手持系統是一種當前頗為流行的便攜設備，其具有體積小巧，功能強大，操作簡便等特點。常見的手持系統如PDA掌上電腦就是一種高級的設備，現在的手持系統已經成為眾多大公司追逐的新寵，未來的前景更是被廣泛看好。隨著科技發展，人們生活水平日益提高，新型的掌上手持系統越來越受到廣大消費者的喜愛。原來的手持設備多以鍵盤作為輸入設備，這樣限制了設備本身的體積大小與便攜性。如今大多手持設備已經采用LCD 液晶屏作為顯示屏，用觸摸屏代替原來的鍵盤， 使在功能不變的情況下操作更簡便。基于AT91X40 系列微控制器的手持系統，突出體現了電子產品的性價比較高的優勢。目前，AT91X40 系列微控制器應用廣泛，材料易于購買， 與速度較高的其他芯片相比價格也相對低廉，適用于大眾化的中低端產品。手持系統的顯示和輸入設備，采用了現在流行的觸摸屏。觸摸屏技術發展速度快，前景廣闊，目前已經得到廣泛應用，具有極大的研究價值。這個系統中，選用了ADS7843 和SED1335 兩種主流觸摸和LCD 顯示芯片。整個硬件的選擇突出了主流性、先進性，保證研究成果擁有一定實際價值。
1 系統的核心控制芯片
AT91X40 系列微控制器集成了ARM7TDMI 核、嵌入式ICE 接口、存儲器以及外圍部件。系列結構有兩條主要總線：
先進系統總線ASB （Advanced System Bus） 和先進外圍總線APB（Advanced Peripheral Bus）。ARM7TDMI 通過ASB 接口實現與片內32 位存儲器、外部總線接口EBI 以及AMBA 橋的互連。AMBA 橋用來驅動APB；APB 用來訪問片內外圍，優化系統功耗。AT91X40 系列方框圖如圖1 所示。
圖1 AT91X40 系列方框圖
1.1 存儲器
AT91X40 系列微控制器有多達256 kB 的片內SRAM 和128 kB 的片內ROM。內部存儲器通過32 位數據總線與ARM核連接，具有單周期訪問的特性。當使用ARM 指令集時可以達到0.9 MIPS/MHz 的性能，系統功耗最小，性能優于使用分開存儲器的方案。該系列產品具有外部總線接口EBI。通過它，ARM 核可以與外部存儲器及專用外設相連接[2]。EBI 支持8 位和16 位器件， 并可以用兩個8 位器件來仿真一個16 位器件。EBI 還實現了早讀協議，使用戶可以獲得比標準讀協議更快的存儲器訪問速度。
1.2 片內外圍
AT91X40 系列產品集成有片內外圍，分為系統外圍和用戶外圍。ARM 核可以通過AMBA 橋以32 位的總線寬度訪問，用最少的指令編程所有的片內外圍。外圍寄存器集包括控制寄存器、模式寄存器、數據寄存器、狀態寄存器以及使能/禁止/狀態寄存器。片內外圍數據控制器PDC （PeripheralData Controller） 用來在USART 和片內/外存儲器之間傳送數據而無需處理器的干預。最重要的是，PDC 省去了處理器中斷處理的開銷，使得系統無需重新編程起始地址就可以連續傳送多達64 kB 的數據，從而提高了微控制器的性能，降低了功耗。
2 觸摸屏的結構及功能特性
2.1 觸摸屏的結構
典型觸摸屏的工作部分一般由3 部分組成， 如圖2 所示：兩層透明的阻性導體層、兩層導體之間的隔離層、電極。
阻性導體層選用阻性材料，如銦錫氧化物（ITO）涂在襯底上構成，上層襯底用塑料，下層襯底用玻璃。隔離層為粘性絕緣液體材料，如聚脂薄膜。電極選用導電性能極好的材料（如銀粉墨）構成，其導電性能大約為ITO 的1 000 倍。
圖2 觸摸屏結構
2.2 觸摸控制芯片ADS7843 的功能特性
ADS7843 是4 線電阻觸摸屏轉換接口芯片。它是一款具有同步串行接口的12 位取樣模數轉換器。在125 kHz 吞吐速率和2.7 V 電壓下的功耗為750 μW，而在關閉模式下的功耗僅為0.5 μW。因此，ADS7843 以其低功耗和高速率等特性，被廣泛應用在采用電池供電的小型手持設備上。ADS7843 采用SSOP-16 引腳封裝形式，溫度范圍是-40～+85 ℃。ADS7843具有兩個輔助輸入（IN3、IN4），可設為8 位或12 位模式。其外部連接電路如圖3 所示， 該電路的工作電壓Vcc 在2.7～5.25 V 之間，基準電壓介于1 V～+Vcc。該電路基準電壓確定了轉換器輸入范圍，輸出數據中每個數字位代表的模擬電壓等于基準電壓除以4 096。平均基準輸入電流由ADS7843 轉換率來確定。
圖3 ADS7843 外部連接電路
3 液晶顯示芯片SED1335 的結構和特點
液晶顯示器簡稱LCD， 由于液晶顯示器具有低損耗、低價格、壽命長、接口方便等優點，被廣泛應用于手機、照相機、計算機、智能儀器儀表等產品上。主要有兩種液晶顯示控制器。一種是將控制器集成在CPU 中，制成帶液晶顯示控制器的專用CPU。這種控制器的CPU 功能強大，外電路簡單，一般只適用于小規模LCD 模塊。另一種是專用控制器芯片。這種芯片具有較強的指令功能，與CPU 接口簡單，便于控制，驅動能力可達640 ×256 點陣。本系統液晶顯示控制芯片SED1335 具有功能較強的I/O 緩沖器和豐富的指令系統，可以并行傳送4 位數據，最大驅動能力達640×256 點陣，而且能夠實現圖形和文本格式混合顯示。它的結構包括接口部分、管理控制部分和LCD 顯示驅動部分。其電路原理如圖4所示。
圖4 電路原理圖
3.1 接口部分
SED1335 接口部分由指令輸入緩沖器、數據輸入緩沖器、數據輸出緩沖器和標志寄存器組成。常用接口引腳功能如表1 所示。這些緩沖器通道的選擇由引腳A0 和讀/寫操作信號聯合控制。“忙”標志寄存器是一位只讀寄存器。僅有一位“忙”標志位BF。當BF=1 時，表示SED1335 正向液晶顯示模塊傳送有效顯示數據。在傳送完一行有效顯示數據起到下一行傳送開始之前的間歇內BF=0。當大屏上大量顯示數據修改時，若BF=0，傳送不影響大屏的顯示效果。
表1 SED1335 常用引腳功能
SED1335 接口部分帶有功能較強的I/O 緩沖器， 可隨時準備接收MPU 的訪問，并按內部時序，及時把MPU 發來的指令和數據傳輸就位。SED1335 在接口部分設置了適配8080系列和M6800 系列MPU 的兩種操作時序電路， 通過設置引腳電平來選擇操作時序。
3.2 控制部分
SED1335 的控制部分由振蕩器、功能邏輯電路、顯示RAM 管理電路、字符庫管理電路以及產生驅動時序的時序發生器等組成。振蕩器的工作頻率范圍為1 ～10 MHz。
SED1335 能在很高的工作頻率下迅速地編譯MPU 發來的指令代碼。將參數置入相應寄存器內，并觸發相應的邏輯功能電路。顯示RAM 管理電路用以管理64 k 顯示RAM 及內藏的字符發生器CGRAM 或EXCGROM。
1）文本顯示特性具有文本顯示特性的顯示RAM 區用于文本顯示，在該顯示RAM 區中，每個字節的數據都是字符代碼。SED1335 利用這些字符代碼來確定字符庫中字符的首地址，然后將相應數據傳送到液晶顯示模塊上，在液晶屏上以8×8 點陣塊顯示該字符。SED1335 中專門有一組寄存器來管理這兩種特性的顯示區， 使其既可以單獨顯示一個特性，也可按某種邏輯關系顯示兩個特性。顯示方式的設置可以通過軟件指令來完成。
2）圖形顯示特性具有圖形顯示特性的顯示RAM 區用于圖形顯示。在該顯示RAM 區中，每一個字節的數據都直接送到液晶顯示模塊上，每一位的電平決定上一個點的顯示狀態。“1”為顯示，“0”為不顯示。所以，圖形顯示RAM 的一個字節對應顯示屏上的8×1 點陣。SED1335 中專門有一組寄存器來管理這兩種特性的顯示區， 使其既可以單獨顯示一個特性，也可按某種邏輯關系顯示兩個特性。顯示方式的設置可以通過軟件指令來完成。
3）字符發生器CGROM SED1335 管理內藏字符發生器CGROM， 在字符發生器內固化了160 種5×7 點陣字符的字模。SED1335 還有外擴字符發生器，需要外擴字符發生器時，既可以用RAM 區開辟的CGRAM，也可以用EPROM 固化字庫來實現。由SED1335 僅能處理8 位的字符代碼，所以一次最多只能顯示及建立156 種字符。在SED1335 的字符表中給出了內部字符發生器的全部內容。同時也給出了外擴字符發生器的字符代碼范圍：80H-9FH 和E0H-FFH 共64 種。
4 系統功能的實現要點及程序流程
在調試核心控制芯片AT91X40 系列微控制器時， 根據觸摸屏的參數要求，要設置了一些基本參數。例如：系統時鐘、中斷類型、I/O 口選用方式。因為沒有大功率的外部設備需要驅動，把各個管腳統一設置為漏極模式。因為只用到了0中斷這個特殊功能，所以把其他功能關閉。SED1335 的設置很繁瑣，關鍵之處在于初始化的設置，把握住幾個關鍵性參數的設置即可，比如：屏幕顯示大小、顯示頻率、開關屏指令。
觸摸功能的實現在于坐標采集的正確，以及中斷服務程序的編寫。如果單純考慮控制芯片對中斷的響應，而加大延遲，勢必造成程序運行不流暢甚至死機的后果。可是不加大延遲，就要通過長時間的觸摸一點來達到系統對中斷的充分響應，這樣一來會使觸摸按鍵顯得過于遲鈍。在觸摸點坐標采集的問題上，現在有幾種理論思想。第一種，多次測量觸摸點坐標取平均值，這樣采集到的坐標點很精確，但是耗時較多；第二種，通過查表的方式來確定坐標點。其原理大概是，事先編好一個坐標的數據表，當觸摸點在一個區域內時，根據查表的結果判定觸摸的位置。這種方法適用于觸摸固定位置的屏，因為要事先編數據表，所以靈活性稍差。這里采用了第二種方法，但是根據實際情況適當地進行了簡化。具體的程序流程圖如圖5 所示。主要包括：AT91X40 系列控制芯片的初始化設置，ADS7843 的初始化設置，SED1335 的初始化設置，圖形顯示，清屏功能。
圖5 程序流程圖
5 結束語
基于AT91X40 系列的手持式觸摸屏，具有體積小巧，功能強大，操作簡便等特點。手持式觸摸屏的顯示和輸入設備，采用了現在流行的觸摸屏。觸摸屏技術發展速度快，前景廣闊，目前已經得到廣泛應用，具有極大的研究價值。這個系統中，選用了ADS7843 和SED1335 兩種主流觸摸和LCD 顯示芯片。整個硬件的選擇突出了主流性、先進性，保證研究成果擁有一定實際價值。