一种自适应电阻式触摸屏控制器的设计

摘要：提出一种电阻式触摸屏控制器的设计方案。针对电阻式触摸屏x，y向总电阻存在型号差异和个体差异的特点，为了避免传统测量方法中人工确定触模屏阻值参数的问题，提出一种x，y向总电阻的测量方法。该方法通过软硬件的配合，自动测量触摸屏x，y向总电阻，实现针对不同型号或个体触摸屏的自适应压力电阻计算。该方法适用于已封装好的电子产品，可避免产品组装前对触摸屏的测试工作，有效地节约产品的开发成本和生产时间。
关键词：电阻式触模屏；自适应；电阻测量；压力电阻

0 引言
    触摸屏是电子产品中常用的一种输入设备，通常与液晶屏搭配使用，用来取代传统的键盘输入，广泛应用于电子产品与工业控制中。触摸屏通常附着在液晶显示屏表面，通过微处理器对触摸屏的控制，实现触摸屏对液晶屏图像界面的直接操作。电阻式触摸屏由于成本低，无专利技术的原因，是嵌入式设备应用最为广泛的一种触摸屏。本文提出一种电阻式触摸屏控制器的设计方法，为业界主流低端手机基带芯片MTK6223D提供触摸屏控制的功能扩展；同时针对电阻式触摸屏x，y方向总电阻测量的问题，提出一种自适应的触摸屏x，y向电阻测量方法，既提高压力电阻的计算精度，又可避免人工测量电阻式触摸屏的电阻参数，有效节约手机开发成本和生产时间。

1 电阻式触摸屏结构
    电阻式触摸屏根据引出信号线的数量，可以划分为4线、5线、6线、7线、8线等类型，其中以4线电阻式触摸屏最为常见，结构最为典型。本文讨论的电阻式触摸屏，均指四线结构电阻式触摸屏。
1．1 基本结构
    电阻式触摸屏在玻璃或丙烯酸基板上覆盖有两层透平、均匀导电的ITO层，分别作为X电极和Y电极，它们之间由均匀排列的透明格点分开绝缘。其中下层的ITO与玻璃基板附着，上层的ITO附着在PET薄膜上。X电极和Y电极的正负端由“导电条”分别从两端引出，且X电极和Y电极导电条的位置相互垂直。引出端X-，X+，Y-，Y+一共4条线，这也是4线电阻式触摸屏名称的由来。当有物体接触触摸屏表面并施以一定的压力时，上层的ITO导电层发生形变与下层ITO发生接触，进而2个导电层间在该位置的电压和电阻发生变化。控制器检测电压变化后，在x和y 2个方向上产生信号，读取触点位置在x，y方向上的电压值后，同该x，y方向上的参考电压进行比较，计算出触点的坐标。这是电阻式触摸屏的基本工作原理。
1．2 坐标的估算
    计算电阻式触摸屏触点的x，y坐标分为如下两步(见图1)：
    (1)计算y坐标，在Y+电极施加驱动电压Vref，Y-电极接地，X+作为引出端测量得到接触点的电压，由于ITO层均匀导电，触点电压与Vref电压之比等于触点y坐标与屏高度之比。
    (2)计算x坐标，在X+电极施加驱动电压Vref，X-电极接地，Y+作为引出端测量得到接触点的电压，由于ITO层均匀导电，触点电压与Vref电压之比等于触点x坐标与屏宽度之比。测得的电压通常由ADC转化为数字信号，再进行简单处理就可以作为坐标值，判断触点的实际位置。

2 触摸屏控制器的设计
    本文采用的触摸屏控制系统由基带芯片MFK6223D、触摸屏控制器和触摸屏3部分组成，如图2所示。MTK6223D是联发科技(MTK)的一款低端GPRS／GSM基带芯片，该芯片将ARM7控制模块、DSP模块、射频模块和电源管理等集成到一起，采用Nucleus Plus操作系统，是目前业界一款主流的低端手机基带芯片。但是MTK6223D没有提供对触摸屏的支持，为进一步强化手机的功能，MTK6223D需要搭配触摸屏控制器芯片，实现功能更为强大的手机设计。本文提出的触摸屏控制器主要实现对触摸屏信号的模／数转换，坐标值计算，压力电阻阻值计算和抬笔落笔中断判断4项功能，并通过AMBA总线向手机基带芯片上传数据。

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2．1 触摸屏控制器
    触摸屏控制器分为模拟信号处理和数字控制电路2个部分，如图3所示。模拟信号处理部分负责模／数转换、测量x，y方向坐标与量化等工作。数字控制电路负责控制测量流程和计算压力电阻阻值等功能，同时数字控制电路也要向基带芯片提供中断报告和总线访问机制。

2．1．1 模拟信号处理
    模拟信号处理如图4所示。

    模／数转换部分的主要工作是将触摸屏传来的模拟信号量化成数字信号，同时将向数字控制部分提供相应接口。SP5368触摸屏控制器使用逐次逼近模数信号转换器(SAR ADC)，将模拟信号转化为8位的数字信号，共有256个量化级别，基本满足分辨率在320×240以下触摸屏的测量精度。
    模拟信号的测量分为差分测量和单端测量两种模式，如图5所示。差分模式的测量精度较高，但是功耗较高。单端模式的功耗较小，但是测量精度较低，同时存在部分码值多余的现象。在实际应用场合，应视需求的不同，选择合适的测量方式。

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2．1．2 数字控制电路
    数字控制电路主要的功能有2项，一个是控制驱动电路，完成对触摸屏触点坐标和压力电阻的采集，另一个是计算触点压力值，向上位机(上层系统)提供抬笔和落笔两种类型的中断。其数字电路的示意图如图6所示。

2．2 压力电阻阻值的计算与分析
    触摸屏控制器除了向操作系统提供触点x，y方向坐标外，另一项功能是向系统报告抬笔中断和落笔中断。在电阻式触摸屏结构中，触摸屏的抬笔中断或落笔中断，是通过判断压力电阻阻值的变化产生的。
    压力值反映了触摸屏2层导电薄膜之间电阻值RTouch的变化，压力越大，RTouch就越小，压力越小，RTouch就越大。计算压力值，实际上就是计算触点位置的RTouch。通过对触点压力的计算，系统可以判断挤压动作是抬笔动作还是落笔动作。电阻式触摸屏压力计算的基本原理分三步，如图7所示。
    (1)X-接地，X+接电源，Y+接ADC得到触点的X坐标；
    (2)X-接地，Y+接电源，X+接ADC得到Z1点的位置Z1；
    (3)X-接地，Y+接电源，Y-接ADC得到Z2点的位置Z2。
    然后，结合xy方向的总电阻值就可以求出：
   
    计算出压力电阻RTouch后，需要同阈值电阻RTup，RTdown(RTdown<RTup)进行比较，如果RTouch小于RTdown，则认为触摸屏产生落笔动作，如果RTouch大于RTup，则认为产生抬笔动作。如果RTdown阈值设得太小，则需使用很大力量才能触发落笔动作，这样会让使用者产生写字费力的感觉，同时过度用力挤压触摸屏也会减少触摸屏寿命，破坏触摸屏物理结构；如果RTup设的过大，会在画线过程中产生频繁抬笔动作，则会让使用者产生写字不连续，无法划出连续直线的现象。
2．3 自适应的电阻测量方法
    由于市场上触摸屏品牌众多，各厂家的触摸屏参数存在差异，所以触摸屏x，y方向总电阻RREF会随着触摸屏型号的不同发生变动。对于同一型号触摸屏，由于制作工艺的问题，RREF也会出现上下浮动。在触摸屏的压力电阻计算中，RREF是一项主要的计算参数，因此在实际的电子产品开发中，针对不同触摸屏，测量并修正触摸屏x，y方向的总电阻RREF是一项十分重要的工作。但是在产品成型之前，如果对每一个触摸屏个体进行单独的RREF测量和记录是一项耗时并且浪费成本的工作。目前业界通用的做法是每种型号的触摸屏采用统一的参数，并不对每个触摸屏进行单独的测量。
    针对上述问题，为了更加精确地计算压力电阻，笔者提出了一种计算电阻式触摸屏RRE的方法。该方法只需要对已封装在产品中的触摸屏进行简单的点击测试，然后结合软件算法，即可计算出触摸屏的RREF。另外，由于该方法和触摸屏校正采用的点击方式非常相似，因此该测量过程可以和触摸屏校正同步完成。所以，该方法可以在没有消耗时间和成本的前提下，完成对触摸屏个体的RREF计算与修正，同时具备较好的测量精度。为便于讨论，下面仅讨论x方向RREF的测算，y方向同理。其基本步骤如下：
    (1)在差分模式下，点击触摸屏任意一条对角线方向的2个顶角A和B，获取触摸屏有效面积内x方向上电压量化值Xmin_d，Xmax_d(量化值为1～256的区间)。在差分模式下，触点电压量化值是触点处电阻同触摸屏总电阻的量化值比值，如图8所示可得到以下关系。
   
    (2)点击触摸屏任意一条对角线方向的2个顶角A和B，获取单端模式下触摸屏有效面积内x方向上电压极值的量化值Xmin_s、Xmax_s(量化值为1～256的区间)。不同于差分模式，单端模式引入了A／D转换电路中MOS场效应管开关。对于芯片厂商而言，MOS场效应管参数和其电压参数都是已知的。故在这种情况下，触点电压量化值是触点处电阻同触摸屏总电阻与MOS管电阻之和的比值。如图9所示可得到以下关系。
   

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    (3)由式(6)，式(7)可以得到NMOS场效应管RN与R3的关系，其中VDS是NMOS管的漏极电压。

    结合MOS场效应管的漏极电流公式，对于一个已知的数／模转换芯片，Vss，μN，Cox，W，L，VGS和Vth均为已知参数；联立式(9)、式(10)，可以推出通过MOS管的漏极电流为：
   
    又因为IR=VDD且，结合式(3)，(4)，进而最终求出x方向的总电阻Rref。
   

3 MTK驱动层
    MTK为其开发的系列基带芯片提供定制的嵌入式操作系统，该嵌入式操作系统是基于Nucleus Plus抢占式多任务系统内核扩展而成，并通过宏定义开关对不同型号的基带芯片提供支持。MTK定制软件平台的触摸屏驱动以任务(Task)的形式存在，任务的函数人口是位于touch_pan-el_main．c中的tp_task_main函数，触摸屏任务通过轮询的方式监测触摸屏的状态信息，进而完成对不同状态的事件响应。
   
    MTK6223D基带芯片自身并不支持触摸屏功能，所以基于MTK6223D的嵌入式平台通过宏定义开关封闭了平台对触摸屏相关功能的支持，但触摸屏的相关代码和架构仍然得到了保留。在MTK6223D搭配触摸屏的手机设计方案中，触摸屏功能通过外界触摸屏控制器得到实现，触摸屏的底层驱动是在MTK原有架构的基础上扩展而成。MTK嵌入式操作系统将触摸屏的状态信息保存在TouchPanelDataStruct结构体中。当嵌入式系统收到来自触摸屏控制器的中断时，中断函数完成对Touch_Panel_PenState_enum中state变量的更新，然后tp_task_main函数通过对state变量的判断，确认触摸笔屏处于UP状态还是DOWN状态，同时读取触摸屏的当前坐标。
   
    

4 结语
    该文研究了电阻式触摸屏的工作原理，提出一种和基带芯片MTK6223D搭配使用触摸屏控制器的设计与实现，并根据实际生产设计需求，提出一种自适应的测量触摸屏总电阻阻值的方法。该测量方法通过软件和触摸屏硬件控制器配合完成，并可与触摸屏校正同步实现。该方法具有较高的测量精度，不用在产品组装前，对触摸屏元器件进行单独测量，有效地节约了产品研发生产的时间和成本，对于嵌入式产品设计与开发具有较为实际的意义。