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智能手機(jī)復(fù)雜觸摸屏接口設(shè)計(jì)指南

發(fā)布時(shí)間:2011-02-22 來源:電子技術(shù)應(yīng)用

中心議題:
  • 智能手機(jī)低功耗觸摸屏接口設(shè)計(jì)
解決方案:
  • 采用Altera MAX IIZ CPLD解決方案
  • 采用ADI的AD7142 CDC解決方案

支持網(wǎng)絡(luò)的多媒體智能電話改變了消費(fèi)者使用手機(jī)的方式。在這些電話中,特別受歡迎的是液晶觸摸屏接口,用戶通過它來使用各種應(yīng)用程序,或者用手指滾動(dòng)訪問網(wǎng)頁(yè)。如果希望在不花費(fèi)大量的時(shí)間、預(yù)算或者功耗的情況下,開發(fā)這類復(fù)雜的接口,采用零功耗Altera MAX IIZ CPLD是一個(gè)理想的選擇。

與 ASSP或者其它競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)不同,MAX IIZ CPLD的I/O非常多、使用方便、功耗低,能靈活突出產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)點(diǎn)大大簡(jiǎn)化并加速了個(gè)性化手機(jī)、便攜式媒體播放器和顯示器的開發(fā),適用于醫(yī)療、汽車和工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域。Altera基于MAX IIZ EPM240Z器件的最新多點(diǎn)觸摸屏參考設(shè)計(jì),有助于設(shè)計(jì)人員迅速將構(gòu)思變?yōu)閷?shí)際產(chǎn)品。

定制或者自行設(shè)計(jì)
任何觸摸屏方案都包括兩部分:2D觸摸傳感器和計(jì)算應(yīng)用程序,后者將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為用戶意圖。參考設(shè)計(jì)是完整的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可以進(jìn)行定制,也可以原樣使用。它提供銦錫氧化物(ITO)屏以及簡(jiǎn)單的雙面PCB用作多觸點(diǎn)導(dǎo)航板。圖1(a)所示的2D多觸點(diǎn)參考設(shè)計(jì)基于MAX IIZ EPM240Z CPLD以及ADI的AD7142 集成電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC),支持片內(nèi)環(huán)境校準(zhǔn)以及ITO屏。

參考設(shè)計(jì)有一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)解釋程序,演示并測(cè)試多觸點(diǎn)傳感器的工作。AD7142 CDC用于監(jiān)測(cè)電容變化,只有14個(gè)電容傳感器通道。在這一參考設(shè)計(jì)中,MAX IIZ CPLD擴(kuò)展了AD7142 CDC的功能,使其能夠處理兩維ITO薄膜和PCB觸摸傳感器。應(yīng)用處理器通過SPI或者I2C總線訪問AD7142的CDC寄存器文件,將MAX IIZ CPLD的SRC信號(hào)控制設(shè)置在合適的軸上。長(zhǎng)時(shí)間暫停后,觸摸屏監(jiān)測(cè)到一次觸摸時(shí),MAX IIZ CPLD會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)。

ITO或者PCB觸摸屏設(shè)計(jì)
任何觸摸屏設(shè)計(jì)都從實(shí)際的觸摸傳感器開始。雖然這個(gè)參考設(shè)計(jì)主要是針對(duì)電容ITO 觸摸屏,但也適用于一面為水平走線,另一面是垂直走線的雙面PCB。ITO 觸摸屏有兩個(gè)被絕緣體分開的透明層,14條y走線連接至AD7142 CDC輸入,16條x走線連接至MAX IIZ CPLD。MAX IIZ CPLD能夠增加更多的I/O,進(jìn)一步提高分辨率,支持更大的觸摸屏。14x16的設(shè)計(jì)可支持最高16x14cm的觸摸屏。
圖1:(a) 基于Altera MAX IIZ EPM240Z CPLD的多觸點(diǎn)觸摸屏參考設(shè)計(jì)

圖1:(b) ITO觸摸屏或者PCB觸摸板的側(cè)視圖(左)以及正視圖(右)

ITO 觸摸傳感器有兩個(gè)被絕緣體分開的互相垂直的層,上面分別是x和y走線。理想情況下,x走線在下面,y走線在上面,連接至AD7142輸入。如此布置的原因是CDC在監(jiān)視靠近手指的走線時(shí)更敏感。走線陣列較寬,間距為5至10mm。圖1(b)中左側(cè)為觸摸屏交叉部分,右側(cè)是觸摸屏。在實(shí)際的顯示觸摸屏中,走線是透明的。[page]

圖1(b)中的傳感器可實(shí)現(xiàn)計(jì)算導(dǎo)航板,從而避免了使用普通導(dǎo)航板所需要的選擇按鈕。如圖2所示,中指移動(dòng)光標(biāo),食指和無名指觸摸屏幕,指示鼠標(biāo)左鍵或者右鍵點(diǎn)擊。去掉移動(dòng)部分后,電容觸摸屏傳感器比按鍵和按鍵開關(guān)更耐用。
圖2:用手指控制無開關(guān)導(dǎo)航板

ADI的AD7142 CDC
AD7142 CDC并不是設(shè)計(jì)用作觸摸屏解碼器,而是用于測(cè)量電容以及PCB上傳感器線陣的電容變化。AD7142 CDC電氣特性比較完備,能校準(zhǔn)特定的PCB布局,然后針對(duì)14個(gè)傳感器輸入的每一輸入進(jìn)行電容測(cè)量,精度為12位。每個(gè)測(cè)量周期結(jié)束后,通過I2C或者SPI總線來訪問這些數(shù)值。AD7142 CDC在SRC信號(hào)上發(fā)送一個(gè)250kHz方波,驅(qū)動(dòng)靠近傳感器板的走線,然后測(cè)量接收到的SRC信號(hào)強(qiáng)度。由于觸摸屏電容和SRC信號(hào)接收強(qiáng)度成正比,因此AD7142 CDC探測(cè)并量化用戶手指接觸觸摸屏?xí)r的電容變化。

AD7142 CDC連續(xù)進(jìn)行14次可尋址電容測(cè)量。圖3顯示當(dāng)沒有手指接觸時(shí)基線條件下的寄存器值,下面的圖顯示了手指觸摸傳感器9時(shí)的寄存器值。AD7142 CDC非常靈敏,應(yīng)用處理器利用這一詳細(xì)的電容矢量值,確定手指位于9.3傳感器位置,即在傳感器9和10之間。AD7142 CDC精度達(dá)到12位,因此,只需要14個(gè)傳感器就可以精確測(cè)量手指的位置。
圖3:線性AD7142 CDC采樣示意圖

AD7142 CDC文檔詳細(xì)介紹了工作過程和校準(zhǔn)功能。

MAX IIZ CPLD將線性傳感器轉(zhuǎn)換為2D傳感器
AD7142 CDC可以測(cè)量14個(gè)傳感器相對(duì)于一條SRC走線的電容。增加MAX IIZ CPLD后,可在串行接口的控制下,獲得AD7142 CDC的SRC方波信號(hào),并選擇驅(qū)動(dòng)觸摸屏的某一條垂直x走線,從而支持多條SRC走線。AD7142 CDC可以進(jìn)行相對(duì)于垂直走線軸或者本地的電容測(cè)量。MAX IIZ中大量的I/O (5x5mm封裝支持54個(gè)I/O,7x7mm封裝支持116個(gè)I/O)結(jié)合AD7142的高分辨率電容數(shù)字測(cè)量能力,使這一解決方案能夠適用于面積較大的觸摸屏和面板。

圖4為AD7142 CDC和MAX IIZ CPLD相結(jié)合后的2D電容測(cè)量結(jié)果,顯示了16條走線,即,對(duì)x軸進(jìn)行了16次劃分。左側(cè)是基線電容測(cè)量,而右側(cè)是兩個(gè)手指觸摸傳感器后的結(jié)果。圖中藍(lán)色和紅色采樣行表示哪一SRC走線被激活。
圖4:電容數(shù)字采樣2D陣列表示:基線(左)和觸摸后的結(jié)果(右)

應(yīng)用處理器通過串行接口設(shè)置MAX IIZ CPLD驅(qū)動(dòng)傳感器S1列和SRC信號(hào),讀取來自AD7142 CDC的14個(gè)電容值。然后,應(yīng)用處理器通知MAX IIZ CPLD將SRC移至下一垂直走線,進(jìn)行另一次14個(gè)電容測(cè)量,不斷重復(fù),直至應(yīng)用處理器獲得了觸摸傳感器2D區(qū)域內(nèi)所有244個(gè)(14x16)電容測(cè)量值。使用I2C總線,采集所有數(shù)據(jù)的時(shí)間大約為375 ms,而使用SPI總線的時(shí)間為300ms。(降低CDC采樣分辨率可以減少采樣周期)。然后,應(yīng)用處理器處理原始數(shù)據(jù),確定用戶意圖。

降低功耗,節(jié)省時(shí)間,減少處理
MAX IIZ CPLD和AD7142 CDC觸摸屏解碼參考設(shè)計(jì)的功效非常高,正常全速工作和正常分辨率下一般只需要1.5mA電流。它還支持三種其它功效級(jí)別。在第一低功耗級(jí)中,應(yīng)用處理器降低采樣率,只采集一部分水平和垂直走線,或者使用精確的AD7142 CDC來確定走線之間的觸摸點(diǎn)。在更低的功耗級(jí)中,需要用戶觸摸屏幕中心來喚醒器件,這要求應(yīng)用處理器只采樣一條水平走線和一條垂直走線。

最低功耗級(jí)可以將應(yīng)用處理器和AD7142 CDC置于關(guān)斷模式。采用外部32kHz時(shí)鐘以及每秒一次的采樣率,典型的MAX IIZ CPLD待機(jī)電流只有50μA。當(dāng)MAX IIZ CPLD的高功效電容探測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到屏幕被觸摸時(shí),它通過中斷信號(hào)喚醒處理器。處理器被喚醒后,系統(tǒng)以更高的精度來讀取觸摸位置。

本文小結(jié)
單點(diǎn)觸摸屏和面板不再是實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)接口的最新手段,而被認(rèn)為是必備功能。單點(diǎn)觸摸屏方案已經(jīng)廣泛應(yīng)用,因此為使產(chǎn)品得到消費(fèi)者的青睞,需要采用兩點(diǎn)或者多點(diǎn)觸摸屏?,F(xiàn)在應(yīng)用的多觸點(diǎn)解決方案還不多,Altera MAX IIZ CPLD 利用現(xiàn)有元件實(shí)現(xiàn)了靈活的多觸點(diǎn)用戶接口。


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