摸畫板實(shí)驗(yàn)。觸摸畫板分為兩部分，功能區(qū)和繪畫區(qū)，功能區(qū)用來選擇畫筆顏色和清除畫板，然后通過觸摸筆在繪畫區(qū)繪制圖案。

首先將觸摸事件分為按下、滑動、抬起三種事件，不同事件對應(yīng)不同的動作。當(dāng)滑動事件觸發(fā)時，如果觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)位于繪畫區(qū)，則在對應(yīng)位置通過畫點(diǎn)函數(shù)畫一個2*2的點(diǎn)。當(dāng)抬起動作觸發(fā)時，如果抬起時的坐標(biāo)是否位于功能區(qū)，則觸發(fā)相應(yīng)的功能。

具體代碼如下：