ARM單片機的觸摸屏控制器的設(shè)計 精品.docx

基于ARM單片機的觸摸屏控制器的設(shè)計第1章 緒論 1.1觸摸屏簡介觸摸屏又稱為“觸控屏”、“觸控面板“，是一個可接收觸頭等輸入訊號的感應(yīng)式顯示裝置，當(dāng)接觸了屏幕上的某位置時，屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先編程的程序給出操作者所觸壓的點，可用以取代機械式的按鈕面板，并通過 LCD 液晶顯示模塊制造出生動的界面效果。觸摸屏作為一種新的電腦輸入設(shè)備，它是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。隨著多媒體信息查詢的與日俱增，人們越來越多地使用觸摸屏，而且觸摸屏具有堅固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、易于人機交互等許多優(yōu)點。利用這種技術(shù)，用戶只要用手指輕輕地觸摸計算機顯示屏上的圖符或文字就能實現(xiàn)對主機操作，從而使人機交互更為直截了當(dāng)，這種技術(shù)大大方便了那些不懂電腦操作的用戶。 1.2 觸摸屏的主要類型及特點從技術(shù)原理來區(qū)別觸摸屏，可分為五個基本種類：矢量壓力傳感技術(shù)觸摸屏、電阻技術(shù)觸摸屏、電容技術(shù)觸摸屏、紅外線技術(shù)觸摸屏、表面聲波技術(shù)觸摸屏。其中矢量壓力傳感技術(shù)觸摸屏已退出歷史舞臺；紅外線技術(shù)觸摸屏價格低廉，但其外框易碎，容易產(chǎn)生光干擾，曲面情況下失真；電容技術(shù)觸摸屏設(shè)計構(gòu)思合理，但其圖像失真問題很難得到根本解決；電阻技術(shù)觸摸屏的定位準(zhǔn)，但怕刮易損；表面聲波觸摸屏解決了以往觸摸屏的各種缺陷，清晰不容易被損壞，適于各種場合，缺點是屏幕表面如果有水滴和塵土?xí)褂|摸屏變的遲鈍，甚至不工作。按照觸摸屏的工作原理和傳輸信息的介質(zhì)，我們把觸摸屏分為四種，它們分別為電阻式、電容感應(yīng)式、紅外線式以及表面聲波式。每一類觸摸屏都有其各自的優(yōu)缺點，要了解哪種觸摸屏適用于哪種場合，關(guān)鍵就在于要懂得每一類觸摸屏技術(shù)的工作原理和特點。1.3觸摸屏的應(yīng)用與發(fā)展趨勢觸摸屏起源于 20 世紀(jì) 70 年代，早期多被裝于工控計算機、POS 機終端等工業(yè)或商用備之中。20XX 年 iPhone 手機的推出，成為觸控行業(yè)發(fā)展的一個里程碑。蘋果公司把一部至少需要 20 個按鍵的移動電話，設(shè)計得僅需三四個鍵就能搞定，剩余操作則全部交由觸控屏幕完成。除賦予了使用者更加直接、便捷的操作體驗之外，還使手機的外形變得更加時尚輕薄，增加了人機直接互動的親切感，引發(fā)消費者的熱烈追捧，同時也開啟了觸摸屏向主流操控界面邁進的征程。目前，觸摸屏應(yīng)用范圍已變得越來越廣泛，從工業(yè)用途的工廠設(shè)備的控制操作系統(tǒng)、公共信息查詢的電子查詢設(shè)施、商業(yè)用途的提款機，到消費性電子的移動電話、PDA、數(shù)碼相機等都可看到觸控屏幕的身影。觸摸屏目前主要還是集中在小尺寸上的應(yīng)用，未來的發(fā)展將是一個觸控和遙控的世界，所以大尺寸觸摸屏的發(fā)展是目前觸摸屏發(fā)展的趨勢，尤其是多點觸摸的應(yīng)用領(lǐng)域。發(fā)展多點觸摸、接近感應(yīng)以及支持電容筆的技術(shù)，可以多點、多人同時應(yīng)用，尤其在一些大尺寸屏幕上，能夠讓多人在同一塊屏幕上共同完成一些協(xié)同工作，如游戲、繪圖、工程設(shè)計、影像處理等所以未來的世界是個觸控的世界，是個遙控的世界，大尺寸觸摸屏的發(fā)展有著廣泛的空間。1.4本設(shè)計研究的主要內(nèi)容本次設(shè)計討論的主要內(nèi)容是以 STM31F103 系列單片機為核心，通過觸摸屏接口芯片 ADS7843 完成對觸摸屏的數(shù)據(jù)采集工作，重點闡述了四線制電阻式觸摸屏以及觸摸屏接口芯片 ADS7843 具體的工作原理。第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 2.1總體設(shè)計 2.1.1設(shè)計思想本次觸摸屏的設(shè)計將以 STM32F103 單片機和觸摸屏接口芯片 ADS7843 為核心，時鐘電路、復(fù)位電路、RS-232 通信接口電路及 LCD 顯示電路為輔助，首先繪制總體結(jié)構(gòu)框圖，直觀清晰的顯示觸摸屏輸入系統(tǒng)的組成，然后通過觸摸屏、觸摸屏控制器以及 CPU 的接口電路，具體分析引腳結(jié)構(gòu)及功能。在清晰地了解了電路的設(shè)計情況后，對 CPU 以及觸摸控制器初始化，完成軟件部分的設(shè)計，最后真正掌握觸摸屏的整體工作原理，達到硬件設(shè)計與軟件設(shè)計的完美結(jié)合。 2.1.2結(jié)構(gòu)框圖圖 2.1 總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖2.2CPU 的選擇2.2.1 微處理器 STM32F103 簡介STM32F103 系列微處理器是首款基于 ARMv7- M 體系結(jié)構(gòu)的 32 位標(biāo)準(zhǔn) RISC（精簡指令集）處理器，提供很高的代碼效率,在通常 8 位和 16 位系統(tǒng)的存儲空間上發(fā)揮了 ARM 內(nèi)核的高性能。STM32F103VCT6 系列微處理器工作頻率為 72MHz，內(nèi)置高達 128K 字節(jié)的 Flash 存儲器存儲器 和 20K 字節(jié)的 SRAM，采用 LQTP 封裝模式，引腳達到 100 只，具有豐富的通用 I /O 端口。 其主要資源與特點如下：1）多達 51 個快速 I /O 端口， 所有 I/O 口均可以映像到 16 個外部中斷， 幾乎所有端口都允許 5V 信號輸入。每個端口都可以由軟件配置成輸出（推挽或開漏）、輸入（帶或不帶上拉或下拉） 或其它的外設(shè)功能口。2） 2 個 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，多達 16 個外部輸入通道，轉(zhuǎn)換速率可達 1MHz,轉(zhuǎn)換范圍為0 3.3V; 具有雙采樣和保持功能；內(nèi)部嵌入有溫度傳感器，可方便的測量處理器溫度值。3）靈活的 7 路通用 DMA 可以管理存儲器到存儲器、設(shè)備到存儲器和存儲器到設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸， 無須 CPU 任何干預(yù)。通過 DMA 可以使數(shù)據(jù)快速地移動，這就省了 CPU的資源來進行其他操作。DMA 控制器支持環(huán)形緩沖區(qū)的管理，避免了控制器傳輸?shù)竭_緩沖區(qū)結(jié)尾時所產(chǎn)生的中斷。它支持的外設(shè)包括：定時器、ADC、SPI、I2C 和 USART等。4）調(diào)試模式： 支持標(biāo)準(zhǔn)的 20 腳 JTAG 仿真調(diào)試以及針對 Cortex- M3 內(nèi)核的串行單線調(diào)試（ SWD ）功能。通常默認(rèn)的調(diào)試接口是 JTAG 接口。5）內(nèi)部包含多達 7 個定時器，3 個通用寄存器、1 個高級寄存器、2 個看門狗寄存器以及 1 個系統(tǒng)時基寄存器。6）含有豐富的通信接口： 三個 USART 異步串行通信接口、兩個 I2C 接口、兩個 SPI接口、一個 CAN 接口和一個 USB 接口， 為實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信提供了保證。STM32F103VCT6 引腳圖如圖2.2 所示：圖 2.2 ARM 單片機 STM32F103VCT6 引腳圖2.2.2STM32F103 的 FSMC 接口的介紹在 STM32F103 上開發(fā) LCD 顯示，可以有兩種方式來對 LCD 進行操作，一種是通過普通的 IO 口，連接 LCD 的相應(yīng)引腳來進行操作，第 2 種是通過 FSMC 來進行操作?？勺冹o態(tài)存儲控制器(Flexible Static Memory Controller: FSMC)是 STM32 系列中內(nèi)部集成256 KB 以上 Flash，后綴為.c、.d 和.e 的高存儲密度微控制器特有的存儲控制機制。之所以稱為“可變”，是由于通過對特殊功能寄存器的設(shè)置，F(xiàn)SMC 能夠根據(jù)不同的外部存儲器類型發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)/地址/控制信號類型以匹配信號的速度，從而使得 STM32系列微控制器不僅能夠應(yīng)用各種不同類型、不同速度的外部靜態(tài)存儲器，而且能夠在不增加外部器件的情況下同時擴展多種不同類型的靜態(tài)存儲器，滿足系統(tǒng)設(shè)計對存儲容量、產(chǎn)品體積以及成本的綜合要求。2.2.3SPI 接口簡介SPI 是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使 MCU 與各種外圍設(shè)備以串行方式進行通信以交換信息。SPI 有三個寄存器分別為：控制寄存器 SPCR，狀態(tài)寄存器 SPSR，數(shù)據(jù)寄存器 SPDR。外圍設(shè)置 FLASHRAM、網(wǎng)絡(luò)控制器、LCD 顯示驅(qū)動器、A/D轉(zhuǎn)換器和 MCU 等。SPI 總線系統(tǒng)可直接與各個廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，該接口一般使用 4 條線：串行時鐘線（SCLK）、主機輸入/從機輸出數(shù)據(jù)線MI SO、主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線 MOSI 和低電平有效的從機選擇線 SS( 有的 SPI接口芯片帶有中斷信號線 INT、有的 SPI 接口芯片沒有主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線MOSI) 。SPI 接口主要應(yīng)用在 EEPROM,FLASH,實時時鐘,A /D 轉(zhuǎn)換器,還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間。SPI 接口是在 CPU 和外圍低速器件之間進行同步串行數(shù)據(jù)傳輸,在主器件的移位脈沖下,數(shù)據(jù)按位傳輸,高位在前,低位在后,為全雙工通信,數(shù)據(jù)傳輸速度總體來說比 I C 總線要快,速度可達到幾 Mbps。2.3顯示電路的設(shè)計2.3.1LCD 的選擇本設(shè)計采用 TFT-LCD 模式、24 位顯示的 AT070TN92 液晶屏。AT070TN92 是AT070TN83 之后又推出的一款群創(chuàng) 7 寸液晶屏，性能更加優(yōu)越，顯示更清晰。其主要參數(shù)如下表 2.1 所示：2.3.2LCD 接口控制器的設(shè)計LCD 控制系統(tǒng)由 CPU、LCD 控制器和 LCD 顯示屏組成，而 LCD 的顯示和驅(qū)動主要由 LCD 控制器提供。本設(shè)計采用 SSD1963QL9 系列芯片(SSD1963QL9 引腳圖見附頁) 2.3.3電壓調(diào)節(jié)電路由于 LCD 液晶顯示屏需要不同電壓，所以供電情況也不相同，背光燈電源 9.3V、數(shù)字電路電源 3.3V、通用電源 5V、門極電壓 16V 和-7V、模擬電路電源 10.4V 以及復(fù)位電路 3.3V。因此，需要設(shè)計電壓調(diào)節(jié)電路來完成電源電壓的分配工作，實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。在電壓調(diào)節(jié)電路中，采用低壓差電壓調(diào)節(jié)器 LM1117 以及低壓差線性穩(wěn)壓器SG20XX-1.2具有低能量、低噪聲、低功耗等一系列特點。升降壓轉(zhuǎn)換器采用TPS61040 系列其芯片及接口如圖 2.3 所示：圖 2.3 電壓調(diào)節(jié)電路2.4觸摸屏的選擇及接口電路的設(shè)計2.4.1觸摸屏的選擇本次設(shè)計觸摸屏選用基本的四線電阻式觸摸屏。電阻式觸摸屏有很多特點：高解析度，高速傳輸反應(yīng)；表面硬度處理，減少擦傷、刮傷及防化學(xué)處理；具有光面及霧面處理。一次校正穩(wěn)定性高，永不漂移。更重要的是四線電阻式觸摸屏是幾種觸摸屏類型中最基本的一個，他性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)簡單且價格低廉，適合學(xué)生做基礎(chǔ)研究。 2.4.2觸摸屏接口芯片的選擇觸摸屏主要由觸摸屏接口控制芯片來驅(qū)動。本設(shè)計選擇Burr -Brown公司的控制芯片ADS7843。ADS7843是一個內(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換、低導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)的串行接口芯片。供電電壓2.75 V，參考電壓VREF為1 V+VCC，轉(zhuǎn)換電壓的輸入范圍為0 VREF最高轉(zhuǎn)換速率為125 kHz。ADS7843具有兩個輔助輸入:IN3、IN4,可設(shè)置為8位或12位模式。該電路的基準(zhǔn)電壓確定了轉(zhuǎn)換器的輸入范圍. 輸出數(shù)據(jù)中每個數(shù)字位代表的模擬電壓等于基準(zhǔn)電壓除以4096. 平均基準(zhǔn)輸入電流由ADS7843的轉(zhuǎn)換率來確定.ADS7843的引腳配置如圖2.4所示，引腳說明如下表2.2所示：圖 2.4 ADS7843 的引腳配置2.4.3接口電路的設(shè)計 觸摸屏控制器接口電路包括觸摸屏和所示：ADS7843控制芯片，具體接口電路如下圖 2.5所示：圖 2.5ADS7843 的硬件接口電路2.5通訊接口電路設(shè)計 2.5.1RS-232C通信接口設(shè)計1.RS-232 串行通信接口芯片：RS-232C 是一種統(tǒng)一的串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)，是數(shù)據(jù)通信設(shè)備和數(shù)據(jù)終端設(shè)備間傳輸串行數(shù)據(jù)的接口總線。其最大傳輸距離為 15m，最高傳輸速率約為 20kbps，信號的邏輯 0 電平為+3+15V,邏輯 1 電平為-3-15V。RS-232C 的功能特性定義了 25 芯標(biāo)準(zhǔn)連接器中的 20 根信號線，其中 2 條地線、4 條數(shù)據(jù)線、11 條控制線、3 條定時信號線，剩下的 5 根線作備用或未定義。2.專用芯片 MAX232：MAX232 芯片專門為電腦的 RS-232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,使用+5v 單電源供電。由于 TTL 電平和 RS232 電平互不兼容，所以兩者接口時，必須進行電平轉(zhuǎn)換，MAX232 芯片可以完成電平轉(zhuǎn)換這一工作，它由內(nèi)部電壓變換器產(chǎn)生正負(fù) 10V。其引腳排列以及與 RS- 232 接口電路如圖 2.6 所示：第3章 軟件設(shè)計3.1總體設(shè)計觸摸屏模塊的軟件部分總體設(shè)計思想為：當(dāng)觸摸屏收到擠壓或點擊時，ADS7843通過中斷請求通知 ARM 有觸摸發(fā)生，此時引腳輸出為低電平，從而向 ARM 提出終端請求，進入中斷服務(wù)程序，關(guān)掉外部中斷，可以避免多個觸摸點發(fā)生沖突。通過判斷終端輸入口電平的變化消除抖動后，通過電壓的切換，分別導(dǎo)通 Y 電極對、X 電極對，分別采集 Y、X 那幾對的模擬量，經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的值與事先設(shè)定的按鍵邊界進行比較，若在按鍵范圍內(nèi)，則切換到相應(yīng)觸點程序，否則開中斷并返回到主程序繼續(xù)等待外部觸摸中斷，主程序流程圖如圖 3.1 所示。軟件部分設(shè)計總體上分幾部分：第一是觸摸屏控制器 ADS7843 驅(qū)動程序設(shè)計；第二是觸摸屏主驅(qū)動程序和校準(zhǔn)程序設(shè)計，第三是 LCD 屏的驅(qū)動程序設(shè)計。圖 3.1 主程序流程圖3.2觸摸屏的工作原理基本原理：典型觸摸屏的工作原理一般由三部分組成，兩層同名的阻性導(dǎo)體層、兩層導(dǎo)體之間的隔離層及電極。觸摸屏工作時，上下導(dǎo)體層相當(dāng)于電阻網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)某一層電極加上電壓時，會在該網(wǎng)絡(luò)上形成電壓梯度。如有外力使得上下兩層在某一點接觸，則在電極未加電壓的另一層可以測得接觸點處的電壓，經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換知道接觸點處的坐標(biāo)。比如，在底層的電極（Y+,Y- ）上加上電壓，則在底層導(dǎo)體層上形成電壓梯度，當(dāng)有外力使得上下兩層在某一點接觸，在頂層就可以測得接觸點處的電壓，再根據(jù)該電壓與電極 K+之間的距離關(guān)系，知道該處的 Y 坐標(biāo)。然后，將電壓切換到 K+，X-頂層電極上，并在底層測量接觸點處的電壓，從而知道 X 坐標(biāo)。為了在電阻式觸摸屏上的特定方向測量一個坐標(biāo)，需要對一個阻性層進行偏置：將它的一邊接 VREF，另一邊接地。同時，將未偏置的那一層連接到一個 ADC 的高阻抗輸入端。當(dāng)觸摸屏上的壓力足夠大，使兩層之間發(fā)生接觸時，電阻性表面被分隔為兩個電阻。它們的阻值與觸摸點到偏置邊緣的距離成正比。觸摸點與接地邊之間的電阻相當(dāng)于分壓器中下面的那個電阻。因此，在未偏置層上測得的電壓與觸摸點到接地邊之間的距離成正比，如圖 3.2 所示：圖 3.2電阻式觸摸屏分壓原理觸點坐標(biāo)的計算：計算觸點的 X,Y 坐標(biāo)分為如下兩步：（1）計算 Y 坐標(biāo)，在 Y+電極施加驅(qū)動電壓 Vdrive，Y- 電極接地，X+做為引出端測量得到接觸點的電壓，由于 ITO 層均勻?qū)щ?，觸點電壓與 Vdrive 電壓之比等于觸點 Y坐標(biāo)與屏高度之比。（2）計算 X 坐標(biāo)，在 X+電極施加驅(qū)動電壓 Vdrive， X- 電極接地，Y+做為引出端測量得到接觸點的電壓，由于 ITO 層均勻?qū)щ?，觸點電壓與 Vdrive 電壓之比等于觸點 X坐標(biāo)與屏寬度之比。如圖 3.3 所示：圖 3.3觸點坐標(biāo)的計算測得的電壓通常由 ADC 轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再進行簡單處理就可以做為坐標(biāo)判斷觸點的實際位置。四線電阻式觸摸屏除了可以得到觸點的 X/Y 坐標(biāo)，還可以測得觸點的壓力，這是因為 top layer 壓后，上下層 ITO 發(fā)生接觸，在觸點上實際是有電阻存在的，如下圖3.4 的電阻 Rtouch。壓力越大，接觸越充分，電阻越小，通過測量這個電阻的大小可以量化壓力大小。那么如何得到 Rtouch 的阻值呢？這里介紹了兩種方法：第一種方法：要做如下準(zhǔn)備工作如下：首先，X- 接地，X+接電源，Y+接 ADC 得到觸點的 X 坐標(biāo)，如圖 3.5 所示：圖3.5第二，X-接地，Y+接電源，X+接 ADC 得到 Z1 點的位置 Z1，如圖 3.6 所示：第三，X-接地，Y+接電源，Y-接 ADC 得到 Z2 點的位置 Z2，如圖 3.7 所示：1.內(nèi)部結(jié)構(gòu)：觸摸屏控制芯片之所以能完成對觸摸屏的控制，主要原因有兩點：其一，是完電極電壓的切換；其二，是采集接觸點處的電壓值（即 A/D）。而控制芯片ADS784之所以更好的控制觸摸屏，主要是得益于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)很容易實現(xiàn)電極電壓的切換，并能進行快速 A/D 轉(zhuǎn)換。2參考電壓的選擇：ADS7843 支持兩種參考電壓輸入模式：一種是參考電壓固定為 VREF，另一種采取差動模式，參考電壓來自驅(qū)動電極。這兩種模式分別如圖 3.8(a)（b）所示。采用圖 3.8(b)的差動模式可以消除開關(guān)導(dǎo)通壓降帶來的影響。圖 3.8（a）和3.8（b）為兩種參考電壓輸入模式所對應(yīng)的內(nèi)部開關(guān)狀況。3.3.2ADS7843 的控制字1.ADS7843 的控制字及數(shù)據(jù)傳輸格式ADS7843 的控制字如表所列，其中 S 為數(shù)據(jù)傳輸起始標(biāo)志位，該位必為1。A2A0進行通道選擇。MODE 用來選擇 A/D 轉(zhuǎn)換的精度，1選擇 8 位，0選擇 12 位。2）SER/ DFR 為參考電壓的輸入模式選擇位。3）A2A0 是通道選擇位。4）S 為控制寄存器中的控制位。5）PD1、PD0 選擇省電模式：00省電模式允許，在兩次 A/D 轉(zhuǎn)換之間掉電，且中斷允許；01同00，只是不允許中斷10保留；11禁止省電模式。為了完成一次電極電壓切換和 A/D 轉(zhuǎn)換，需要先通過串口往 ADS7843 發(fā)送控制字，轉(zhuǎn)換完成后再通過串口讀出電壓轉(zhuǎn)換值。標(biāo)準(zhǔn)的一次轉(zhuǎn)換需要 24 個時鐘周期。由于串口支持雙向同時進行傳送，并且在一次讀數(shù)與下一次發(fā)控制字之間可以重疊，所以轉(zhuǎn)換速率可以提高到每次 16 個時鐘周期。如果條件允許，CPU 可以產(chǎn)生 15 個 CLK 的話(比如 FPGAs 和 ASICs),轉(zhuǎn)換速率還可以提高到每次 15 個時鐘周期。具體轉(zhuǎn)換時序略。觸摸屏控制程序流程圖的設(shè)計由于LCD分辨率與觸摸屏的分辨率一般來說不一樣,坐標(biāo)也不一樣,這就需要轉(zhuǎn)換兩者坐標(biāo),即對觸點的定位,常用的觸點定位法有最值法、兩點定位法和四點定位法。在測量觸點坐標(biāo)時,采用差動參考電壓方式,但發(fā)現(xiàn)觸摸屏邊沿點對應(yīng)的測量值仍達不到0或滿量程4096,而且由于觸摸屏存在個體差異,不同觸摸屏邊沿點的測量值一般不同,這樣用最值法會存在一定的誤差;其二觸點定位軟件中通過對數(shù)據(jù)的采 集,去值平均濾波處理,判斷觸摸輸入的合法性,以及判斷觸點是否有效,最后檢驗是否能達到預(yù)想的精度,這樣四點定位法可能會更