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触摸屏是目前最友好的计算机用户接口界面[1],在消费电子业的应用越来越广泛[2]。触摸屏主要由两部分组成:触摸检测装置和触摸屏控制器[3]。目前主流触摸屏产品的触摸检测装置都是采用前置的方式,在触摸过程中会对检测装置的机械结构造成损坏,导致触摸屏触摸精度下降、寿命缩短;此外,常用的电容、电阻式的触摸屏的成本相对较高。本文设计了一种后置式电感式触摸屏,避免触摸过程中对触摸检测装置的损坏,延长触摸屏产品的寿命,成本也相对较低。
1 电感式触摸屏的工作原理
1.1 触摸屏整体结构
电感式触摸屏整体结构如图1所示(需要特别说明的是,电感式触摸屏要用专用的触摸笔来达到触摸输入的效果,触摸笔可以发出120~180 kHz频率范围内的信号,这里不详细介绍触摸笔的原理)。上面是LCD显示器,下面是触摸屏检测装置。触摸检测装置通过FPC(Flexible Printed Circuit board,柔性印刷电路板)与触摸屏控制器连接。由触摸屏结构图中可以看出,在利用触摸屏输入时,触摸笔不与触摸检测装置直接接触,这样避免了对触摸检测装置的机械损坏,提高了整个触摸控制系统的寿命。
图1 电感式触摸屏整体结构
1.2 触摸检测装置结构
触摸检测装置是由厚度为0.8 mm的软性PCB(Printed Circuit Board)构成,在PCB内部镶嵌着两层横(Y轴)竖(X轴)垂直交叉的导线,每一组交叉的导线之间都是绝缘的;导线的一端接地,另一端通过FPC与触摸屏控制器中模拟电子开关CD4051的输入端相连接。X、Y轴方向上的线圈数量根据显示器的尺寸来确定。触摸检测装置结构如图2所示,该触摸检测装置X轴方向由35个线圈、Y轴由30个线圈组成,适用于14英寸显示屏使用。
图2 触摸检测装置结构
1.3 触摸屏坐标的确定方法
当用户将触摸笔接近检测装置时,检测装置会感应到信号,触摸信号采用分时扫描的方式进行检测。如图2右侧是触摸点P局部放大图,假如触摸到P点时,在Xn、Xn+1和Ym、Ym+1线圈上会感应到电磁信号,使得检测端口的信号由零变为非零。首先对X轴方向进行扫描,通过模拟电子开关扫描到Xn上的信号,由CD4051公共输出引脚输出到OUT端,再把信号经放大滤波、电压整流电路后传送到MCU,由MCU完成A/D转换,得到一个电压值Vn;接着扫描到Xn+1上的信号,同样也经过放大、滤波、整流后将信号发送到MCU进行A/D转换得到一个电压值Vn+1。X轴方向上扫描完成后,再扫描Y轴,同理可以在Ym、Ym+1上检测到两个电压值Vm、Vm+1,利用检测到的4个电压值Vn、Vn+1、Vm、Vm+1可计算出触摸坐标,计算公式如下:
其中,Xn,Ym、 Xn+1,Ym+1是已知坐标,ΔVx、ΔVy为已知常数,ΔVx是触摸笔在Xn轴上时Vn与Vn+1的差值,ΔVy则是触摸笔在Ym轴上时Vm与Vm+1的差值。
从触摸屏控制器获得的X与Y值仅是当前触摸屏的坐标,它不具有实用价值,这个值不但与触摸屏分辨率有关,而且也与触摸屏和LCD的贴合状况有关[4]。LCD与触摸屏的分辨率和坐标是不一样的。因此,如果想得到体现LCD坐标的触摸屏位置,还需要在程序中进行转换,其转换公式如下:
其中,LCDWidth、LCDHeight是液晶屏的宽度与高度,XLCD_min、XLCD_max和YLCD_min、YLCD_max分别是触摸屏横纵坐标的最大/最小值。
2 触摸屏控制系统硬件设计
触摸屏控制电路整体结构如图3所示。当用触摸笔触摸LCD显示屏时,触摸检测装置对应的X、Y轴上会分别感应到一个信号,这个信号经过模拟电子开关,然后经两级放大、滤波,将得到的信号分两路处理,一路是电压整流,另一路是频率检测电路;得到的数据通过MCU HT46RB70计算,判断出触摸屏的位置及触摸的方式,再由MCU将触摸信号发送到计算机,最终实现触摸输入。整个触摸屏控制电路的时序都是由单片机控制的,其他模块的电路见后面的详细介绍。 |
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