TSC2100：高度集成的触摸屏控制器与音频编解码器

在当今的电子设备中，触摸屏和音频功能已经成为了标配。而德州仪器（TI）的TSC2100就是一款高度集成了触摸屏控制器和立体声音频编解码器的芯片，适用于便携式计算、通信和娱乐等多种应用。今天，我们就来深入了解一下这款芯片的特点、功能和应用。

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一、TSC2100概述

TSC2100是一款高度集成的触摸屏控制器，同时集成了立体声音频编解码器。它采用基于寄存器的架构，通过标准SPI总线与基于微处理器的系统轻松集成，所有外设功能都通过寄存器和板载状态机进行控制。

特点

1. 触摸屏处理：集成触摸屏处理器，具有全自动操作模式，可编程转换器分辨率、速度和平均次数，还具备可编程自主定时控制。
2. 电池和温度测量：支持直接电池测量，可接受高达6V的输入，同时具备片上温度测量功能。
3. 音频功能：支持立体声音频DAC和单声道音频ADC，采样率高达48ksps，音质高达97dB立体声，集成PLL用于灵活的音频时钟生成，还具备可编程数字音频效果处理。
4. 输出驱动：片上集成325mW、8Ω扬声器驱动，立体声耳机放大器支持无电容输出选项。
5. 接口与控制：具备SPI和I²S串行接口，支持全功率关断控制，低功耗，在48ksps下立体声音频播放功耗仅为11mW。
6. 封装形式：提供32引脚TSSOP和32引脚5×5mm QFN封装。

应用领域

TSC2100适用于个人数字助理（PDA）、智能手机、MP3播放器等设备。

二、触摸屏操作

电阻式触摸屏原理

电阻式触摸屏通过在电阻网络上施加电压，测量触摸点的电阻变化来确定位置。TSC2100支持4线电阻式触摸屏配置，可测量X、Y坐标和触摸压力（Z）。

坐标测量

• 4线触摸屏坐标对测量：通过在垂直或水平电阻网络上施加电压，A/D转换器将触摸点的电压转换为数字信号，从而得到X和Y坐标。
• 触摸压力测量：TSC2100支持两种测量触摸压力的方法，通过测量相关参数并使用特定公式计算触摸电阻。

触摸屏A/D转换器

• 模拟输入：通过多路复用器将模拟输入（X、Y、Z触摸面板坐标、电池电压监测、芯片温度和辅助输入）提供给逐次逼近寄存器（SAR）A/D转换器。
• 数据格式：输出数据为无符号二进制格式，可通过SPI接口从寄存器中读取。
• 参考电压：具有内部电压参考，可设置为1.25V或2.5V，也可使用外部参考电压。
• 可变分辨率：提供8、10或12位三种不同的分辨率，可根据需要选择。
• 转换时钟和时间：内部8MHz时钟用于驱动设备内部的状态机，通过设置A/D转换器控制寄存器中的分频比来提供转换时钟。转换时间取决于多种因素，包括分辨率、内部转换时钟速率、平均次数、面板电压稳定时间以及预充电和检测时间。

触摸检测与数据可用

• PINTDAV输出功能：用于检测触摸和数据可用状态，其功能可编程，可通过写入REG 01H/Page1的D15 - D14位进行控制。
• 预充电和检测时间：为了确保触摸检测的准确性，需要设置预充电时间和检测时间，可通过配置控制寄存器D5 - D0 of REG05H/Page1进行设置。

触摸屏测量模式

• TSC2100控制的触摸检测启动转换：TSC2100检测到触摸后，启动内部时钟，依次测量Y和X坐标，若需要还可测量触摸压力。
• 主机启动的TSC2100控制转换：TSC2100检测到触摸后，主机响应中断请求，通过写入ADC控制寄存器选择扫描功能，可由TSC2100控制驱动开启和等待时间，也可由主机控制转换的各个方面。

温度和电池测量

• 温度测量：提供两种温度测量模式，可通过测量半导体结的特性来预测环境温度。
• 电池测量：可监测电池电压，输入电压范围为0.5V至6V，通过将输入电压除以6后进行测量，为了增加保护和稳定性，建议在系统电池和VBAT引脚之间串联一个100Ω电阻。

辅助测量和端口扫描

• 辅助测量：辅助电压输入（AUX）可用于外部温度传感、环境光监测等，只能在主机控制模式下进行测量。
• 端口扫描：可周期性地对BAT1、BAT2和AUX进行测量，通过一次写入TSC2100即可完成三种不同的测量。

硬件复位和电源关断

• 硬件复位：设备上电后需要硬件复位脉冲以确保正确运行，复位脉冲将初始化所有内部寄存器、计数器和逻辑。
• 硬件电源关断：PWD/ADWS引脚默认配置为硬件电源关断信号，设备进入电源关断模式时，所有内部电路将关闭以节省功率，寄存器内容保持不变。

三、音频编解码器操作

音频模拟I/O

• 输入：具有一个单声道音频输入（MICIN）用于麦克风录音，一个辅助输入（AUX）可作为第二个麦克风或线路输入。
• 输出：双音频输出驱动器具有可编程功率级别，可配置为驱动高达325mW的8Ω扬声器，或驱动16Ω立体声耳机，每个声道功率超过30mW，也可提供立体声线路电平输出。
• 虚拟接地：具备虚拟接地（VGND）输出驱动器，可用于消除耳机输出所需的交流耦合电容。
• 按键点击声：包含特殊电路，可在音频DAC断电时插入按键点击声，为用户提供反馈。

音频数字接口

• 数据传输格式：数字音频数据样本通过串行总线（BCLK、ADWS、DOUT、LRCK、DIN）在TSC2100和CPU之间传输，支持右对齐、左对齐、I²S和DSP四种不同格式。
• 工作模式：数字音频串行总线可工作在主模式或从模式，取决于寄存器设置。
• 采样率：音频控制1寄存器（Register 00H, Page2）确定音频DAC和ADC的采样率，可通过参考速率（Fsref）进行缩放。

音频数据转换器

• 立体声音频DAC和单声道音频ADC：两者最大采样率可达53kHz，支持8kHz、11.025kHz、12kHz、16kHz、22.05kHz、24kHz、32kHz、44.1kHz和48kHz等所有音频标准速率。
• 可编程插值：通过灵活的时钟生成能力和内部可编程插值，可从多种可能的MCLK输入获得高达53kHz的各种采样率。
• PLL：片上PLL可从系统中广泛的时钟生成所需的内部ADC和DAC操作时钟，支持2MHz至50MHz的MCLK，可通过寄存器编程实现精确的采样率生成。

单声道音频ADC

• 模拟前端：由模拟多路复用器和可编程增益放大器（PGA）组成，可选择MICIN或AUX信号作为输入，还具备麦克风偏置电路。
• Delta - Sigma ADC：采用128倍过采样率的Delta - Sigma调制器，最大输出速率可达53kHz。
• 抽取滤波器：集成数字抽取滤波器，可去除高频内容并将音频数据从初始采样率下采样到最终输出采样率，具有线性相位输出响应和17/Fs的群延迟。
• 自动增益控制（AGC）：可用于在录制语音信号时保持输出信号幅度基本恒定，具有可编程的目标增益、攻击和衰减时间常数、噪声阈值和最大PGA增益等设置。

立体声音频DAC

• 数字音频处理：每个声道包含数字音频处理块、数字插值滤波器、数字Delta - Sigma调制器和模拟重建滤波器，可实现去加重、低音、高音、中频段调整或扬声器均衡等功能。
• 插值滤波器：对数字音频处理块的输出进行上采样，提供线性相位输出和21/Fs的群延迟，可有效减少上采样过程中产生的信号图像。
• Delta - Sigma DAC：采用三阶多位Delta - Sigma调制器和模拟重建滤波器，提供高分辨率、低噪声性能。
• 数字音量控制：具备数字音量控制块，可实现可编程增益，音量级别可从0dB到 - 63.5dB以0.5dB为步长进行调整，还具备软步进算法，确保音量变化平滑无杂音。
• DAC电源关断：通过寄存器控制DAC的电源关断状态，可根据不同的状态进行相应的操作。

音频输出驱动器

• 工作模式：可配置为低功率模式或高功率模式，默认在低功率模式下工作。
• 耳机配置：在高功率模式下，每个输出驱动器可向16Ω耳机扬声器负载提供高达30mW的功率，可采用交流耦合或无电容输出配置。
• 扬声器驱动：可配置为驱动8Ω扬声器负载，通过可编程数字效果滤波器可实现声道反转和频谱整形等功能。
• 短路保护：具备可编程短路检测/保护功能，可通过寄存器控制不同的操作模式。

音频输出驱动器电源开启杂音减少方案

• 驱动器杂音减少：通过编程REG1EH/Page2的D2和D1位控制驱动器杂音减少方案，可减少音频输出驱动器上电和断电时的可听杂音。
• DAC路由杂音减少：通过编程REG - 1DH/Page2的D5 - D2位实现DAC杂音减少方案，可减少DAC上电或断电时输出直流偏移电压的变化。

音频混合

• 数字侧音：数字侧音控制可衰减ADC抽取滤波器的输出，并将其与DAC数字输入混合，增益范围为0dB到 - 48dB，以1.5dB为步长。
• 模拟混音器：可将为ADC选择的模拟输入（MICIN或AUX）通过模拟音量控制后与音频DAC输出混合，增益范围为12dB到 - 34.5dB，以0.5dB为步长。

按键点击声

• 功能实现：通过寄存器控制在模拟输出信号路径中插入方波信号，用于生成按键点击声，可控制信号的幅度、频率和持续时间。

四、SPI数字接口和通信协议

SPI数字接口

• 通信方式：所有TSC2100控制寄存器通过标准SPI总线进行编程，SPI允许主机处理器（主设备）和外围设备（从设备）之间进行全双工、同步、串行通信。
• 时钟极性和相位：TSC2100的串行时钟空闲状态为低，时钟极性设置为0，时钟相位设置为1，确保主设备和从设备在第一个串行时钟边缘开始驱动数据。

通信协议

• 寄存器编程：通过发送16位命令来控制寄存器的读写操作，命令包括R/W位、页面地址、寄存器地址和保留位。
• 内存映射：TSC2100的寄存器分为数据页（Page 0）和控制页（Page 1和Page 2），每个页面包含多个寄存器，用于控制设备的各种功能。

五、布局建议

为了确保TSC2100的最佳性能，在布局时需要注意以下几点：

• 电源和接地：电源必须干净且经过良好的旁路处理，在设备附近放置0.1µF陶瓷旁路电容，若TSC2100电源引脚与系统电源之间的阻抗较高，可能需要1µF至10µF的电容。接地引脚应连接到干净的接地点，避免靠近微控制器或数字信号处理器的接地点。
• 参考电压：VREF引脚通常不需要旁路电容，但可用于降低参考噪声水平。若使用外部参考电压，确保其能够驱动旁路电容而不产生振荡。
• 触摸屏幕连接：与电阻式触摸屏的连接应尽可能短且牢固，避免因接触电阻变化而导致误差。
• 噪声处理：在触摸屏应用中，噪声可能是误差的主要来源，可采取措施减少噪声，如使用底部带有金属层接地的触摸屏，以及在Y+、Y - 、X+和X - 到地之间添加滤波电容，但需注意电容会增加屏幕稳定时间和相关检测时间。

六、转换时间计算

触摸屏转换

• 触摸检测启动的转换：计算X/Y坐标转换时间和X/Y/Z1/Z2坐标转换时间，公式中涉及面板电压稳定时间、预充电时间、检测时间、平均次数、分辨率、A/D转换器时钟频率等因素。
• 主机启动的转换：计算单个坐标（X或Y）和Z坐标的转换时间，公式与触摸检测启动的转换类似，但部分参数有所不同。

非触摸屏测量操作

• 温度、辅助或电池测量：计算测量时间，公式中考虑了平均次数、分辨率、A/D转换器时钟频率、参考电源启动延迟时间等因素。
• 连续AUX转换：计算扫描模式下连续AUX转换的时间，公式从第二次转换开始有效。
• 端口扫描操作：计算完成一组端口扫描转换的时间，公式中同样考虑了平均次数、分辨率、A/D转换器时钟频率、参考电源启动延迟时间等因素。

七、音频编解码器滤波器频率响应

文档中提供了ADC数字滤波器的通带频率响应、ADC高通滤波器的频率响应、DAC通道数字滤波器的频率响应、默认数字音频效果滤波器响应以及去加重滤波器频率响应等相关信息，这些信息对于了解音频编解码器的性能和进行音频处理非常重要。

八、PLL编程

TSC2100的片上PLL可用于从系统中广泛的MCLK生成采样时钟，通过设置P、J和D值可实现不同的Fsref，文档中给出了一些标准MCLK的PLL寄存器编程示例，方便用户进行配置。

九、封装信息

TSC2100提供TSSOP和VQFN两种封装形式，文档中详细介绍了封装的相关信息，包括引脚数量、包装数量、环保计划、引脚镀层/球材料、MSL峰值温度、工作温度范围、器件标记等，同时还提供了封装的机械数据、热信息、焊盘图案数据等，为用户在设计和使用过程中提供了全面的参考。

TSC2100是一款功能强大、集成度高的芯片，为便携式设备的触摸屏和音频功能提供了优秀的解决方案。在实际应用中，工程师们需要根据具体需求合理配置寄存器，优化布局，以充分发挥其性能。你在使用TSC2100的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。