智能手机复杂触摸屏接口设计指南

　　支持网络的多媒体智能电话改变了消费者使用手机的方式。在这些电话中，特别受欢迎的是液晶触摸屏接口，用户通过它来使用各种应用程序，或者用手指滚动访问网页。如果希望在不花费大量的时间、预算或者功耗的情况下，开发这类复杂的接口，采用零功耗Altera MAX IIZ CPLD是一个理想的选择。


　　与 ASSP或者其它竞争技术不同，MAX IIZ CPLD的I/O非常多、使用方便、功耗低，能灵活突出产品优势。这些优点大大简化并加速了个性化手机、便携式媒体播放器和显示器的开发，适用于医疗、汽车和工业等应用领域。Altera基于MAX IIZ EPM240Z器件的最新多点触摸屏参考设计，有助于设计人员迅速将构思变为实际产品。


　　定制或者自行设计


　　任何触摸屏方案都包括两部分：2D触摸传感器和计算应用程序，后者将传感器数据转换为用户意图。参考设计是完整的传感器和数据采集系统，可以进行定制，也可以原样使用。它提供铟锡氧化物(ITO)屏以及简单的双面PCB用作多触点导航板。图1(a)所示的2D多触点参考设计基于MAX IIZ EPM240Z CPLD以及ADI的AD7142 集成电容数字转换器(CDC)，支持片内环境校准以及ITO屏。


　　参考设计有一个简单的数据解释程序，演示并测试多触点传感器的工作。AD7142 CDC用于监测电容变化，只有14个电容传感器通道。在这一参考设计中，MAX IIZ CPLD扩展了AD7142 CDC的功能，使其能够处理两维ITO薄膜和PCB触摸传感器。应用处理器通过SPI或者I2C总线访问AD7142的CDC寄存器文件，将MAX IIZ CPLD的SRC信号控制设置在合适的轴上。长时间暂停后，触摸屏监测到一次触摸时，MAX IIZ CPLD会产生一个中断信号。


　　ITO或者PCB触摸屏设计


　　任何触摸屏设计都从实际的触摸传感器开始。虽然这个参考设计主要是针对电容ITO 触摸屏，但也适用于一面为水平走线，另一面是垂直走线的双面PCB。ITO 触摸屏有两个被绝缘体分开的透明层，14条y走线连接至AD7142 CDC输入，16条x走线连接至MAX IIZ CPLD。MAX IIZ CPLD能够增加更多的I/O，进一步提高分辨率，支持更大的触摸屏。14x16的设计可支持最高16x14cm的触摸屏。
　　图1：(a) 基于Altera MAX IIZ EPM240Z CPLD的多触点触摸屏参考设计;
　　图1：(b) ITO触摸屏或者PCB触摸板的侧视图(左)以及正视图(右)。


　　ITO 触摸传感器有两个被绝缘体分开的互相垂直的层，上面分别是x和y走线。理想情况下，x走线在下面，y走线在上面，连接至AD7142输入。如此布置的原因是CDC在监视靠近手指的走线时更敏感。走线阵列较宽，间距为5至10mm。图1(b)中左侧为触摸屏交叉部分，右侧是触摸屏。在实际的显示触摸屏中，走线是透明的。


　　图1(b)中的传感器可实现计算导航板，从而避免了使用普通导航板所需要的选择按钮。如图2所示，中指移动光标，食指和无名指触摸屏幕，指示鼠标左键或者右键点击。去掉移动部分后，电容触摸屏传感器比按键和按键开关更耐用。
　　图2：用手指控制无开关导航板。


　　ADI的AD7142 CDC


　　AD7142 CDC并不是设计用作触摸屏解码器，而是用于测量电容以及PCB上传感器线阵的电容变化。AD7142 CDC电气特性比较完备，能校准特定的PCB布局，然后针对14个传感器输入的每一输入进行电容测量，精度为12位。每个测量周期结束后，通过I2C或者SPI总线来访问这些数值。AD7142 CDC在SRC信号上发送一个250kHz方波，驱动靠近传感器板的走线，然后测量接收到的SRC信号强度。由于触摸屏电容和SRC信号接收强度成正比，因此AD7142 CDC探测并量化用户手指接触触摸屏时的电容变化。


　　AD7142 CDC连续进行14次可寻址电容测量。图3显示当没有手指接触时基线条件下的寄存器值，下面的图显示了手指触摸传感器9时的寄存器值。AD7142 CDC非常灵敏，应用处理器利用这一详细的电容矢量值，确定手指位于9.3传感器位置，即在传感器9和10之间。AD7142 CDC精度达到12位，因此，只需要14个传感器就可以精确测量手指的位置。
　　图3：线性AD7142 CDC采样示意图。


　　AD7142 CDC文档详细介绍了工作过程和校准功能。


　　MAX IIZ CPLD将线性传感器转换为2D传感器


　　AD7142 CDC可以测量14个传感器相对于一条SRC走线的电容。增加MAX IIZ CPLD后，可在串行接口的控制下，获得AD7142 CDC的SRC方波信号，并选择驱动触摸屏的某一条垂直x走线，从而支持多条SRC走线。AD7142 CDC可以进行相对于垂直走线轴或者本地的电容测量。MAX IIZ中大量的I/O (5x5mm封装支持54个I/O，7x7mm封装支持116个I/O)结合AD7142的高分辨率电容数字测量能力，使这一解决方案能够适用于面积较大的触摸屏和面板。


　　图4为AD7142 CDC和MAX IIZ CPLD相结合后的2D电容测量结果，显示了16条走线，即，对x轴进行了16次划分。左侧是基线电容测量，而右侧是两个手指触摸传感器后的结果。图中蓝色和红色采样行表示哪一SRC走线被激活。
　　图4：电容数字采样2D阵列表示：基线(左)和触摸后的结果(右)。


　　应用处理器通过串行接口设置MAX IIZ CPLD驱动传感器S1列和SRC信号，读取来自AD7142 CDC的14个电容值。然后，应用处理器通知MAX IIZ CPLD将SRC移至下一垂直走线，进行另一次14个电容测量，不断重复，直至应用处理器获得了触摸传感器2D区域内所有244个(14x16)电容测量值。使用I2C总线，采集所有数据的时间大约为375 ms，而使用SPI总线的时间为300ms。(降低CDC采样分辨率可以减少采样周期)。然后，应用处理器处理原始数据，确定用户意图。


　　降低功耗，节省时间，减少处理


　　MAX IIZ CPLD和AD7142 CDC触摸屏解码参考设计的功效非常高，正常全速工作和正常分辨率下一般只需要1.5mA电流。它还支持三种其它功效级别。在第一低功耗级中，应用处理器降低采样率，只采集一部分水平和垂直走线，或者使用精确的AD7142 CDC来确定走线之间的触摸点。在更低的功耗级中，需要用户触摸屏幕中心来唤醒器件，这要求应用处理器只采样一条水平走线和一条垂直走线。


　　最低功耗级可以将应用处理器和AD7142 CDC置于关断模式。采用外部32kHz时钟以及每秒一次的采样率，典型的MAX IIZ CPLD待机电流只有50μA。当MAX IIZ CPLD的高功效电容探测系统监测到屏幕被触摸时，它通过中断信号唤醒处理器。处理器被唤醒后，系统以更高的精度来读取触摸位置。


　　本文小结


　　单点触摸屏和面板不再是实现电子系统接口的最新手段，而被认为是必备功能。单点触摸屏方案已经广泛应用，因此为使产品得到消费者的青睐，需要采用两点或者多点触摸屏。现在应用的多触点解决方案还不多，Altera MAX IIZ CPLD 利用现有元件实现了灵活的多触点用户接口。