2021年07月01日 | ARM9 Linux开发系统中的LCD触摸屏接口电路

1 触摸屏基本原理

触摸屏按其工作原理可分为表面声波屏、电容屏、电阻屏和红外屏几种。每一种触摸屏都有各自的优缺点，简单介绍每一种触摸屏技术的工作原理和特点。

1．电阻技术触摸屏

电阻技术触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜。它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属(ITO氧化铟，透明的导电电阻)导电层，上面再盖一层外表面经硬化处理、光滑防擦的塑料层，它的内表面也涂有一层ITO涂层，在它们之间有许多细小的(小于l／1000in)透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。当手指触摸屏时，两层导电层在触摸位置就有了接触，如图11—23所示。触摸屏控制器侦测到这一接触并计算出(x，y)的位置，再根据模拟鼠标的方式运作。这就是电阻技术触摸屏的最基本的工作原理。

2．表面声波技术触摸屏

表面声波技术是利用声波在物体的表面进行传输。当有物体触摸到表面时，阻碍声波的传输，换能器检测到这个变化，反映给计算机，进而进行鼠标的模拟。表面声波屏需要经常维护，因为灰尘、油污等玷污在屏的表面，都会阻塞触摸屏表面的导波槽，使波不能正常发射，或使波形改变而控制器无法正常识别，从而影响触摸屏的正常工作。

3．电容技术触摸屏

电容技术触摸屏利用人体的电流感应进行工作。当人触摸屏幕时，由于人体电场，人和触摸屏表面形成一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直流导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流会从触摸屏四角上的电极中流出，并且流经这4个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这4个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置。但是，电容技术触摸屏带手套不起作用，不适用于金属机柜，当外界有电感和磁感时，会使触摸屏失灵。

1 1.6.2触摸屏与显示器的配合

触摸屏的工作部分一般由三部分组成：两层透明的阻性导体层，两层导体之间的隔离层电极，如图1l-24所示。

触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络，如图11-25。当某一层电极加上电压时，会在该网络上形成电压梯度。如果有外力使得上下两层在某一点接触，则在电极未加电压的另一层可以测得接触点处的电压，从而知道接触点处的坐标。如，在顶层的电极(X+，x-)上加上电压，则在顶层导体层上形成电压梯度，当有外力使得上下两层在某一点接触，在底层就可以测得接触点处的电压，再根据该电压与电极(x+)之间的距离关系，知道该处的X坐标。然后，将电压切换到底层电极(Y+，Y-)上，并在顶层测量接触点处的电压，从而知道Y坐标。

一般触摸屏将触摸时的X、Y方向的电压值送到A／D转换接口，经过A／D转换后的X、Y值仅是对当前触摸点电压值的A／D转换值。该值的大小不但与触摸屏的分辨率有关，而且也与触摸屏与LCD贴合的情况有关。

11.6.3触摸屏接口电路

EMOTION ARM9 Linux开发系统的触摸屏采用标准触摸屏，采用模拟信号输入，使用MC9328MXl芯片的ASP模块(Analog Signal Processor)提供的专用于触摸屏输入的4路9位数模转换(ADC)结构，触摸屏置于Sharp LCD之上。另有2路9位A／D用于测量电池电压。

触摸屏接口原理图如图11-26所示。

实验箱J40为一个4针插针，完全悬空。当触摸屏接口J39与触摸屏连接不匹配时，可通过由J40向J39飞线的方式来使得J40与触摸屏的连接达到匹配。同时系统也提供了一组触摸屏输入及逆变器交流输出的通用接口J19，其管脚定义如表11-10所示。

EMOTION ARM9 Linux开发系统提供一组跳线、按键及接口来控制逆变器的直流输入。按键K1完成逆变器直流电源输入的开启、截止。跳线J20选择逆变器亮度调节的电压输入。电位器RW8用以调节逆变器亮度控制电压。接口J21提供了一个标准的逆变器输入接口，可使用户方便地更换所用逆变器的型号。J21管脚定义如表11-11所示。

11.7 模数转换接口电路

11.7.1基本原理

模数转换接口是数据采集系统前向通道中的一个重要环节。它实现了将一个或多个采集的模拟信号转换成数字形式，以便计算机能对其读入。模／数转换器是整个转换接口的重要一环，选择的技术指标主要有：

≯ 量化误差(分辨率)；

≯ 转化精度；

≯ 转化时间(转化速率)；

≯ 零点温度系数和增益温度系数；

≯对电源电压的变化抑制比。

A／D转换器种类繁多，但目前应用较广泛的主要有四种类型：逐次逼近式、双积分式、量化反馈式和并行式等A/D转换器。下面主要介绍前两种A／D转换器的基本原理。

1．逐次逼近式A／D转换器原理

逐次逼近式A／D转换器电路由比较器、D／A转换器输出锁存器和控制逻辑组成。其转换原理为将输入模拟电压Uin与D／A转换器的输出电压Ui分别输入比较器中的A、B端进行比较，根据Ui大于还是小于输入模拟信号Uin来决定增大还是减小Ui，以便向模拟输入信号逼近。当ui信号与输入模拟信号Uin相等时，向D／A转换器输入的数字就是对应模拟输入信号的数字量。

其工作过程是：比较开始时，首先对二进制计数器(输出锁存器)的最高位置“1”，然后进行转换、比较判断。若模拟输入Uin大于Ui，比较器输出为1，则使输出锁存器的最高位保持为1。然后对较低的位依次按照该办法进行比较和调整，无论哪种情况，均应继续比较下一位，直到最末位为止。此时D／A转换器的数字输入(输出锁存器内容)即为对应模拟输入信号的数字量。将此数字量输出就完成了A／D转换过程。这种方法好比用天平称一个物体的重量，第一次放最大的砝码，若不合适，就改放小一号的，依次类推。一旦天平指示砝码太重说明刚才放进去的那个应当取走，显然对于n位的转换器，总共需要重复这种过程n次。

逐次逼近A／D转换器的主要优点是转换速度比较快，此外与有同样分辨率的双积分型转换器比较，它不需要高精度的运算放大器，而且成本也较低。这种形式的A／D转换器被广泛应用于各种系统中。

2．双积分式A／D转换器原理

双积分式A／D转换器，一般具有精度高，抗干扰性好，价格便宜等优点，但转换速度慢。双积分式A／D转换器由电子开关、积分器、比较器、计数器和控制逻辑组成。

其电路的工作原理如下：电路由外来的启动信号启动后，未知的输入模拟电压加到积分电路进行固定时间的积分，同时计数器开始对时钟脉冲进行计数。这时计数器是作为定时器来使用的。当计满一个预先规定的固定值后(通常这段时间约为整个转换周期的三分之一)，则将极性相反的标准电压加到积分电路上，积分电路从刚才积分的终值开始进行反向积分。与此同时，计数器清零并重新开始对时钟脉冲计数，直至积分器输出到达零，使计数器停止计数。这时控制逻辑电路向CPU发出“数据有效”的状态信号。CPU可从计数器的输出端得到转换结果。输入模拟电压uin幅度越大，在固定时间的终了时，积分器的输出电压值也越大，因而反向积分所需的时间也越长。

本开发系统的A／D转换实验硬件主要是由ADC0809转换芯片和四个可变电位器组成的。ADC0809是8位8通路逐次逼近式A／D转换器，输入电压在(O～5)V，最大不可调误差小±1LSB，它具有高速、高精度、温度依赖度低以及在长期工作条件下能耗小、重复性好等优点。ADC0809芯片的结构原理如图11-27所示。由图11-27可看芯片主要是由一个8位A／D转换器(虚框内部分)、8路模拟输入选通开关、地址锁存及译码电路工作和三态数据输出锁存器组成。为实现8路模拟通道能有条不紊地工作，首先通过地址译码锁存器选通所要开通的8路模拟通道中的一路开关，将模拟信号送入A/D转换器中实现A/D的转换，转换后的数据放到三态数据锁存器中等待CPU来取，取后由CPU启动新一次的地址译码，重复以上完成新一次的A/D转换。ADC0809芯片提供了高转换速度、高精密度、环境影响小和低功耗等优点，被广泛应用于各种控制领域。

ADC0809芯片的接线图如图11-27所示，根据图11-27构建A／D转换接口电路。

11.7.2 A／D转换接口电路

ADC0809转换接口电路如图ll-28所示，通过数据总线、地址总线和控制总线与MC9328Xl连接。图11-29是ADC模数转换接口原理图。

ADC0809有8个输入通道，从图11-27可知，可以输入8路模拟通道。本实验系统设置了5个模拟通道输入：通道0连接方波发生器，通道l连接三角波发生器，通道2连接正弦波发生器，通道3连接DC的输出，通道4连接直流输入。

ADC0809芯片分辨率为8位，转换精度为1/2LSB，模拟量输入通道为8路。输出的数字量计算公式为：N=[(Vimn-Vref-)Vref+—Vref-)]×256。EMOTIONARM9 Linux开发系统中 Vtrg+为5V(误差正负2％)，Vref-为O，所以公式可简化为：N=Vimn／5x256。

表11-12是ADC模数转换资源分配情况说明、ADC输入通道输入信号说明、以及ADC输入引脚J31的信号定义。

11.8 D／A转换接口电路

11.8.1基本原理

D／A转换接口技术是应用系统后向通道典型应用技术之一。它涉及了D/A转换芯片的选择参考电压源的配置、数字输入码与模拟输出电压的极性等问题，而其中最核心的问题是D／A转换芯片的选择与应用问题。

D／A转换器的基本功能是将一个用二进制表示的数字量转换成相应的模拟量。实现这种转换的基本方法是对应于二进制的每一位，产生一个相应的电压(电流)，而这个电压(电流)的大小正比于相应的二进制位的权。D／A转换器主要由三部分构成，即加权电阻解码网、受输入数字量控制的电子开关组和由运算放大器构成的电流一电压转换器。电子开关组受输入二进制数据D7～DO控制，当某一位为“1”时，则电子开关闭合，基准电压Vin接电阻解码网络，使某一支路电阻上有电流流过。当某一位为“0”时，则电子开关断开，该支路电阻上无电流流过。加权电阻解码网络各支路的电阻值与二进制数据D7～DO的“权”相对应，“权”大的电阻值小，“权”小的电阻值大。因此各支路的电流不仅决定于输入数字量的值(0或1)，还决定于“权”，各支路的电流如下：

因此，总电流为Iout：

该总电流经电流-电压转换器(运算放大器)后，电压VotrT为：

其中，

其中，Di为第i位输入数字量，其值为“0”或“l”。

由上式看出，尽管使用的网络结构不同，但对于D／A转换器的输入输出来说是等效的。就8位D／A转换器而言，每一数字输入位所代表的输出模拟量是其相邻的2倍，这样就组成二进制数字量到模拟量的转换器。

D／A转换特性：

不同的DAC芯片有着不同的特点和指标。从接口的角度考虑DAC有以下特点。

≯ 输入数据位数。经常用的DAC芯片有8位、10位、12位、14位，在与CPU接

口时，将分为8位和大于8位的DAC两种情况考虑。

≯ 接口电平。由于CPU的接口电平与74系列的逻辑电路的电平均为TTL电平，因

此应用DAC芯片时，应选用TTL接口电平的芯片。

≯ 输出电压范围。DAC的输出有电流输出和电压输出之分，对于电流输出的DAC，

需要外加电流一电压转换电路(运算放大器)，这时电压的输出范围不仅与DAC的

Vref有关，也与电流-电压转换器有关。输出电压范围为O～5V、0～10V、+5V、

±10V等。

≯ 输出电压极性。输出电压极性有单极性和双极性之分，如O～5V、0～10V为单性输出，±5V、±10V为双极性输出。

D／A转换芯片的主要性能指标如下。

≯ 分辨率。表征D／A转换器对微小输入量的敏感程度，通常用数字量的数位表示，

如8位、12位、14位等。分辨率为10位的D／A转换器，表示它可以对满量程

的1／1024的增量做出反应。

≯ 相对精度。在满刻度已校准的前提下，在整个刻度范围内，对于任一数码的模拟

量输出与它的理论值之差。通常用偏差几个ISB来表示和该偏差相对满刻度的百

分比表示。

≯ 转换时间。数字变化量是满刻度时，达到终值±LSB／2所需要的时间，通常为

几十纳秒至几微秒。

≯ 非线性误差。通常给出在一定温度下的最大非线性度，一般为O.l％～0.03％。本

实验系统选用了DAC0832转换芯片。DAC0832是属于DAC0830系列的，是8

位CMOS D／A转换器，广泛地应用于单片机控制系统中，其结构原理图如图

11-30所示。