TSC2007：低功耗触摸屏幕控制器的卓越之选

在电子设备不断发展的今天，触摸屏幕已经成为了人机交互的重要方式。而对于那些对功耗敏感、基于先进低压处理器的手持应用来说，一款优秀的触摸屏幕控制器至关重要。TI公司的TSC2007就是这样一款值得关注的产品，下面我们就来深入了解一下它。

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一、TSC2007概述

TSC2007是一款超低功耗的触摸屏幕控制器，专为对功耗敏感的手持应用而设计，能够在低至1.2V的电源电压下工作，单节电池即可供电。它具备以下显著特点：

1. 极低功耗：不同电压和模式下，电流消耗都处于较低水平，如在1.2V、快速模式、8.2kHz等效速率下，电流仅为32.24µA。
2. 小尺寸封装：提供1.5 x 2 WCSP - 12和5 x 6.4 TSSOP - 16两种封装形式，节省电路板空间。
3. 预处理功能：对触摸屏幕测量进行预处理，减少总线负载，节省主机处理器资源。
4. 多模式支持：支持I²C串行总线和数据传输协议的标准、快速和高速三种模式。
5. 高分辨率可选：提供8位或12位可编程分辨率，满足不同屏幕尺寸和性能需求。
6. 增强ESD保护：具备±8kV HBM、±1kV CDM、±25kV空气间隙放电和±15kV接触放电的防护能力。

二、功能模块详解

1. 触摸屏幕操作

TSC2007支持4线电阻式触摸屏幕配置。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，从而确定触摸位置。同时，它还能测量触摸压力，提供了两种测量方法：

• 方法一：需要知道X板电阻、X位置测量值以及两个额外的交叉面板测量值（(Z_2)和(Z1)），通过公式(R{TOUCH }=R{X -plate } cdot frac{X{Position }}{4096}left(frac{Z{2}}{Z{1}}-1right))计算触摸电阻。
• 方法二：需要知道X板和Y板电阻、X和Y位置测量值以及(Z1)，通过公式(R{TOUCH }=frac{R{x -plate } cdot X{Position }}{4096}left(frac{4096}{Z{1}}-1right)-R{Y -plate } cdotleft(1-frac{Y_{Position }}{4096}right))计算触摸电阻。

在触摸操作中，由于触摸面板的机械弹跳和外部电容的影响，会产生电压过冲和延迟，导致转换值不准确。TSC2007可以通过命令先开启驱动，等待一段时间后再进行转换，以解决这个问题。

2. 内部温度传感器

在一些应用中，如电池充电，需要测量环境温度。TSC2007提供了两种温度测量模式：

• 模式一：需要在已知温度下进行校准，通过测量TEMP1二极管电压来预测环境温度，分辨率为0.35°C/LSB。
• 模式二：不需要校准，采用两次测量（差分）方法，消除绝对温度校准的需求，精度为2°C/LSB。

3. 模数转换器

TSC2007的模拟输入通过多路复用器连接到逐次逼近寄存器（SAR）A/D转换器。其采用电容重分配架构，具有采样保持功能。通过独特的低导通电阻开关配置，可消除驱动开关导通电阻引起的误差。

在参考模式方面，TSC2007不支持单端参考模式，采用差分模式可使A/D转换器具有比例性，转换结果不受内部开关导通电阻的影响。

此外，TSC2007提供8位或12位分辨率的转换模式。8位模式适用于对速度要求较高、对数字结果精度要求较低的情况，如测量压力。转换时钟频率在8位模式下为4MHz，12位模式下为2MHz。输出数据采用直二进制格式。

4. 触摸检测

PENIRQ可作为主机的中断信号。其内部上拉电阻可编程为50kΩ（默认）或90kΩ。当触摸面板被触摸时，PENIRQ输出低电平，触发中断。但在某些情况下，如发送特定命令或PD0 = 1时，笔中断输出功能会被禁用，需要重新写入命令使PD0 = 0来重新启用。

5. 预处理

TSC2007具备MAV滤波器（中值滤波器和平均滤波器），可去除数字开关电路产生的噪声。该滤波器适用于所有模拟输入，包括触摸屏幕输入、温度测量和辅助输入。可通过设置命令绕过该滤波器以缩短转换时间。

6. I²C接口

TSC2007支持I²C串行总线和数据传输协议的标准、快速和高速三种模式。作为I²C从设备，通过SDA和SCL与总线连接。数据传输遵循特定的协议，包括起始条件、停止条件、数据有效和确认等。

在不同模式下，数据传输的时序要求不同。例如，在标准模式（SCL = 100kHz）下，总线空闲时间、时钟周期等都有明确的规定；在高速模式（SCL = 1.7MHz或3.4MHz）下，需要将SCL上的上拉电阻改为有源上拉，并满足特定的启动条件。

三、数字接口

1. 地址字节

TSC2007具有7位从设备地址字，前5位（MSB）为工厂预设的'10010'，后2位由地址输入引脚（A1 - A0）的逻辑状态决定。地址字节的最后一位（(R / overline{W})）定义操作类型，'1'为读操作，'0'为写操作。

2. 命令字节

命令字节包含多个功能位，用于选择转换器功能、电源模式、分辨率等。例如，D7 - D4（C3 - C0）为转换器功能选择位，D3 - D2（PD1 - PD0）为电源模式选择位，D1（M）为分辨率模式选择位。

3. 转换/写周期

转换/写周期从主机发送包含TSC2007从设备地址的地址字节开始，第八位为0（(R / overline{W}=0)）。收到地址匹配的确认信号后，主机写入命令字节，完成后通过重复起始或停止条件结束写周期。

4. 读取转换结果

为获得最佳性能，I²C总线在A/D转换期间应保持空闲。主机读取数据时，先发送起始条件和地址字节（(R / overline{W}=1)），收到确认后，依次接收两个字节的串行数据。

四、吞吐量和I²C总线流量

尽管内部A/D转换器的采样率高达200kSPS，但由于预处理和I²C总线带宽的限制，总线的有效吞吐量较低。8位分辨率时约为20kSPS，12位分辨率时约为10kSPS。预处理功能节省了大量I²C总线带宽，使系统可将其用于其他设备。

五、电源复位和布局建议

1. 电源复位

TSC2007上电时会自动执行内部电源复位（POR），将设备恢复到默认工作状态，并检查A0和A1引脚以确定I²C地址的最后两位。为确保正确复位，需遵循电源开/关斜率和间隔要求。

2. 布局建议

为获得最佳性能，在布局TSC2007电路时需注意以下几点：

• 电源应干净且充分旁路，在设备附近放置0.1µF陶瓷旁路电容，若VDD/REF与电源之间的连接阻抗较高，还需添加1µF至10µF的电容。
• 避免在标记为VOID的引脚下方布置有源走线，除非有接地或电源平面屏蔽。
• GND引脚应连接到干净的接地点，最好是模拟地。
• 与电阻式触摸屏幕的连接应尽量短而牢固，以减少接触电阻变化带来的误差。
• 对于存在电磁干扰的应用，可使用底部带金属层接地的触摸屏幕，并在Y+、Y -、X+、X -与地之间添加滤波电容，但需注意会增加屏幕的稳定时间。

六、总结

TSC2007以其低功耗、高集成度、丰富的功能和良好的ESD保护性能，为基于先进低压处理器的手持触摸屏幕应用提供了优秀的解决方案。在实际设计中，工程师们需要根据具体需求合理选择分辨率、电源模式等参数，并注意布局和布线，以充分发挥TSC2007的性能优势。你在使用类似触摸屏幕控制器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。