Microchip AR1100电阻式USB和RS - 232触摸屏控制器深度解析

在当今的电子设备中，触摸屏的应用愈发广泛，从工业控制到消费电子，触摸屏为用户带来了便捷的交互体验。Microchip的AR1100电阻式USB和RS - 232触摸屏控制器，作为一款功能强大的解决方案，值得我们深入探究。

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一、产品概述

AR1100是一款功能丰富、高度集成的通用触摸屏控制器。它能够自动在USB和RS - 232通信协议之间进行选择，并且支持来自各种触摸屏制造商的4线、5线或8线模拟电阻式触摸屏。该控制器可以动态适应各种触摸屏的电气特性，如灵敏度、接触电阻和电容，从而以最小的设计时间提供最佳性能。

1.1 特殊特性

• 环保合规：符合RoHS标准，满足环保要求。
• 节能模式：具备节能的睡眠模式，有效降低功耗。
• 宽温度范围：支持工业温度范围，适用于各种恶劣环境。
• 漂移补偿：内置漂移补偿算法，确保触摸屏的稳定性和准确性。
• 用户EEPROM：拥有96字节的用户EEPROM，方便用户存储自定义数据。

1.2 电源要求

• 工作电压：3.3 - 5.0V ± 5%，适应多种电源环境。
• 待机电流：UART模式下小于10μA，USB模式下小于325μA。
• 工作电流：无触摸时小于17mA，触摸时小于25mA（实际结果会因传感器略有差异）。

1.3 触摸相关参数

• 触摸模式：支持关闭、流、按下和抬起等多种模式。
• 触摸传感器支持：可连接4线、5线和8线模拟电阻式传感器，传感器的引线间电阻为50 - 2000欧姆，层间电容为0 - 0.5μF。
• 触摸分辨率：最大可达10位分辨率。
• 触摸坐标报告率：典型值为每秒150次报告，实际报告率会根据传感器的电气特性动态自动最大化。

1.4 通信方式

• 自动检测/选择：能够自动检测并选择UART或USB通信模式。
• UART：支持9600波特率的异步串行通信。
• USB：符合USB V2.0标准，全速运行，可枚举为HID - GENERIC、HID - MOUSE和HID - DIGITIZER三种设备类型。

1.5 封装类型

提供20引脚QFN（5 x 5 mm）、20引脚SOIC和20引脚SSOP三种封装类型，方便不同的设计需求。

二、硬件设计

2.1 引脚分配

AR1100的引脚分配涵盖了电源、振荡器、传感器连接、通信等多个方面。例如，引脚1和18为电源引脚，引脚2和19为振荡器引脚，不同的引脚组合用于连接不同类型的传感器和实现通信功能。具体的引脚功能可参考文档中的详细表格。

2.2 原理图设计

文档中提供了简化的原理图，同时详细的原理图和物料清单（BOM）可在相关附图中找到。在设计时，需要注意未使用的传感器引脚应接地，以避免干扰。

2.3 传感器连接

AR1100与不同类型传感器的连接方式在图3 - 2中有详细的图形描述。根据传感器的类型（4线、5线或8线），正确连接相应的引脚，确保传感器能够正常工作。

2.4 ESD和噪声考虑

在参考原理图中给出了建议的ESD保护措施，如使用ESD保护二极管。但需要注意的是，应尽量减小电容，例如推荐使用标称电容为35pF的PESD5V0S1BA。同时，参考设计原理图中包含了触摸传感器滤波电容，但改变其值可能会对触摸性能产生不利影响。

三、通信机制

3.1 物理通信

AR1100支持UART和USB两种通信方式，并能自动检测激活的模式。USB模式可枚举为三种设备类型，默认的USB设备类型可通过配置命令进行更改并保存在非易失性存储器中，出厂默认值为HID - MOUSE。

• 模式检测/选择：在电源开启时，UART和USB的固件和硬件资源均处于工作状态，直到通过以下事件确定激活模式：USB成功枚举则USB激活；通过UART接收到有效通信则UART激活；睡眠定时器到期且USB尚未枚举则默认UART激活。需要注意的是，复位后至少45秒内，AR1100不会尝试进入睡眠模式，以确保USB有足够的时间进行枚举。
• UART模式：支持简单的2线（发送/接收）异步串行通信，不支持硬件握手，但采用了数据协议握手。主机应配置为9600波特率、8位数据位和1位停止位。
• USB模式：USB可枚举为三种设备类型，HID - MOUSE和HID - DIGITIZER类型可被许多主机操作系统识别，提供触摸时的光标移动功能；HID - GENERIC类型为专有风格，需要自定义软件驱动支持。控制器默认枚举为HID - MOUSE设备类型，可通过命令重新枚举为其他类型。

3.2 数据协议

数据协议采用多字节数据包传输，分为触摸报告和命令数据包两类。

• 触摸报告：触摸报告由AR1100发起，根据不同的通信模式有不同的格式。测量分辨率为10位，测量值会被移位（乘以4）并以12位格式报告，报告的触摸坐标全量程范围为0到4095。
  • UART和HID - GENERIC模式：标准的5字节触摸报告格式包含笔状态、触摸位置的X和Y坐标等信息。根据触摸模式的配置参数，每个触摸事件（笔按下、笔抬起和笔移动）最多可发送三个触摸报告。
  • HID - MOUSE模式：触摸报告格式包含按钮状态和触摸位置的X和Y坐标。
  • HID - DIGITIZER模式：触摸报告格式包含笔尖开关、接近状态和触摸位置的X和Y坐标，其值和行为由触摸模式参数定义。
• 命令数据包：用于除触摸报告之外的所有通信，如配置/控制。命令数据包（由主机发出）和响应数据包（由设备发出）具有相同的框架，但格式略有不同。在标准操作中，通信由主机发起，设备进行响应。在某些诊断场景中，命令数据包不一定会得到设备的响应，而在其他情况下，设备可能会主动发出响应数据包。

四、命令集

在正常操作中，AR1100会自动响应触摸并返回触摸报告，无需主机进行提示。以下命令集可用于配置操作参数：

• TOUCH_ENABLE：启用触摸报告。
• TOUCH_DISABLE：禁用触摸报告，建议在执行其他命令之前先执行此命令，以防止触摸报告干扰命令执行。
• CALIBRATE：启动基于控制器的校准序列，每次触摸校准点并释放后，设备会返回响应数据包。
• REG_READ：读取一个或多个操作寄存器的值。
• REG_WRITE：写入一个或多个操作寄存器的值。
• EE_READ：从EEPROM中读取一个或多个字节。
• EE_WRITE：向EEPROM中写入一个或多个字节。
• EE_READ_PARAMS：将EEPROM中的操作参数集读取到RAM中。
• EE_WRITE_PARAMS：将RAM中的操作参数集写入EEPROM中。
• USB_MODE_GENERIC：将默认USB模式设置为HID - GENERIC，该模式用于低级别配置命令、校准和引导加载操作。
• USB_MODE_MOUSE：将默认USB模式设置为HID - MOUSE。
• USB_MODE_DIGITIZER：将默认USB模式设置为HID - DIGITIZER。

五、配置寄存器

AR1100的配置寄存器包含了多个参数，用于调整触摸屏的性能。例如：

• TouchThreshold：设置检测触摸条件的阈值，值越大，检测触摸的条件越宽松；值越小，要求越严格。
• SensitivityFilter：设置触摸“稳定性”的标准，值越大，对触摸越敏感，但可能不太稳定；值越小，需要更用力的触摸，但能提供更稳定的位置。
• SamplingFast和SamplingSlow：分别设置触摸移动速度快和慢时的触摸测量样本平均水平，较低的值会导致更快的报告速度，但可能更容易受到触摸位置噪声的影响；较高的值会降低报告速率，但能提供更强的抗随机噪声能力。

六、操作流程

6.1 配置

AR1100出厂时使用默认设置即可正常工作，但某些应用可能需要更改这些设置。推荐的配置步骤如下：

1. 发出TOUCH_DISABLE命令，禁用触摸报告，避免干扰。
2. 根据需要发出REG_WRITE命令，修改选定参数寄存器的值。
3. 可选地发出EE_WRITE_PARAMS命令，将新的寄存器值存档为默认值。
4. 发出TOUCH_ENABLE命令，重新启用触摸报告。

6.2 校准

校准可以使AR1100发出的触摸报告能够校正/修改传感器方向，并将报告的触摸位置精确映射到基础显示设备的物理尺寸上。校准过程需要操作员按顺序触摸主机在显示设备上呈现的一系列目标，AR1100会将每个校准触摸点的原始触摸数据存档到EEPROM中，然后在正常操作中使用这些数据将“原始”数据处理为“校准”数据。校准仅在UART和HID - GENERIC通信模式下支持。

6.3 睡眠模式

AR1100支持低功耗的睡眠模式，以节省设备不使用时的功耗。在UART通信模式下，经过指定的时间间隔（由SleepDelay参数寄存器设置）且没有触摸或通信发生时，睡眠模式将被激活。在睡眠状态下，设备可以通过触摸或主机的任何通信唤醒，但用于唤醒设备的第一个字节通信将被丢失/忽略。在USB通信模式下，睡眠模式由主机的USB SUSPEND控制传输激活，SleepDelay定时器无效。

6.4 传感器类型配置

AR1100需要根据连接的传感器类型（4W、5W或8W）进行配置，通过MODE输入引脚和配置参数TouchOptions的组合来实现。对于5W传感器，MODE输入引脚必须接地；对于4W或8W传感器，MODE输入引脚应开路/断开。此外，配置寄存器TouchOptions中的第1位用于进一步在4W和8W之间进行选择。

6.5 LED指示

LED用于指示控制器的状态，快速闪烁表示检测到触摸，慢速闪烁表示未检测到触摸，熄灭表示控制器无电源或处于睡眠（暂停）状态。

6.6 USB模式更改

低级别操作（配置、校准、引导加载）仅在UART和HID - GENERIC两种通信模式下支持。如果AR1100在HID - MOUSE或HID - DIGITIZER模式下运行，需要将其配置为HID - GENERIC模式进行低级别操作，然后再重新配置回所需的默认设备类型。提供了三个3字节命令来分配USB设备类型，每个命令将默认USB设备类型设置在非易失性存储器中，然后重置AR1100，使其重新枚举。

七、引导加载

引导加载过程和相关命令使主机能够对AR1100进行重新编程。由于闪存程序存储器的大小无法同时容纳引导加载部分和应用部分，AR1100需要分3次进行编程，每次编程时USB设备都需要重新枚举。引导加载操作仅在UART和HID - GENERIC通信模式下支持，Microchip提供了独立的软件实用程序来方便引导加载操作。

八、EEPROM映射

EEPROM分为用户区域、参数区域和校准数据区域。用户区域可由用户自定义使用，参数区域存储了各种配置参数，校准数据区域存储了校准过程中的相关数据。需要注意的是，0xFE和0xFF位置是禁止覆盖的。

九、电气规格和封装信息

9.1 电气规格

文档中给出了AR1100的绝对最大额定值，包括环境温度、存储温度、电压、功耗、电流等参数。在使用过程中，应确保设备的工作条件不超过这些额定值，以避免对设备造成永久性损坏。

9.2 封装信息

提供了20引脚SSOP、20引脚SOIC和20引脚QFN三种封装类型的详细信息，包括引脚数量、间距、尺寸等。同时，还给出了每种封装的订购信息和推荐的焊盘图案。

Microchip的AR1100电阻式USB和RS - 232触摸屏控制器为触摸屏设计提供了一个全面、灵活的解决方案。通过深入了解其特性、硬件设计、通信机制、命令集和操作流程等方面，工程师可以根据具体的应用需求进行合理的设计和配置，从而实现高性能、稳定可靠的触摸屏系统。你在使用AR1100过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。