肖靜文 程維明 劉 偉 封高歌

(上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

觸摸屏技術(shù)是嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域重要的應(yīng)用技術(shù)之一，隨著電子產(chǎn)品智能化、便捷化的發(fā)展趨勢(shì)，觸摸屏作為一種簡(jiǎn)單、直觀和快捷的人機(jī)交互設(shè)備，已逐步取代傳統(tǒng)的鍵盤(pán)及鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，不僅在日常生活中的儀器儀表應(yīng)用廣泛，而且在工業(yè)控制領(lǐng)域上更是廣泛應(yīng)用。觸摸屏一般可分為電阻式、電容式、紅外線式及表面聲波式等[1]，其中電阻觸摸屏反應(yīng)靈敏，工作穩(wěn)定，工作環(huán)境對(duì)外界隔離，被廣泛應(yīng)用于惡劣的工業(yè)環(huán)境中。觸摸屏通常組合LCD屏使用，常見(jiàn)的觸摸屏有4.3、5.7、7.0寸，常用的驅(qū)動(dòng)控制器有AD7843及AD7846等。

筆者介紹了一種硬件電路實(shí)現(xiàn)較為方便的RA8806控制器[2～4]，使用分辨率為320×240的5.1寸觸摸屏技術(shù)。針對(duì)觸摸屏與LCD屏的坐標(biāo)原點(diǎn)和坐標(biāo)方向不一致的情況，介紹了觸摸校準(zhǔn)方法和軟件實(shí)現(xiàn)方法，并在STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)上完成實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

1 RA8806觸摸屏系統(tǒng)①

RA8806是一種介于MCU和LCD驅(qū)動(dòng)器之間的控制集成芯片，內(nèi)建雙圖層、中英文字庫(kù)與繪圖模式的智能型電阻式觸控掃描控制器，該控制器有效地減輕了MCU的負(fù)擔(dān)，硬件電路實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，節(jié)省了使用者的軟、硬件開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間。基于RA8806控制器的觸摸屏屬于四線電阻式觸摸屏，其本質(zhì)是一套傳感器系統(tǒng)，這種觸摸屏由兩層導(dǎo)電層組成。當(dāng)兩層導(dǎo)電層在某點(diǎn)發(fā)生接觸時(shí)，電阻發(fā)生變化，在行和列(X和Y)兩個(gè)方向上產(chǎn)生電壓信號(hào)，然后由RA8806控制器采樣，經(jīng)過(guò)其內(nèi)置的10位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)信號(hào)送至CPU。RA8806控制器觸摸系統(tǒng)如圖1所示，RA8806接收MCU送來(lái)的指令，然后將MCU所要顯示的內(nèi)容以數(shù)據(jù)形式傳輸?shù)絃CD驅(qū)動(dòng)器(包括行驅(qū)動(dòng)和列驅(qū)動(dòng))，再經(jīng)過(guò)LCD驅(qū)動(dòng)器連接至LCD屏上顯示出所要顯示的文字或圖案。

圖1 觸摸系統(tǒng)框圖

2 觸摸校準(zhǔn)方法

使用觸摸屏的首要問(wèn)題是如何進(jìn)行坐標(biāo)定位，即如何確定觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)位置。由于加工工藝及安裝等原因，觸摸屏與LCD屏尺寸存在差異，不可能完全對(duì)準(zhǔn)，致使觸摸屏與LCD屏之間存在微小偏移量，且LCD 屏的坐標(biāo)是以像素為單位的，而從觸摸屏中讀出的是觸摸點(diǎn)的物理坐標(biāo)，即電壓數(shù)字量的大小。因此在使用時(shí)必須進(jìn)行坐標(biāo)定位，將觸摸屏的物理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)CD屏上的像素坐標(biāo)。常用的觸摸屏坐標(biāo)定位方法有最值法、三點(diǎn)法和四點(diǎn)法[5～7]。其中，四點(diǎn)定位法精度最高，但編程實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)復(fù)雜，適用于觸摸精度要求較高的產(chǎn)品，如用于手寫(xiě)識(shí)別領(lǐng)域；最值法精度相對(duì)較低，但對(duì)于一般的工業(yè)用屏，其精度要求大多不是很高，最值法可以滿(mǎn)足要求。

如果觸摸屏的坐標(biāo)原點(diǎn)與LCD屏的坐標(biāo)原點(diǎn)和坐標(biāo)方向一致，可直接采用最值法的觸點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，即：

(1)

式中H、W——LCD屏的行像素寬和列像素寬；

x、y——觸點(diǎn)在觸摸屏行、列方向上產(chǎn)生的電壓數(shù)字量大??；

(XLCD,YLCD)——觸點(diǎn)在LCD屏上的坐標(biāo)；

xmax，xmin——觸摸屏上最大和最小坐標(biāo)點(diǎn)在行方向上產(chǎn)生的電壓數(shù)字量的實(shí)際測(cè)量值；

ymax，ymin——觸摸屏上最大和最小坐標(biāo)點(diǎn)在列方向上產(chǎn)生的電壓數(shù)字量的實(shí)際測(cè)量值。

由于RA8806控制器內(nèi)建了一組10位ADC，電壓數(shù)字量滿(mǎn)量程為210，而在其實(shí)際工作過(guò)程中，該電壓數(shù)字量通常達(dá)不到0或滿(mǎn)量程，因此需通過(guò)測(cè)試得到相對(duì)值。

通常在觸摸屏的對(duì)角線上取兩個(gè)對(duì)角頂點(diǎn)，并將觸摸得到的電壓數(shù)字量轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)顯示。通過(guò)實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該5.1寸觸摸屏與LCD屏的坐標(biāo)原點(diǎn)與坐標(biāo)方向均不同(圖2)，因此不能直接套用式(1)。由于實(shí)際的坐標(biāo)值和LCD的寫(xiě)入順序是180°的關(guān)系，所以在轉(zhuǎn)換時(shí)公式做如下變換：

(2)

3 軟件設(shè)計(jì)

圖2 觸摸屏與LCD屏的坐標(biāo)系示意圖

基于RA8806控制器的5.1寸觸摸屏系統(tǒng)采用KEIL C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，完成軟件設(shè)計(jì)。在使用觸摸屏之前，首先要對(duì)程序進(jìn)行初始化操作，包括軟件重置、清屏和寄存器配置的初始化。在驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中，最重要的問(wèn)題是基本讀、寫(xiě)函數(shù)(即讀狀態(tài)、讀數(shù)據(jù)、寫(xiě)指令、寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù))的時(shí)序配合問(wèn)題，應(yīng)嚴(yán)格按照RA8806數(shù)據(jù)手冊(cè)資料編寫(xiě)，時(shí)序配合不好顯示屏將無(wú)任何顯示。在數(shù)據(jù)采樣和處理程序中，觸摸屏和LCD屏的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是關(guān)鍵問(wèn)題，為了編程方便，先通過(guò)測(cè)試得到觸摸屏上的最小和最大坐標(biāo)點(diǎn)在行、列方向上的像素坐標(biāo)值，并定義在程序開(kāi)頭，即：

#define x_tp -854 // x_tp =xmin-xmax

#define y_tp 852 // y_tp =ymin-ymax

#define x_tpm 948 //在X方向的觸摸范圍內(nèi)最大值xmax

#define y_tpm 944 //在Y方向的觸摸范圍內(nèi)最大值ymax

程序中的tpx_trans(x)，tpy_trans(y)是觸摸屏和LCD屏的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和定位函數(shù)，可根據(jù)式(2)設(shè)計(jì)，因屏幕分辨率為320×240，故將程序中W設(shè)定為320，H設(shè)定為240。以行方向的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為例(列方向的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換類(lèi)似)，其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序如下：

unsigned int tpx_trans(unsigned int x)

{

long tpx;

long temp;

temp = (((long)x)-x_tpm)*320;

tpx = temp/x_tp;

return tpx;//返回轉(zhuǎn)換后的像素坐標(biāo)值

}

觸控操作采用RA8806控制器提供的觸控功能自動(dòng)模式。當(dāng)觸摸屏被觸碰時(shí)，信號(hào)不夠穩(wěn)定，為了避免錯(cuò)誤動(dòng)作，采取連續(xù)讀3次中斷狀態(tài)、讀3次坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比的方法，最后判斷坐標(biāo)是不是在按鍵范圍內(nèi)。假設(shè)按鍵長(zhǎng)為m個(gè)像素點(diǎn)，寬為n個(gè)像素點(diǎn)，那么這個(gè)范圍對(duì)應(yīng)了觸摸屏上一個(gè)范圍的坐標(biāo)，若按鍵在此范圍內(nèi)則實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。由于RA8806控制器中的A/D轉(zhuǎn)換提供10位精度，因此在程序中X1[3],Y1[3]用來(lái)保存觸摸點(diǎn)X、Y坐標(biāo)的高8位值，X2[3]、Y2[3] 用來(lái)保存觸摸點(diǎn)X、Y坐標(biāo)的低兩位值。需要注意當(dāng)檢測(cè)到觸摸事件時(shí)，要延時(shí)一段時(shí)間等待AD轉(zhuǎn)換完成，若延時(shí)控制不好，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換出錯(cuò)，以致觸摸不準(zhǔn)確。

void Auto_tp ( )

{

unsigned char k, temp, X1[3], X2[3], Y1[3], Y2[3];

unsigned int X, Y, x_temp,y_temp;

… …

if ((X1[0]==X1[1])&&(X1[0]==X1[2]))

{

X = (((unsigned int)X1[0]&0x00ff)<<2) | ((unsigned int)X2[0]&0x0003);

//保存X坐標(biāo)10位AD值

Y = (((unsigned int)Y1[0]&0x00ff)<<2) | (((unsigned int)Y2[0]&0x000C) >> 2);

//保存Y坐標(biāo)10位AD值

x_temp = tpx_trans(X);//X坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

y_temp = tpy_trans(Y); //Y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

{

… …//判斷坐標(biāo)是否在按鍵范圍內(nèi)，在則實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能

}

}

}

另外，若要顯示多個(gè)界面，需設(shè)置頁(yè)面標(biāo)志變量Flag，通過(guò)給頁(yè)面標(biāo)志變量Flag賦不同的值顯示不同界面，以防止發(fā)生坐標(biāo)沖突事件。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

5.1寸觸摸屏系統(tǒng)在STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，首先在硬件電路中將單片機(jī)的外部中斷引腳接至RA8806的觸摸中斷信號(hào)腳，當(dāng)有觸摸動(dòng)作時(shí)，單片機(jī)就會(huì)進(jìn)入中斷處理觸摸坐標(biāo)值。另外，要注意通過(guò)可調(diào)電阻來(lái)調(diào)節(jié)顯示屏的對(duì)比度，否則即使有數(shù)據(jù)顯示，開(kāi)發(fā)人員肉眼無(wú)法看到。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到：當(dāng)顯示模塊的內(nèi)部負(fù)壓輸出(VOUT腳)在-20V左右時(shí)，顯示效果達(dá)到最佳。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明該觸摸屏反應(yīng)靈敏，工作可靠，目前已用于自動(dòng)阿貝折射儀。

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了一種智能型電阻式觸控掃描控制器RA8806，分析了基于RA8806控制器的觸摸屏系統(tǒng)工作原理，針對(duì)觸摸屏與LCD屏的坐標(biāo)原點(diǎn)和坐標(biāo)方向不一致的情況，介紹了觸摸屏的校準(zhǔn)方法和相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，并在STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)上完成測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：該5.1寸觸摸屏系統(tǒng)工作穩(wěn)定，觸摸效果良好。該基于RA8806控制器的觸摸屏系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方便，成本低廉，滿(mǎn)足日常生活和一般工控領(lǐng)域的儀器儀表需求。