电容式触摸屏的控制器电路设计

　　计算机触摸屏是一种显著改善人机操作界面的输入设备，具有直接、简单、快捷的优点，在各个领域中有着广泛的应用前景，尤其适用于计算机屏幕菜单式问答系统，例如工业控制监控、军事指挥、商场导购、宾馆功能介绍、各种咨询系统等。目前国外触摸屏有电容式、电阻式和红外式之分。由于电容式触摸屏具有数据连续、分辨率高、屏结构简单、内藏式等优点，可以不改变原计算机结构，因而获得广泛应用。触摸屏是履盖在计算机显示终端上的玻璃屏，透过玻璃屏能看到显示屏上的图象。电容式触摸屏是在玻璃屏上喷涂某种金属氧化物薄膜，如可使用铟锡氧化物。在触摸屏的四周边缘上安排有若干电极，使得交流电能够较均匀地在一个方向上流过整个触摸屏，其结构如图1 所示。触摸屏每一边可安排5个或6 个电极，以适合 14″ 、17″ 等不同触摸屏的需要。当用手指触摸玻璃屏某一位置时，使用者的体电容加到电路中，引起电极之间电容的变化。为了感应电容值的变化，并确定手指触摸的位置，必须设计1 个能与主机CPU 通讯的控制器。为此笔者研制了适用于电容式触摸屏的控制器。本文主要介绍该控制器的硬件组成、各部分功能以及确定触摸位置的原理和方法。

　　1　触摸屏控制器电路及其功能

　　触摸屏控制器总体结构如图2 所示。控制器的所有时序都由单片机控制，各部分功能叙述如下。

　　1. 1　触摸屏激励信号源

　　控制器的激励信号源如图3 所示。信号由函数信号发生器8038 产生，它能够输出正弦波和方波，正弦波用作触摸屏的激励信号。单片机通过 8 位 D/ A 转换器可控制8038 的振荡频率，一般控制在200 kHz 左右，以避开计算机显示器扫描信号产生的干扰。同时，由8038 产生的方波信号提供给模拟解调器，作为解调信号参考源。由于8038输出的正弦波信号功率有限，为此在8038的正弦波信号输出端增加了功率放大电路。

　　1. 2　触摸电流处理电路

　　触摸电流处理电路如图4 所示。假设在没有触摸时，调零电路已使变压器次级中心抽头上的电流为零。当有触摸时，将使中心抽头上的电流产生变化，其波形为经信号激励源频率X0 调制的信号。如果在位置坐标为X、Y的点上进行触摸，则中心抽头电流通过模拟解调器解调输出，并由低通滤波器滤波后，可得到与坐标X、Y及触摸轻重度Z 相对应的触摸电流i X、iY、iZ。

　　由于测量值的变化范围较宽，如果简单地将其信号放大后，接入 A/ D 转换器ADC1001，将使其位置测量精度大大下降。为此使用了积分器，使其输出的电压与t XiX、tYiY、tZi Z 相对应，其中，tX、t Y、t Z 为积分因子，对应的积分时间由单片机控制模拟开关的开通时间来实现，这样就能适合于测量值的变化。

　　1. 3　自动调零电路

　　在没有触摸的情况下，由于元器件的误差等原因，变压器次级中心抽头上的电流不一定为零，从而引起测量误差，为此本控制器设置了自动调零电路，该电路将12 位D/ A 转换器DAC1230 的输出，通过电容耦合到SIG-信号上，使得变压器次级中心抽头上的电流调整为零。

　　图4　触摸电流处理电路

　　1. 4　通讯接口

　　电容式触摸屏控制器设置了串行接口和并行接口，将测量计算得到的位置坐标数据传送给计算机。串行接口为RS - 232 标准接口，可通过拨码开关进行设置：波特率为1200、9 600 或19 200; 进行奇/偶校验或不校验; 采用二进制码或ASCⅡ码通讯。并行接口为CENTRONICS标准接口。由拨码开关还可设置4 种数据发送模式： 连续模式、增量模式、按下发送模式和放开发送模式。

　　2　触摸屏扫描模式和触摸位置的确定

　　在图1 所示的触摸屏上，如果在 P 点触摸，为了确定触摸坐标X、Y及触摸的轻重度，必须设计适当的扫描模式，使得激励信号SIG+和SIG-按预先安排好的时序分别作用于触摸屏的各边电极上，依次形成各方向的触摸电流。扫描时序由控制器中的单片机通过多路开关进行控制。本控制器设计了4 种扫描模式。第 1种模式为将SIG+加到触摸屏的左边电极上，SIG-

　　加到触摸屏的右边电极上，触摸屏的上边和下边电极全部开路，这样在触摸屏的X 方向上建立了交流电压梯度，经解调器解调和滤波后，可得到X 方向上的触摸电流为iX= KXXV/ Zf ，其中，V为变压器次级对于中心抽头虚地的电压，KX 为常量，V/ Zf 为电路等价阻抗触摸电流。第2 种模式为将SIG+加到触摸屏的左边电极上，同时也加到触摸屏的右边电极上，这时在X 方向上建立了均匀的交流电压。如果在触摸屏上任意一点进行触摸，则经解调器解调和滤波后，得到其触摸电流为i ZX= KZXV/ Zf ，其中，KZX为常量。由iX 和iZX得X 方向的触摸位置坐标为X= （KZX/ KX）·（ iX/ i ZX ） ，式中，iX、iZX在以上2 种扫描模式下测得，而常量KZX/ KX 可由实验确定。一旦确定了KZX / KX，就可计算出X 方向的任意触摸位置坐标X。同样，第3 种模式是将SIG+和SIG-分别加到触摸屏的上边电极和下边电极上，即可得到Y方向上的触摸电流为i Y= KYYV/ Zf ，其中，KY 为常量。第4种模式是同时将SIG+加到触摸屏的上边电极和下边电极上，得等价阻抗触摸电流为 iZY= KZYV/ Zf ，其中，KZY为常量。也可由 iY 和 iZY得Y 方向的触摸位置坐标为 Y=（KZY/ KY） （ i Y/ i ZX） ，其中，常量KZY/ KY 同样可由实验确定。

　　触摸坐标的计算由单片机软件实现。在测量触摸位置坐标的同时，也得到了触摸轻重度

　　的信息，该信息可用于设置触摸轻重度的阈值或唤起一个应用程序。

　　3　结语

　　本文给出了电容式触摸屏控制器的硬件线路，该控制器电路已全部实现。通过硬件线路

　　设计及相应软件的配合，在触摸同一点的重复精度与触摸灵敏度上得到用户认可，达到了预

　　想的技术要求，有关控制器的软件部分将另文论述。