0 引言
觸摸屏是電子產品中常用的一種輸入設備，通常與液晶屏搭配使用，用來取代傳統的鍵盤輸入，廣泛應用于電子產品與工業控制中。觸摸屏通常附著在液晶顯示屏表面，通過微處理器對觸摸屏的控制，實現觸摸屏對液晶屏圖像界面的直接操作。電阻式觸摸屏由于成本低，無專利技術的原因，是嵌入式設備應用最為廣泛的一種觸摸屏。本文提出一種電阻式觸摸屏控制器的設計方法，為業界主流低端手機基帶芯片MTK6223D提供觸摸屏控制的功能擴展；同時針對電阻式觸摸屏x，y方向總電阻測量的問題，提出一種自適應的觸摸屏x，y向電阻測量方法，既提高壓力電阻的計算精度，又可避免人工測量電阻式觸摸屏的電阻參數，有效節約手機開發成本和生產時間。
1 電阻式觸摸屏結構
電阻式觸摸屏根據引出信號線的數量，可以劃分為4線、5線、6線、7線、8線等類型，其中以4線電阻式觸摸屏最為常見，結構最為典型。本文討論的電阻式觸摸屏，均指四線結構電阻式觸摸屏。
1．1 基本結構
電阻式觸摸屏在玻璃或丙烯酸基板上覆蓋有兩層透平、均勻導電的ITO層，分別作為X電極和Y電極，它們之間由均勻排列的透明格點分開絕緣。其中下層的ITO與玻璃基板附著，上層的ITO附著在PET薄膜上。X電極和Y電極的正負端由“導電條”分別從兩端引出，且X電極和Y電極導電條的位置相互垂直。引出端X-，X+，Y-，Y+一共4條線，這也是4線電阻式觸摸屏名稱的由來。當有物體接觸觸摸屏表面并施以一定的壓力時，上層的ITO導電層發生形變與下層ITO發生接觸，進而2個導電層間在該位置的電壓和電阻發生變化。控制器檢測電壓變化后，在x和y 2個方向上產生信號，讀取觸點位置在x，y方向上的電壓值后，同該x，y方向上的參考電壓進行比較，計算出觸點的坐標。這是電阻式觸摸屏的基本工作原理。
1．2 坐標的估算
計算電阻式觸摸屏觸點的x，y坐標分為如下兩步(見圖1)：
(1)計算y坐標，在Y+電極施加驅動電壓Vref，Y-電極接地，X+作為引出端測量得到接觸點的電壓，由于ITO層均勻導電，觸點電壓與Vref電壓之比等于觸點y坐標與屏高度之比。
(2)計算x坐標，在X+電極施加驅動電壓Vref，X-電極接地，Y+作為引出端測量得到接觸點的電壓，由于ITO層均勻導電，觸點電壓與Vref電壓之比等于觸點x坐標與屏寬度之比。測得的電壓通常由ADC轉化為數字信號，再進行簡單處理就可以作為坐標值，判斷觸點的實際位置。
2 觸摸屏控制器的設計
本文采用的觸摸屏控制系統由基帶芯片MFK6223D、觸摸屏控制器和觸摸屏3部分組成，如圖2所示。MTK6223D是聯發科技(MTK)的一款低端GPRS／GSM基帶芯片，該芯片將ARM7控制模塊、DSP模塊、射頻模塊和電源管理等集成到一起，采用Nucleus Plus操作系統，是目前業界一款主流的低端手機基帶芯片。但是MTK6223D沒有提供對觸摸屏的支持，為進一步強化手機的功能，MTK6223D需要搭配觸摸屏控制器芯片，實現功能更為強大的手機設計。本文提出的觸摸屏控制器主要實現對觸摸屏信號的模／數轉換，坐標值計算，壓力電阻阻值計算和抬筆落筆中斷判斷4項功能，并通過AMBA總線向手機基帶芯片上傳數據。
2．1 觸摸屏控制器
觸摸屏控制器分為模擬信號處理和數字控制電路2個部分，如圖3所示。模擬信號處理部分負責模／數轉換、測量x，y方向坐標與量化等工作。數字控制電路負責控制測量流程和計算壓力電阻阻值等功能，同時數字控制電路也要向基帶芯片提供中斷報告和總線訪問機制。
2．1．1 模擬信號處理
模擬信號處理如圖4所示。
模／數轉換部分的主要工作是將觸摸屏傳來的模擬信號量化成數字信號，同時將向數字控制部分提供相應接口。SP5368觸摸屏控制器使用逐次逼近模數信號轉換器(SAR ADC)，將模擬信號轉化為8位的數字信號，共有256個量化級別，基本滿足分辨率在320×240以下觸摸屏的測量精度。
模擬信號的測量分為差分測量和單端測量兩種模式，如圖5所示。差分模式的測量精度較高，但是功耗較高。單端模式的功耗較小，但是測量精度較低，同時存在部分碼值多余的現象。在實際應用場合，應視需求的不同，選擇合適的測量方式。
2．1．2 數字控制電路
數字控制電路主要的功能有2項，一個是控制驅動電路，完成對觸摸屏觸點坐標和壓力電阻的采集，另一個是計算觸點壓力值，向上位機(上層系統)提供抬筆和落筆兩種類型的中斷。其數字電路的示意圖如圖6所示。
2．2 壓力電阻阻值的計算與分析
觸摸屏控制器除了向操作系統提供觸點x，y方向坐標外，另一項功能是向系統報告抬筆中斷和落筆中斷。在電阻式觸摸屏結構中，觸摸屏的抬筆中斷或落筆中斷，是通過判斷壓力電阻阻值的變化產生的。
壓力值反映了觸摸屏2層導電薄膜之間電阻值RTouch的變化，壓力越大，RTouch就越小，壓力越小，RTouch就越大。計算壓力值，實際上就是計算觸點位置的RTouch。通過對觸點壓力的計算，系統可以判斷擠壓動作是抬筆動作還是落筆動作。電阻式觸摸屏壓力計算的基本原理分三步，如圖7所示。
(1)X-接地，X+接電源，Y+接ADC得到觸點的X坐標；
(2)X-接地，Y+接電源，X+接ADC得到Z1點的位置Z1；
(3)X-接地，Y+接電源，Y-接ADC得到Z2點的位置Z2。
然后，結合xy方向的總電阻值就可以求出：
計算出壓力電阻RTouch后，需要同閾值電阻RTup，RTdown(RTdown
由于市場上觸摸屏品牌眾多，各廠家的觸摸屏參數存在差異，所以觸摸屏x，y方向總電阻RREF會隨著觸摸屏型號的不同發生變動。對于同一型號觸摸屏，由于制作工藝的問題，RREF也會出現上下浮動。在觸摸屏的壓力電阻計算中，RREF是一項主要的計算參數，因此在實際的電子產品開發中，針對不同觸摸屏，測量并修正觸摸屏x，y方向的總電阻RREF是一項十分重要的工作。但是在產品成型之前，如果對每一個觸摸屏個體進行單獨的RREF測量和記錄是一項耗時并且浪費成本的工作。目前業界通用的做法是每種型號的觸摸屏采用統一的參數，并不對每個觸摸屏進行單獨的測量。
針對上述問題，為了更加精確地計算壓力電阻，筆者提出了一種計算電阻式觸摸屏RRE的方法。該方法只需要對已封裝在產品中的觸摸屏進行簡單的點擊測試，然后結合軟件算法，即可計算出觸摸屏的RREF。另外，由于該方法和觸摸屏校正采用的點擊方式非常相似，因此該測量過程可以和觸摸屏校正同步完成。所以，該方法可以在沒有消耗時間和成本的前提下，完成對觸摸屏個體的RREF計算與修正，同時具備較好的測量精度。為便于討論，下面僅討論x方向RREF的測算，y方向同理。其基本步驟如下：
(1)在差分模式下，點擊觸摸屏任意一條對角線方向的2個頂角A和B，獲取觸摸屏有效面積內x方向上電壓量化值Xmin_d，Xmax_d(量化值為1～256的區間)。在差分模式下，觸點電壓量化值是觸點處電阻同觸摸屏總電阻的量化值比值，如圖8所示可得到以下關系。
(2)點擊觸摸屏任意一條對角線方向的2個頂角A和B，獲取單端模式下觸摸屏有效面積內x方向上電壓極值的量化值Xmin_s、Xmax_s(量化值為1～256的區間)。不同于差分模式，單端模式引入了A／D轉換電路中MOS場效應管開關。對于芯片廠商而言，MOS場效應管參數和其電壓參數都是已知的。故在這種情況下，觸點電壓量化值是觸點處電阻同觸摸屏總電阻與MOS管電阻之和的比值。如圖9所示可得到以下關系。
(3)由式(6)，式(7)可以得到NMOS場效應管RN與R3的關系，其中VDS是NMOS管的漏極電壓。
結合MOS場效應管的漏極電流公式，對于一個已知的數／模轉換芯片，Vss，μN，Cox，W，L，VGS和Vth均為已知參數；聯立式(9)、式(10)，可以推出通過MOS管的漏極電流為：
又因為IR=VDD且，結合式(3)，(4)，進而最終求出x方向的總電阻Rref。
3 MTK驅動層
MTK為其開發的系列基帶芯片提供定制的嵌入式操作系統，該嵌入式操作系統是基于Nucleus Plus搶占式多任務系統內核擴展而成，并通過宏定義開關對不同型號的基帶芯片提供支持。MTK定制軟件平臺的觸摸屏驅動以任務(Task)的形式存在，任務的函數人口是位于touch_pan-el_main．c中的tp_task_main函數，觸摸屏任務通過輪詢的方式監測觸摸屏的狀態信息，進而完成對不同狀態的事件響應。
MTK6223D基帶芯片自身并不支持觸摸屏功能，所以基于MTK6223D的嵌入式平臺通過宏定義開關封閉了平臺對觸摸屏相關功能的支持，但觸摸屏的相關代碼和架構仍然得到了保留。在MTK6223D搭配觸摸屏的手機設計方案中，觸摸屏功能通過外界觸摸屏控制器得到實現，觸摸屏的底層驅動是在MTK原有架構的基礎上擴展而成。MTK嵌入式操作系統將觸摸屏的狀態信息保存在TouchPanelDataStruct結構體中。當嵌入式系統收到來自觸摸屏控制器的中斷時，中斷函數完成對Touch_Panel_PenState_enum中state變量的更新，然后tp_task_main函數通過對state變量的判斷，確認觸摸筆屏處于UP狀態還是DOWN狀態，同時讀取觸摸屏的當前坐標。
4 結語
該文研究了電阻式觸摸屏的工作原理，提出一種和基帶芯片MTK6223D搭配使用觸摸屏控制器的設計與實現，并根據實際生產設計需求，提出一種自適應的測量觸摸屏總電阻阻值的方法。該測量方法通過軟件和觸摸屏硬件控制器配合完成，并可與觸摸屏校正同步實現。該方法具有較高的測量精度，不用在產品組裝前，對觸摸屏元器件進行單獨測量，有效地節約了產品研發生產的時間和成本，對于嵌入式產品設計與開發具有較為實際的意義。