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触摸屏嵌入式系统ADS7846
Abstract
Withthegrowingofmultimediainformationquery,moreandmorepeopletalkedabouttouchscreen,becausetouchscreenasakindofthelatestcomputerinputdevice,itiscurrentlythemostsimple,convenientandnaturalandareapplicabletothesituationofmultimediainformationinputdevice,touchscreenwithdurableandreactionspeed,saveaspace,easycommunicationandmanyotheradvantages.Usingthistechnique,ourusersaslongasfingerslightlyreferstotouchonthecomputerscreenoperatorsortextcanfigurerealizetohostoperationsothatthehuman-computerinteractionmorestraightforward,andthetechnologygreatlyconvenientthatdon'
tunderstandcomputerusers.Thiskindofman-machineinteractiveway.Itgivesthemultimediawithabrandnewlook,isintriguingnewmultimediainteractivedevices.Touchscreenapplicationinourcountryrangeisverywide,basicallyhavepublicinformationquery,suchastelecommunicationbureau,taxbureau,bank,electricpowerindustriesbusinessquery;
Thecitystreetsandinformationquery;
Alsocanbewidelyappliedinleadershipoffice,industrialcontrol,militarycommand,electronicgames,thesongorder,themultimediateaching,realestateetc,inthefuture,touchscreenbookingwillwalkintofamily.Withcitytowardsinformationaldevelopmentandcomputernetworkindailylife,informationquerywillpenetratewithtouchscreen-showedtheformofcontentmaytouch.ThisarticleprovidessomebasedontherelatedtechnicalknowledgetouchscreenandIhopethecontentofthemassesofuserscanhaveuse.
KEYWORDSTouchScreenEmbeddedSystemsADS7846
目录
第一章绪言1
第二章触摸屏的主要类型及其基本原理2
第一节电阻式触摸屏2
第二节电容式触摸屏3
第三节红外线式触摸屏4
第四节表面声波触摸屏5
第三章触摸屏三个基本技术特性6
第四章触摸屏的控制实现7
第一节触摸屏控制电路的硬件结构7
第二节Nucleus下ADS7846的驱动设计8
第五章触摸产品技术展望9
结束语11
参考文献13
第一章绪言
随着多媒体信息查询的与日俱增,人们越来越多地谈到触摸屏,因为触摸屏作为一种最新的电脑输入设备,它是目前最简单、方便、自然的而且又适用于中国多媒体信息查询国情的输入设备，触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。
触摸屏作为一种新型的人机界面，从一出现就受到关注。
它的简单易用，强大的功能及优异的稳定性使它非常适合于工业环境，甚至可以用于日常生活之中，应用非常广泛，比如：
自动化停车设备、自动洗衣机、天车升降控制、生产线监控等，甚至可以用于智能大厦管理、会议室声光控制、温度调整……
利用这种技术，我们用户只要用手指轻轻地指碰计算机显示器上的图符或文字就能实现对主机操作，从而使人机交互更为直截了当，这种技术极大方便了那些不懂电脑操作的用户。
此外，还可以广泛应用于领导办公、工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售等，将来，触摸屏还要走入家庭。
随着城市向信息化方向发展和电脑网络在日常生活中的渗透，信息查询都会以触摸屏屏--显示内容可触摸的形式出现。
触控技术可以将这些应用改进为采用几项现有触控技术之一的计算机。
触摸屏是用户和计算机之间实现互动的最简单、最直接的方式。
尽管触摸屏技术相对较新（有两家大型触摸屏制造商声称在70年代开始运营），但是用户和触摸屏交互的基本方式已非常久远：
你的手会伸向你想要的东西。
这几乎是所有儿童和成人的本能。
各行各业的公司都已成功地将触摸屏的效用发挥到各自的应用中。
航空公司使用它来模拟机舱、训练飞行员驾驶飞机；
房地产公司通过它使购房者能够在弹指之间观看商品房的全彩图像；
贺卡公司使用它来让客户创建自己的个性化卡片；
餐馆饭店使用它来简化店内的POS终端；
医科学校使用它来教导护士学员如何应对危机状况。
触摸屏的这5个基本种类是：
电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏,表面声波技术触摸屏、红外线扫描技术触摸屏、矢量压力传感技术触摸屏。
这是从技术原理上对触摸屏的分类，矢量压力传感技术触摸屏己退出历史舞台；
电容触摸屏曾在国内风行过一段时间，但由于技术原理上难以解决漂移的问题，在国内也曾遇到了销售困难。
每一类触摸屏都有其各自的优缺点，而用户也知道不可能所有的应用场合都是某一类触摸屏最适合。
要想挑选最适合的，关键就要了解每一类触摸屏技术的工作原理和特点。
第二章触摸屏的主要类型及其基本原理
从技术原理来区别触摸屏，可分为五个基本种类：
矢量压力传感技术触摸屏、电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波技术触摸屏。
其中矢量压力传感技术触摸屏已退出历史舞台。
触摸屏红外线价格低廉，但其外框易碎，容易产生光干扰，曲面情况下失真；
电容触摸屏设计理论好，但其图象失真问题很难得到根本解决；
电阻屏的定位准确，但其价格颇高，且怕刮易损。
表面声波触摸屏解决了以往触摸屏的各种缺陷，清晰抗暴，适于各种场合，缺憾的是触摸屏表面的水滴、尘土会使触摸屏变的迟钝，甚至不工作。
按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，我们把触摸屏分为四种，它们分别为电阻式、红外线式、电容感应式以及表面声波式，下面就对上述的各种类型的触摸屏进行简要介绍。
第一节电阻式触摸屏
电阻触摸屏的屏体部分是一块与显示器表面非常配合的多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导电层（OTI，氧化铟），上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的内表面也涂有一层OTI，在两层导电层之间有许多细小（小于千分之一英寸）的透明隔离点把它们隔开绝缘。
当手指接触屏幕，两层OTI导电层出现一个接触点，因其中一面导电层接通Y轴方向的5V均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，进行A/D转换，并将得到的电压值与5V相比，即可得触摸点的Y轴坐标，同理得出X轴的坐标，这就是电阻技术触摸屏共同的最基本原理。
电阻屏根据引出线数多少，分为四线、五线等多线电阻触摸屏。
五线电阻触摸屏的A面是导电玻璃而不是导电涂覆层，导电玻璃的工艺使其的寿命得到极大的提高，并且可以提高透光率。
电阻式触摸屏的OTI涂层比较薄且容易脆断，涂得太厚又会降低透光且形成内反射降低清晰度，OTI外虽多加了一层薄塑料保护层，但依然容易被锐利物件所破坏；
且由于经常被触动，表层OTI使用一定时间后会出现细小裂纹，甚至变型，如其中一点的外层OTI受破坏而断裂，便失去作为导电体的作用，触摸屏的寿命并不长久。
但电阻式触摸屏不受尘埃、水、污物影响。
图2-1电阻式触摸屏
这种触摸屏利用压力感应进行控制。
它用两层高透明的导电层组成触摸屏，两层之间距离仅为2.5微米。
当手指按在触摸屏上时，该处两层导电层接触，电阻发生变化，在X和Y两个方向上产生信号，然后送触摸屏控制器。
这种触摸屏能在恶劣环境下工作，但手感和透光性较差，适合配带手套和不能用手直接触控的场合。
电阻类触摸屏的关键在于材料科技，常用的透明导电涂层材料有：
A、ITO，氧化铟，弱导电体，特性是当厚度降到1800个埃（埃＝10-10米）以下时会突然变得透明，透光率为80％，再薄下去透光率反而下降，到300埃厚度时又上升到80％。
ITO是所有电阻技术触摸屏及电容技术触摸屏都用到的主要材料，实际上电阻和电容技术触摸屏的工作面就是ITO涂层。
B、镍金涂层，五线电阻触摸屏的外层导电层使用的是延展性好的镍金涂层材料，外导电层由于频繁触摸，使用延展性好的镍金材料目的是为了延长使用寿命，但是工艺成本较为高昂。
镍金导电层虽然延展性好，但是只能作透明导体，不适合作为电阻触摸屏的工作面，因为它导电率高，而且金属不易做到厚度非常均匀，不宜作电压分布层，只能作为探层。
第二节电容式触摸屏
电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，双玻璃设计能彻底保护导体层及感应器。
电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形成一个低电压交流电场。
用户触摸屏幕时，由于人体电场，手指与导体层间会形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏幕后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。
电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及感应器，更有效地防止外在环境因素对触摸屏造成影响，就算屏幕沾有污秽、尘埃或油渍，电容式触摸屏依然能准确算出触摸位置。
图2-2电容式触摸屏
电容式触摸屏是在玻璃表面贴上一层透明的特殊金属导电物质。
当手指触摸在金属层上时，触点的电容就会发生变化，使得与之相连的振荡器频率发生变化，通过测量频率变化可以确定触摸位置获得信息。
由于电容随温度、湿度或接地情况的不同而变化，故其稳定性较差，往往会产生漂移现象。
该种触摸屏适用于系统开发的调试阶段。
第三节红外线式触摸屏
该触摸屏由装在触摸屏外框上的红外线发射与接收感测元件构成，在屏摸屏表面上，形成红外线探测网，任何触摸物体可改变触点上的红外线而实现触摸屏操作。
红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适宜某些恶劣的环境条件。
其主要优点是价格低廉、安装方便、不需要卡或其它任何控制器，可以用在各档次的计算机上。
此外，由于没有电容充放电过程，响应速度比电容式快，但分辨率较低。
图2-3红外线式触摸屏
红外线触摸屏原理很简单，只是在显示器上加上光点距架框，无需在屏幕表面加上涂层或接驳控制器。
光点距架框的四边排列了红外线发射管及接收管，在屏幕表面形成一个红外线网。
用户以手指触摸屏幕某一点，便会挡住经过该位置的横竖两条红外线，计算机便可即时算出触摸点位置。
因为红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，所以适宜某些恶劣的环境条件。
不过，由于只是在普通屏幕增加了框架，在使用过程中架框四周的红外线发射管及接收管很容易损坏。
第四节表面声波触摸屏
表面声波是一种沿介质表面传播的机械波。
该种触摸屏由触摸屏、声波发生器、反射器和声波接受器组成，其中声波发生器能发送一种高频声波跨越屏幕表面，当手指触及屏幕时，触点上的声波即被阻止，由此确定坐标位置。
表面声波触摸屏不受温度、湿度等环境因素影响，分辨率极高，有极好的防刮性，寿命长（5000万次无故障）；
透光率高（92%），能保持清晰透亮的图像质量；
没有漂移，只需安装时一次校正；
有第三轴（即压力轴）响应，最适合公共场所使用。
表面声波触摸屏的触摸屏部分可以是一块平面、球面或是柱面的玻璃平板，安装在CRT、LED、LCD或是等离子显示器屏幕的前面。
这块玻璃平板只是一块纯粹的强化玻璃，区别于其它触摸屏技术是没有任何贴膜和覆盖层。
玻璃屏的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器，右上角则固定了两个相应的超声波接收换能器。
玻璃屏的四个周边则刻有45°
角由疏到密间隔非常精密的反射条纹。
图2-4表面声波触摸屏
第三章触摸屏三个基本技术特性
一、透明性能
触摸屏是由多层的复合薄膜构成，透明性能的好坏直接影响到触摸屏的视觉效果。
衡量触摸屏透明性能不仅要从它的视觉效果来衡量，还应该包括透明度、色彩失真度、反光性和清晰度这四个特性。
二、绝对坐标系统
我们传统的鼠标是一种相对定位系统，只和前一次鼠标的位置坐标有关。
而触摸屏则是一种绝对坐标系统，要选哪就直接点哪，与相对定位系统有着本质的区别。
绝对坐标系统的特点是每一次定位坐标与上一次定位坐标没有关系，每次触摸的数据通过校准转为屏幕上的坐标，不管在什么情况下，触摸屏这套坐标在同一点的输出数据是稳定的。
不过由于技术原理的原因，并不能保证同一点触摸每一次采样数据相同的，不能保证绝对坐标定位，点不准，这就是触摸屏最怕的问题：
漂移。
对于性能质量好的触摸屏来说，漂移的情况出现的并不是很严重。
三、检测与定位
各种触摸屏技术都是依靠传感器来工作的，甚至有的触摸屏本身就是一套传感器。
各自的定位原理和各自所用的传感器决定了触摸屏的反应速度、可靠性、稳定性和寿命。
几种常用触摸屏的特性比较表见下列汇总表3-1
表3-1触摸屏特性比较表
类别特性
红外线式
触摸屏
电阻式触
摸屏
表面声波
电容式
清晰度
一般
较好
很好
较差
透光率
100%
75%
92%
85%
分辨率
40*32
4096*4096
1024*1024
响应速度
50—300ms
10ms
15—24ms
防刮擦
好
非常好
漂移
无
有
防尘
不能挡住
透光部
不怕
寿命
红外管寿命
大于3500万次
大于5000万次
大于2000万次
价格
低
中
高
第四章触摸屏的控制实现
现在很多PDA应用中，将触摸屏作为一个输入设备，对触摸屏的控制也有专门的芯片。
很显然，触摸屏的控制芯片要完成两件事情：
其一，是完成电极电压的切换；
其二，是采集接触点处的电压值（即A/D）。
第一节触摸屏控制电路的硬件结构
触摸屏控制电路的硬件结构触摸屏控制电路主要有一下四部分组成：
进行数据处理、控制功能的MCU，一个四线电阻式触摸屏和控制芯片ADS7846,以及显示触摸点坐标的显示部分。
ADS7846是美国TI公司推出的一款四线制电阻式触摸屏控制器，通过机械式触摸，可以迅速得到触摸点位置信号。
它是一种典型的带有连续逼近型寄存器的A/D转换器，内部自带2.5V参考电压，一个和微处理器相连的SPI接口，同时具有测量温度、触摸压力和电池电压的功能，有可编程的8位或12位的分辨率。
在2.7V电压和125kHz的转换速率下，功耗仅为750uW，在powerdown模式下仅为0.5uW。
由于这些优良的性能，在移动设备中有大量的应用。
工作原理：
当ADS7846检测到触摸屏被按下时，它就会产生一个中断信号（PENIRQ为低电平）给MCU，MCU选中ADS7846控制器（CS为低），然后通过串行口DIN向ADS7846发送8位控制字，此后DOUT在DCLK的下降沿得到12位的输出。
图4-1为ADS7846的典型连接。
图4-1ADS7846的典型连接
第二节Nucleus下ADS7846的驱动设计
Nucleus是一款优秀的嵌入式实时操作系统（RTOS），具有抢占式和时间片轮转任务调度方式，主要用在时间苛刻的嵌入式应用当中。
大约95％的Nucleus用ANSIC写成，作为一个库加载到应用代码当中。
目前手机行业有很多使用Nucleus。
驱动设计的目的是将触摸坐标即时的转换为显示坐标，直接在LCD屏上显示出来，然后经过输入识别软件的处理（例如汉王的识别软件），识别出输入的字符，汉字等。
当触摸屏按下时，会产生一个中断，应当为ADS7846配置一个中断。
在Nucleus下，中断分两种，Lowlevel中断（Lisr）和Highlevel中断（Hisr），一般的中断服务程序在Hisr当中处理。
一个较为复杂的，多任务嵌入式系统当中，中断服务程序（优先级比普通任务的优先级高）不能占用太多的时间，否则可能会导致其他任务不能及时得到响应。
例如在触摸屏中断服务程序的处理，在较坏的情况下，触摸屏可能一直被按下去，其Hisr就会占用很多的资源，导致别的任务（例如一个手机应用当中，可能导致接受电话的任务不能处理，而这是不能让人接受的，不能想象当你写短信时不能接受电话的情况，）所以当中断服务程序需要占用CPU较多的处理时间时，一般要在另外激活一个任务，由任务调度机制来处理和系统中其他任务的关系，实践证明，这种处理方法是较好的处理方法。
这里不打算对怎么创建一个Lisr,Hisr和激活一个任务做太多的介绍，详细可以看Nucleus的文档。
重点介绍ADS7846的驱动程序的处理和如何将所得数据在LCD上正确显示出来。
ADS7846在计算触摸坐标时有两种方式，singleended模式和difference模式。
Singleended模式利用ADS7846内部参考电压或者外部参考电压，得出的结果是一个电压的AD结果。
Difference不需要内部或者外部的参考电压，这种模式得出的结果是触摸点在触摸屏位置上的百分比。
这种模式可以消除参考电压波动对换算结果的影响。
第五章触摸产品技术展望
无论你是在商场购物，还是在银行存取款，触摸式的自动服务器为你提供了方便快捷的服务，这就是我们所说的触摸屏。
可在几年前，这一新东西还非常少见，在业内也没有触摸行业的说法。
经过多年来的发展，触摸屏的功能已从原先简单的查询导览发展成为集团业务查询上网于为一体的触摸查询一体机，应用领域也从最初的邮电、商场到遍布各个行业众多领域。
犹如PC从286、386发展到奔腾机一样，触摸屏经历了从低档向高档发展的历程。
从红外屏、四线电阻屏到电容屏，现在又发展到表面声波触摸屏、五线电阻触摸屏，性能越来越可靠，技术越来越先进。
而且随着各行业应用特点的不同，以前被忽视了的红外线电容屏，经过工艺改造，重新又获得了新生。
LCD平板显示技术的发展使得红外屏的优势凸显出来，金融、证券等行业用户对此青睐有嘉。
由于各种技术的触摸屏各具优缺点，而且设计的难度不同，各种屏的使用有了一定的时间先后。
以国内应用来说，最先投入使用的是日本公司红外屏，其后是电阻屏、电容屏和声波屏。
日本的MINATO公司改进红外屏的光干扰问题，将分辨率提高到977*737，国内生产的红外屏存在的问题是分辨率低，只有64*48。
另外前面也提到了，LCD应用的扩大，LCD技术和红外屏技术结合，完全满足了红外屏对平面的要求，使得红外屏重获生机。
电阻屏的缺点是透光率差，表面易损。
早期台湾PONICS公司等的四线电阻屏易损问题经改进用镀膜来解决，但分辨率低，只有1024*768，使用范围受一定影响。
美国ELO公司推出的五线电阻屏在材质上有了大改进，完全采用钢化玻璃为基体，摈弃了四线电阻屏的多层结构，使透光率大大提高，表层防暴性能也有所增强，分辨率达4096*4096，完全适合作IE浏览器等高清晰度的要求。
电容屏考虑失真的问题，也采用镀膜技术，一定程度上克服了怕刮易损的缺点。
声波屏的优点是明显的，但水滴灰尘的影响问题不解决，使用大受影响，改进的方法是加防尘条，或者在软件方面增加对污物的监控，准确识别出有效的操作和污物之间的区别。
目前国内在触摸技术发展方面主要是应用在整机技术上。
1996年，太古公司推出了拥有自主产权的触摸查询一体机KIOSK，成为国内第一家、全球第13家KIOSK制造商。
随后触摸产品厂商也纷纷推出了各自的触摸查询一体机，各自拥有造型工艺。
技术的发展也包括应用软件技术的成熟。
触摸查询离不开触摸查询软件，太古公司开发出国内第一个触摸浏览软件TouchWeb，这使得国内的触摸行业不再仅仅停留在搬箱子的角色上。
而且随着应用软件方面的进步，相继推出了公共信息查询系统和金融、邮政、城市信息港摸信息终端KIOSK应用系统等，也使得触摸产品的应用范围从简单的查询扩大到集查询业务上网于一体，行业范围从公共事业、政府到事业单位、一般企业，甚至个人的掌上电脑，都是触摸产品的天地。
综观IT信息产品的发展，离不开两个基本要素：
市场容量和价格。
价格降低会产生一定的量的提升，但如果没有实实在在的市场基础，产品的普及、技术和行业的发展都无从谈起。
触摸产品由于早期给人的印象仅是信息的查询，对行业用户来说只是可有可无的形象工程，必然影响市场容量。
目前各触摸厂商们都在改进其产品的功能，加大了业务系统的份量
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