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电阻式触摸屏 前言 电阻式触摸屏是一种传感器，它将矩形区域中触摸点(X,Y)的物理位置转换为代表X坐标和Y坐标的电压。很多LCD模块都采用了电阻式触摸屏，这种屏幕可以用四线、五线、七线或八线来产生屏幕偏置电压，同时读回触摸点的电压。电阻式触摸屏基本上是薄膜加上玻璃的结构，薄膜和玻璃相邻的一面上均涂有ITO(纳米铟锡金属氧化物)涂层(ITO具有很好的导电性和透明性)。当触摸操作时，薄膜下层的ITO会接触到玻璃上层的ITO，经由感应器传出相应的电信号，经过转换电路送到处理器，通过运算转化为屏幕上的X、Y值，而完成点选的动作，并呈现在屏幕上。 触摸屏包含上下叠合的两个透明层。当触摸屏表面受到的压力(如通过笔尖或手指进行按压)足够大时，顶层与底层之间会产生接触。所有的电阻式触摸屏都采用分压器原理来产生代表X坐标和Y坐标的电压。如下图，分压器是通过将两个电阻进行串联来实现的。（上面的电阻(R1)连接正参考电压(VREF)，下面的电阻(R2)接地。两个电阻连接点处的电压测量值与下面那个电阻的阻值成正比。） 为了在电阻式触摸屏上的特定方向测量一个坐标，需要对一个阻性层进行偏置：将它的一边接VREF，另一边接地。同时，将未偏置的那一层连接到一个ADC的高阻抗输入端。当触摸屏上的压力足够大，使两层之间发生接触时，电阻性表面被分隔为两个电阻。它们的阻值与触摸点到偏置边缘的距离成正比。触摸点与接地边之间的电阻相当于分压器中下面的那个电阻。因此，在未偏置层上测得的电压与触摸点到接地边之间的距离成正比。 电阻触感主要有两种形式：软件触感解决方案和专用触摸屏控制器芯片。 在软件触感解决方案：微控制器须担负所有的触控检测和坐标计算任务。基于微控制器的软件算法采用内部的微控制器进行触摸位置电压测量，执行触摸检测功能和坐标处理功能。 在专用触摸屏控制器：控制器向系统主机(微控制器)发起一个检测触摸事件的中断请求，并输出代表触摸坐标的数字数据。然后主处理器(MCU)读取数字数据，执行客户期待的操作命令。 基于MCU计算参数的设计方法要求主处理器的速度非常快，只有这样才能管理频繁的触摸操作。对于快速触摸检测应用，这不是一个非常可靠的设计。因为没有数据平均和触摸检测延时功能，这类设计的检测精度比较低。具有数据采样、测量值平均、触摸检测延时配置和数字触摸坐标计算功能的专用触摸屏控制器芯片才是真正的触摸屏控制器。这些芯片易于集成到产品设计中，具有更高的性能。 三、电阻式触摸屏分类 1、四线触摸屏 四线触摸屏包含两个阻性层。其中一层在屏幕的左右边缘各有一条垂直总线，另一层在屏幕的底部和顶部各有一条水平总线，见下图。 为了在X轴方向进行测量，将左侧总线偏置为0V，右侧总线偏置为VREF。将顶部或底部总线连接到ADC，当顶层和底层相接触时即可作一次测量。为了在Y轴方向进行测量，将顶部总线偏置为VREF，底部总线偏置为0V。将ADC输入端接左侧总线或右侧总线，当顶层与底层相接触时即可对电压进行测量。下图显示了四线触摸屏在两层相接触时的简化模型。对于四线触摸屏，最理想的连接方法是将偏置为VREF的总线接ADC的正参考输入端，并将设置为0V的总线接ADC的负参考输入端。
 五线触摸屏使用了一个阻性层和一个导电层。导电层有一个触点，通常在其一侧的边缘，导电层来测量分压器的电压。阻性层的四个角上各有一个触点。
为了在X轴方向进行测量，将阻性层的左上角和左下角偏置到VREF，右上角和右下角接地。由于左上下角为同一电压，右上下角为同一电压，其效果与连接左右侧的总线差不多，类似于四线触摸屏中采用的方法。为了沿Y轴方向进行测量，将阻性层的左上角和右上角偏置为VREF，左下角和右下角偏置为0V。由于上左右角为同一电压、下左右角分别为同一电压，其效果与连接顶部和底部边缘的总线大致相同，类似于在四线触摸屏中采用的方法。这种测量算法的优点在于它使左上角和右下角的电压保持不变；但如果采用栅格坐标，X轴和Y轴需要反向。对于五线触摸屏，最佳的连接方法是将左上角(偏置为VREF)接ADC的正参考输入端，将左下角(偏置为0V)接ADC的负参考输入端。 七线触摸屏的实现方法除了在左上角和右下角各增加一根线之外，与五线触摸屏相同。执行屏幕测量时，将左上角的一根线连到VREF，另一根线接SAR ADC的正参考端。同时，右下角的一根线接0V，另一根线连接SAR ADC（SAR逐次逼近寄存器）的负参考端。导电层仍用来测量分压器的电压。 除了在每条总线上各增加一根线之外，八线触摸屏的实现方法与四线触摸屏相同。对于VREF总线，将一根线用来连接VREF，另一根线作为SAR ADC的数模转换器的正参考输入。对于0V总线，将一根线用来连接0V，另一根线作为SAR ADC的数模转换器的负参考输入。未偏置层上的四根线中，任何一根都可用来测量分压器的电压。 四、触摸屏系统架构和设计 触摸屏解决方案的主要组件包括触摸屏面板、触摸屏控制器(TSC)、显示面板和主处理器，如下图所示，主处理器可以是一个低端的微控制器。主处理器利用一线或两线接口协议(I2C/SPI)管理触摸屏控制器的初始化，以及读取数字坐标数据。主处理器还负责把用户触摸转换成所需的操作，如音量调节、图片更换或书写显示。大多数消费电子产品都有显示面板，同一显示面板上可显示人机互动图标。  电阻式触感解决方案结构图 设计一个带触感用户界面的应用系统，设计复杂性取决于触摸屏分辨率的要求。触摸屏分辨率还取决于触摸屏控器的模数转换器分辨率。另一个重要因素是触摸屏控制器的功耗，建议选用一个具有中断功能和低功耗待机模式的控制器。当没有触摸操作时，控制器进入低功耗的待机状态，以节省电能；当检测到触摸事件时，控制器将会唤醒，执行触摸电压解码功能。这个功能成为便携设备的一个基本要求，因为便携设备电池中的每库仑电量都非常宝贵。 选用一个内置缓存的触摸屏控制器对于频繁的触摸检测应用十分有益。例如，书写是连续的触摸操作，如果触摸屏控制器包括一个FIFO缓存，那么可以在FIFO缓存装满后再进行数据处理，这可降低主处理器的处理开销。当屏幕较大(>6英寸)时，触摸屏导电板拾起的噪声会影响触摸屏的精度，在触摸屏上(在X+/X-、Y+/Y-轴)增加电容器，可降低高频噪声。 五、一个电阻式触摸屏实例 为了弄明白电阻式触感解决方案的原理，我们分析一个现成的低成本手写板解决方案，如下图。在这个实例中，电阻触摸屏控制器采用ST的先进STMPE811控制器，主处理器采用ST的STM32高密度32位微控制器。  手写板解决方案 该解决方案让用户在TFT-LCD面板上感受实时手写的妙处。在一个4线电阻式触摸屏上，手写笔的X和Y坐标被映射到TFT-LCD面板内的一个线绘上。在现有的手写板设计中，2.4英寸触摸屏安装到2.4英寸(QVGA分辨率)TFT-LCD面板上。大多数手机和PDA都采用低分辨率的显示屏。为确保触摸检测坐标精确映射到显示屏上，应特别注意触摸屏和显示面板的分辨率。沿触摸屏电阻轴(X/Y)的触摸坐标变化是另一个重要考虑因素，这个问题与触摸屏的品牌有关。在某些触摸屏上，从触摸屏控制器取得的坐标值沿触摸屏的轴从上向下逐渐变小，反之亦然。 在本例中，触摸屏控制器通过I2C协议接口连接32位微控制器。TFT-LCD面板通过微控制器的灵活接口(FSMC)与微控制器相连，通过微控制器配置触摸屏控制器的各种参数，如模数转换器采样速度和平均值。除I2C协议接口外，触摸屏控制器提供一个输出中断引脚，用于向主处理器发起触感检测中断请求。该中断引脚与微控制器的外部中断端口引脚相连。本解决方案采用的触摸屏控制器包括一个12位模数转换器和一个可暂存128个触摸数据集的FIFO缓存。当触摸屏控制器检测到触摸事件时，微控制器就会从外部中断端口引脚收到一个中断请求，然后通过I2C协议读取触摸屏控制器FIFO缓存内的数据。每个X轴和Y轴坐标数据都使用一个12位数值。从触摸屏坐标到像素显示屏坐标的软件映射，计算基数是显示器面板的分辨率和触摸屏的分辨率。微控制器处理TFT-LCD像素显示器的坐标，然后显示相应的TFT-LCD像素。12位模数转换器的分辨率完全够用。因此，可以获得非常精确的触点，这可以让连续的像素发光，为用户提供实时的线绘感觉。
 手写板实现流程 因为触摸屏控制器内置FIFO缓存，管理微控制器处理开销变得很容易。此外，还可在显示面板的一侧显示彩色表格。文本的颜色可以选择，只要点击表格中的一种颜色，下一个线绘就会变成所选颜色。该方案还提供一个清除按钮的图标，当屏幕充满内容时，触摸这个按钮可清理屏幕。利用这种方式，设计人员可轻松实现一个画笔功能。这个应用可能是孩子画画工具箱的基础。 SAR（逐次逼近寄存器）的实现方法很多，但它的基本结构很简单，参见下图。  该结构将模拟输入电压(VIN)保存在一个跟踪/保持器中，N位寄存器被设置为中间值(即100...0，其中最高位被设置为1)，以执行二进制查找算法。因此，数模转换器(DAC)的输出(VDAC)为VREF的二分之一，这里VREF为ADC的参考电压（其取值如下图所示）。之后，再执行一个比较操作，以决定VIN小于还是大于VDAC： 1、如果VIN小于VDAC，比较器输出逻辑低，N位寄存器的最高位清0。 2、如果VIN大于VDAC，比较器输出逻辑高(或1)，N位寄存器的最高位保持为1。 其后，SAR的控制逻辑移动到下一位，将该位强制置为高，再执行下一次比较。SAR控制逻辑将重复上述顺序操作，直到最后一位。当转换完成时，寄存器中就得到了一个N位数据字。
上图显示了一个4位转换过程的例子，图中Y轴和粗线表示DAC的输出电压。在本例中：（最高位默认为1，使得一开始DAC为Vref值的二分之一） 1、 第一次比较显示VIN小于VDAC，因此位[3]被置0。随后DAC被设置为0b0100并执行第二次比较。 2、在第二次比较中，VIN大于VDAC，因此位[2]保持为1。随后，DAC被设置为0b0110并执行第三次比较。 3、在第三次比较中，VIN小于VDAC，位[1]被置0。DAC随后被设置为0b0101，并执行最后一次比较。 4、在最后一次比较中，VIN大于VDAC，位[0]保持为1。 七、检测接触 所有的触摸屏都能检测到是否有触摸发生，其方法是用一个弱上拉电阻将其中一层上拉，而用一个强下拉电阻来将另一层下拉。如果上拉层的测量电压大于某个逻辑阈值，就表明没有触摸，反之则有触摸。这种方法存在的问题在于触摸屏是一个巨大的电容器，此外还可能需要增加触摸屏引线的电容，以便滤除LCD引入的噪声。弱上拉电阻与大电容器相连会使上升时间变长，可能导致检测到虚假的触摸。 四线和八线触摸屏可以测量出接触电阻，即四线触摸屏图中的RTOUCH。RTOUCH与触摸压力近似成正比。要测量触摸压力，需要知道触摸屏中一层或两层的电阻。下图中的公式给出了计算方法。需要注意的是，如果Z1的测量值接近或等于0(在测量过程中当触摸点靠近接地的X总线时)，计算将出现一些问题，通过采用弱上拉方法可以有效改善这个问题。 八、电阻式触摸屏的优缺点 电阻式触摸屏的优点是它的屏和控制系统都比较便宜，电阻式触摸屏技术只需一个简易的印刷电路板设计，不像电容式和电感式触摸屏技术，需要在印刷电路板上设计电极或线圈蚀刻，反应灵敏度也很好，而且不管是四线电阻触摸屏还是五线电阻触摸屏,它们都是一种对外界完全隔离的工作环境，不怕灰尘和水汽，能适应各种恶劣的环境。它可以用任何物体来触摸,稳定性能较好。缺点是电阻触摸屏的外层薄膜容易被划伤导致触摸屏不可用，多层结构会导致很大的光损失，对于手持设备通常需要加大背光源来弥补透光性不好的问题，但这样也会增加电池的消耗。 |
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