第三十一章 触摸屏实验
本章，我们将介绍如何使用STM32来驱动触摸屏，ALIENTEK战舰STM32开发板本身并没有触摸屏控制器，但是它支持触摸屏，可以通过外接带触摸屏的LCD模块（比如ALIENTEK TFTLCD模块），来实现触摸屏控制。在本章中，我们将向大家介绍STM32控制ALIENTKE TFTLCD模块，使用软件模拟SPI来实现对TFTLCD模块的触摸屏控制，最终实现一个手写板的功能。本章分为如下几个部分：
31.1 触摸屏简介
31.2 硬件设计
31.3 软件设计
31.4 下载验证
31.1 触摸屏简介 我们一般液晶所用的触摸屏，最多的就是电阻式触摸屏了（多点触摸属于电容式触摸屏，比如几乎所有智能机都支持多点触摸，它们所用的屏就是电容式的触摸屏），ALIENTEK TFTLCD自带的触摸屏属于电阻式触摸屏，下面简单介绍下电阻式触摸屏的原理。
电阻式触摸屏利用压力感应进行控制。电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜，它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属（透明的导电电阻）导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防擦的塑料层、它的内表面也涂有一层涂层、在他们之间有许多细小的（小于1/1000英寸）的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。 当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，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。控制器侦测到这一接触并计算出（X，Y）的位置，再根据获得的位置模拟鼠标的方式运作。这就是电阻技术触摸屏的最基本的原理。
电阻屏的特点有：
1）是一种对外界完全隔离的工作环境，不怕灰尘、水汽和油污。
2）可以用任何物体来触摸，可以用来写字画画，这是它们比较大的优势。
3）电阻触摸屏的精度只取决于A/D转换的精度，因此都能轻松达到4096*4096。
从以上介绍可知，触摸屏都需要一个AD转换器， 一般来说是需要一个控制器的。ALIENTEK TFTLCD模块选择的是四线电阻式触摸屏，这种触摸屏的控制芯片有很多，包括：ADS7843、ADS7846、TSC2046、XPT2046和AK4182等。这几款芯片的驱动基本上是一样的，也就是你只要写出了ADS7843的驱动，这个驱动对其他几个芯片也是有效的。而且封装也有一样的，完全PIN TO PIN兼容。所以在替换起来，很方便。
ALIENTEK TFTLCD模块自带的触摸屏控制芯片为XPT2046。XPT2046是一款4导线制触摸屏控制器，内含12位分辨率125KHz转换速率逐步逼近型A/D转换器。XPT2046支持从1.5V到5.25V的低电压I/O接口。XPT2046能通过执行两次A/D转换查出被按的屏幕位置， 除此之外，还可以测量加在触摸屏上的压力。内部自带2.5V参考电压可以作为辅助输入、温度测量和电池监测模式之用，电池监测的电压范围可以从0V到6V。XPT2046片内集成有一个温度传感器。 在2.7V的典型工作状态下，关闭参考电压，功耗可小于0.75mW。XPT2046采用微小的封装形式：TSSOP-16,QFN-16(0.75mm厚度)和VFBGA－48。工作温度范围为-40℃～+85℃。
该芯片完全是兼容ADS7843和ADS7846的，关于这个芯片的详细使用，可以参考这两个芯片的datasheet。
31.2 硬件设计 本章实验功能简介：开机的时候先通过24C02的数据判断触摸屏是否已经校准过，如果没有校准，则执行校准程序，校准过后再进入手写程序。如果已经校准了，就直接进入手写程序，此时可以通过按动屏幕来实现手写输入。屏幕上会有一个清空的操作区域（RST），点击这个地方就会将输入全部清除，恢复白板状态。程序会设置一个强制校准，就是通过按KEY0来实现，只要按下KEY0就会进入强制校准程序。
所要用到的硬件资源如下：
1） 指示灯DS0
2） KEY0按键
3） TFTLCD模块（带触摸屏）
4） 24C02
所有这些资源与STM32的连接图，在前面都已经介绍了，这里我们只针对TFTLCD模块与STM32的连接端口再说明一下，TFTLCD模块的触摸屏总共有5跟线与STM32连接，连接电路图如图31.2.1所示：
图31.2.1 触摸屏与STM32的连接图 从图中可以看出,T_MISO、T_PEN、T_CS、T_MOSI和T_SCK分别连接在STM32的：PF8、PF10、PB2、PF9和PB1上。
31.3 软件设计 打开上一章的工程，首先在HARDWARE文件夹下新建一个TOUCH文件夹。然后新建一个touch.c和touch.h的文件保存在TOUCH文件夹下，并将这个文件夹加入头文件包含路径。
打开touch.c文件，在里面输入与触摸屏相关的代码，这里我们也不全部贴出来了，仅介绍几个重要的函数。
首先我们要介绍的是TP_Read_XY2这个函数，该函数专门用于从触摸屏控制IC读取坐标的值（0~4095），TP_Read_XY2的代码如下：
//连续2次读取触摸屏IC,且这两次的偏差不能超过
//ERR_RANGE,满足条件,则认为读数正确,否则读数错误.
//该函数能大大提高准确度
//x,y:读取到的坐标值
//返回值:0,失败;1,成功。
#define ERR_RANGE 50 //误差范围
u8 TP_Read_XY2(u16 *x,u16 *y)
{
u16 x1,y1;
u16 x2,y2;
u8 flag;
flag=TP_Read_XY(&x1,&y1);
if(flag==0)return(0);
flag=TP_Read_XY(&x2,&y2);
if(flag==0)return(0);
if(((x2<=x1&&x1<x2+ERR_RANGE)||(x1<=x2&&x2<x1+ERR_RANGE))
//前后两次采样在+- ERR_RANGE 内
&&((y2<=y1&&y1<y2+ERR_RANGE)||(y1<=y2&&y2<y1+ERR_RANGE)))
{
*x=(x1+x2)/2;
*y=(y1+y2)/2;
return 1;
}else return 0;
}
该函数采用了一个非常好的办法来读取屏幕坐标值，就是连续读两次，两次读取的值之差不能超过一个特定的值（ERR_RANGE），通过这种方式，我们可以大大提高触摸屏的准确度。另外该函数调用的TP_Read_XY函数，用于单次读取坐标值。TP_Read_XY也采用了一些软件滤波算法，具体见光盘的源码。接下来，我们介绍另外一个函数TP_Adjust，该函数源码如下：
//触摸屏校准代码
//得到四个校准参数
void TP_Adjust(void)
{
//省略部分代码
}
TP_Adjust是此部分最核心的代码，在这里，给大家介绍一下我们这里所使用的触摸屏校正原理：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，不能保证绝对坐标定位，点不准，这就是触摸屏最怕出现的问题：漂移。对于性能质量好的触摸屏来说，漂移的情况出现并不是很严重。所以很多应用触摸屏的系统启动后，进入应用程序前，先要执行校准程序。 通常应用程序中使用的LCD坐标是以像素为单位的。比如说：左上角的坐标是一组非0的数值，比如（20，20），而右下角的坐标为（220，300）。这些点的坐标都是以像素为单位的，而从触摸屏中读出的是点的物理坐标，其坐标轴的方向、XY值的比例因子、偏移量都与LCD坐标不同，所以，需要在程序中把物理坐标首先转换为像素坐标，然后再赋给POS结构，达到坐标转换的目的。
校正思路：在了解了校正原理之后，我们可以得出下面的一个从物理坐标到像素坐标的转换关系式：
LCDx=xfac*Px+xoff；
LCDy=yfac*Py+yoff；
其中(LCDx,LCDy)是在LCD上的像素坐标，（Px,Py）是从触摸屏读到的物理坐标。xfac，yfac分别是X轴方向和Y轴方向的比例因子，而xoff和yoff则是这两个方向的偏移量。
这样我们只要事先在屏幕上面显示4个点（这四个点的坐标是已知的），分别按这四个点就可以从触摸屏读到4个物理坐标，这样就可以通过待定系数法求出xfac、yfac、xoff、yoff这四个参数。我们保存好这四个参数，在以后的使用中，我们把所有得到的物理坐标都按照这个关系式来计算，得到的就是准确的屏幕坐标。达到了触摸屏校准的目的。
TP_Adjust就是根据上面的原理设计的校准函数，注意该函数里面多次使用了lcddev.width和lcddev.height，用于坐标设置，主要是为了兼容不同尺寸的LCD（比如320*480和320*240的屏都可以兼容）。其他的函数我们这里就不多介绍了，保存touch.c文件，并把该文件加入到HARDWARE组下。接下来打开touch.h文件，在该文件里面输入如下代码：
#ifndef __TOUCH_H__
#define __TOUCH_H__
#include "sys.h"
#define TP_PRES_DOWN 0x80 //触屏被按下
#define TP_CATH_PRES 0x40 //有按键按下了
//触摸屏控制器
typedef struct
{
u8 (*init)(void); //初始化触摸屏控制器
u8 (*scan)(u8); //扫描触摸屏.0,屏幕扫描;1,物理坐标;
void (*adjust)(void); //触摸屏校准
u16 x0; //原始坐标(第一次按下时的坐标)
u16 y0;
u16 x; //当前坐标(此次扫描时,触屏的坐标)
u16 y;
u8 sta; //笔的状态
//b7:按下1/松开0;
//b6:0,没有按键按下;1,有按键按下.
////////////////////////触摸屏校准参数/////////////////////////
float xfac;
float yfac;
short xoff;
short yoff;
//新增的参数,当触摸屏的左右上下完全颠倒时需要用到.
//touchtype=0的时候,适合左右为X坐标,上下为Y坐标的TP.
//touchtype=1的时候,适合左右为Y坐标,上下为X坐标的TP.
u8 touchtype;
}_m_tp_dev;
extern _m_tp_dev tp_dev; //触屏控制器在touch.c里面定义
//与触摸屏芯片连接引脚
#define PEN PFin(10) //PF10 INT
#define DOUT PFin(8) //PF8 MISO
#define TDIN PFout(9) //PF9 MOSI
#define TCLK PBout(1) //PB1 SCLK
#define TCS PBout(2) //PB2 CS
//省略部分代码
#endif
上述代码，我们定义了_m_tp_dev结构体，用于管理和记录触摸屏相关信息，在外部调用的时候，我们一般直接调用tp_dev的相关成员函数/变量屏即可达到需要的效果。这样种设计简化了接口，另外管理和维护也比较方便，大家可以效仿一下。其他部分我们不做多的介绍，最后我们打开test.c，修改代码如下：
//清屏，重新装载对话界面
void Load_Drow_Dialog(void)
{
LCD_Clear(WHITE);//清屏
POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色
LCD_ShowString(lcddev.width-24,0,200,16,16,"RST");//显示清屏区域
POINT_COLOR=RED;//设置画笔蓝色
}
int main(void)
{
u8 key;
u8 i=0;
Stm32_Clock_Init(9); //系统时钟设置
uart_init(72,9600); //串口初始化为9600
delay_init(72); //延时初始化
LED_Init(); //初始化与LED连接的硬件接口
LCD_Init(); //初始化LCD
usmart_dev.init(72); //初始化USMART
KEY_Init(); //按键初始化
POINT_COLOR=RED;//设置字体为红色
LCD_ShowString(60,50,200,16,16,"WarShip STM32");
LCD_ShowString(60,70,200,16,16,"TOUCH TEST");
LCD_ShowString(60,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
LCD_ShowString(60,110,200,16,16,"2012/9/11");
LCD_ShowString(60,130,200,16,16,"Press KEY0 to Adjust");
tp_dev.init();
delay_ms(1500);
Load_Drow_Dialog();
while(1)
{
key=KEY_Scan(0);
tp_dev.scan(0);
if(tp_dev.sta&TP_PRES_DOWN) //触摸屏被按下
{
if(tp_dev.x<lcddev.width&&tp_dev.y<lcddev.height)
{
if(tp_dev.x>(lcddev.width-24)&&tp_dev.y<16)Load_Drow_Dialog();//清除
else TP_Draw_Big_Point(tp_dev.x,tp_dev.y,RED); //画图 }
}else delay_ms(10); //没有按键按下的时候
if(key==KEY_RIGHT) //KEY_RIGHT按下,则执行校准程序
{
LCD_Clear(WHITE);//清屏
TP_Adjust(); //屏幕校准
TP_Save_Adjdata();
Load_Drow_Dialog();
}
i++;
if(i==20) {i=0; LED0=!LED0;}
}
}
此函数就实现了我们上面介绍的本章所要实现的功能。当然这里还用到我们之前写的24CXX的代码，用来保存和调用触摸屏的校准信息（在触摸屏校准函数和初始化函数里面）。
31.4 下载验证 在代码编译成功之后，我们通过下载代码到ALIENTEK战舰STM32开发板上，得到如图31.4.1所示：
图31.4.1 程序运行效果
如果已经校准过了，则在等待1.5s之后进入手写界面，同时DS0开始闪烁，界面如图31.4.2所示：
图31.4.2 手写界面
此时，我们就可以在该界面下用笔或者手指输入信息了。如果没有校准过，则会自动进入校准程序（当你发现精度不行的时候，也可以通过按KEY0进入校准程序），如图31.4.3所示，在校准完成之后自动进入手写界面。
图31.4.3 校准界面
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