深入剖析AR1000系列电阻式触摸屏控制器

在当今数字化时代，触摸屏作为一种直观、便捷的人机交互方式，广泛应用于各类电子设备中。Microchip的mTouch® AR1000系列电阻式触摸屏控制器，以其卓越的性能和丰富的功能，成为众多设计师的首选。今天，我们就来深入了解一下这款控制器。

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一、产品概述

AR1000系列是一款完整、易于集成、经济高效且通用的触摸屏控制器芯片。它拥有先进的专有触摸屏解码算法，能够处理所有触摸数据，大大减轻了主机的处理负担。同时，该系列还具备强大的过滤能力，可提供可靠、经过验证和校准的触摸坐标。通过板载EEPROM，AR1000能够存储并独立应用校准数据，为系统设计，尤其是嵌入式系统集成，提供了极高的资源效率。

应用领域

AR1000系列专为高产量、小尺寸的触摸屏解决方案而设计，适用于对上市时间要求较短的项目，包括但不限于移动通信设备、个人数字助理（PDA）、全球定位系统（GPS）、触摸屏显示器、自助服务终端、媒体播放器、便携式仪器和销售点终端等。

二、电阻式传感器基础

术语解释

• ITO（氧化铟锡）：构成触摸屏传感器有源区域的电阻涂层，是一种透明半导体，通过溅射工艺涂覆在触摸屏传感器层上。
• Flex或Film或Topsheet：用户触摸的顶层传感器层，因其在触摸压力下会发生物理弯曲而得名。
• Stable或Glass：与显示屏接触的底层传感器层。
• Spacer Adhesive：一种粘合剂框架，用于将顶层和底层传感器层在传感器周边连接在一起。
• Spacer Dots：用于保持顶层和底层传感器层之间的物理和电气分离，通常印刷在底层传感器层上。
• Bus Bars或Silver Frit：用于将ITO层与传感器接口尾部进行电气连接，通常采用丝网印刷的银墨，其电阻率通常远低于ITO。
• X - Axis和Y - Axis：分别表示触摸屏传感器的左右和上下方向。
• Drive Lines：用于在传感器上提供电压梯度。

传感器类型比较

传感器类型	特点
4 - Wire	成本低于5 - 线或8 - 线，功耗低于5 - 线，线性度（无需校正）优于5 - 线，但在顶层损坏或电阻变化时会出现触摸不准确的情况。
5 - Wire	在顶层损坏时仍能保持触摸精度，但固有非线性通常需要对触摸数据进行校正，电阻变化时会出现触摸不准确的情况。
8 - Wire	成本高于4 - 线，功耗低于5 - 线，线性度（无需校正）优于5 - 线，在顶层损坏时会出现触摸不准确的情况，但在电阻变化时能保持触摸精度。

不同类型传感器的工作原理

• 4 - Wire Sensor：由顶层和底层组成，通过间隔点实现电气分离。通过在顶层和底层分别施加电压梯度，并利用另一层测量触摸位置电压来确定触摸位置。
• 8 - Wire Sensor：基本工作原理与4 - 线传感器相似，但增加了四条额外的互连线路，用于将传感器电压动态参考回控制器，以校正因总线电阻变化和连接损耗导致的电压波动。
• 5 - Wire Sensor：同样由顶层和底层组成，通过间隔点实现电气分离。通过在底层的X轴和Y轴方向分别施加电压梯度，并利用顶层测量触摸位置电压来确定触摸位置。电压施加在传感器的四个角上。

三、硬件设计

主原理图

AR1000系列有不同的封装形式，如SOIC/SSOP和QFN。对于SOIC/SSOP封装，有相应的主应用原理图；QFN封装的引脚排列可参考图1 - 2。

传感器选择

通过硬件引脚M2可以选择4/8 - 线或5 - 线传感器类型。当选择4/8 - 线时，可通过TouchOptions配置寄存器进行4 - 线或8 - 线的软件选择，默认情况下为4 - 线操作。

传感器接口

• 4 - Wire Touch Sensor Interface：确保传感器一个轴的两个引脚连接到控制器的X - /X + 引脚，另一个轴的两个引脚连接到控制器的Y - /Y + 引脚。将未使用的控制器引脚5WSX - 、SX + 、SY - 和SY + 连接到VSS。
• 5 - Wire Touch Sensor Interface：确保传感器一对对角的引脚连接到控制器的X - /X + 引脚，另一对对角的引脚连接到控制器的Y - /Y + 引脚。传感器顶层的引脚必须连接到控制器的5WSX - 引脚。将未使用的控制器引脚SX + 、SY - 和SY + 连接到VSS。
• 8 - Wire Touch Sensor Interface：确保传感器一个轴的两个引脚连接到控制器的X - /X + 引脚，另一个轴的两个引脚连接到控制器的Y - /Y + 引脚。同时，将8 - 线传感器的“sense”线连接到控制器相应的引脚。

状态LED

LED和相关电阻是可选的。LED可作为控制器工作状态的指示器，无触摸时缓慢闪烁，有触摸时快速闪烁。

WAKE引脚

AR1000的WAKE引脚具有唤醒、触摸检测和测量传感器电容的功能。应用电路中，需要在WAKE引脚和控制器芯片的X - 引脚之间连接一个20 KΩ的电阻。

ESD和噪声考虑

在4 - 线、5 - 线和8 - 线接口应用原理图中都提供了ESD保护。选择ESD二极管时，应注意其电容值，较低的电容值有助于提高触摸性能。同时，参考设计中包含了触摸传感器滤波电容，更改电容值可能会对触摸系统性能产生不利影响。

四、通信方式

I2C通信

AR1021是一个I²C从设备，地址为0x4D，支持最高400 kHz的比特率。硬件接口包括M1、SCL、SDA和SDO引脚。在I2C通信中，需要注意地址、读写操作的比特时序以及时钟拉伸等问题。

SPI通信

SPI工作在从模式，SCK空闲时为低电平，数据在SCK下降沿传输。硬件接口包括M1、SDI、SCK、SDO、SIQ和SS引脚。SPI通信的数据传输通过主机对SCK引脚进行时钟控制，每个时钟周期同时将数据移入和移出控制器。

UART通信

UART通信固定为9600波特率，8N1格式。睡眠模式会导致TX线变为低电平，可能被视为控制器发送的0x00字节。

五、触摸报告协议

触摸坐标以5字节数据包的形式从控制器发送到主机系统，包含X轴坐标、Y轴坐标和“Pen - Up/Down”触摸状态。建议应用程序以12位格式读取坐标信息，以提高应用程序的健壮性。

六、配置寄存器

配置寄存器允许用户对控制器进行特定应用的定制。大多数寄存器的默认值已针对大多数应用进行了优化，除非用户选择更改，否则将自动使用。不同的寄存器具有不同的功能，如设置触摸阈值、灵敏度、采样率、过滤精度等。

寄存器恢复默认参数

• AR1010/AR1020：通过向EEPROM的地址0x00写入值0xFF，然后进行电源循环，可恢复配置寄存器的工厂默认设置。
• AR1011/AR1021：通过向EEPROM的地址0x01和0x29写入值0xFF，然后进行电源循环，可恢复配置寄存器的工厂默认设置。

寄存器描述

• TouchThreshold Register：设置触摸检测的阈值，值过小可能导致控制器无法检测到真实触摸，值过大可能会接受轻触或误触。
• SensitivityFilter Register：设置触摸灵敏度，值越高越敏感，但触摸位置可能不稳定；值越低越不敏感，但触摸位置更稳定。
• SamplingFast Register：在触摸移动较快时设置触摸测量样本的平均水平，值越低报告率越高，但可能会出现高频随机噪声误差；值越高报告率越低，但可减少高频随机噪声误差。
• SamplingSlow Register：在触摸移动较慢时设置触摸测量样本的平均水平，值越低报告率越高，但触摸位置可能不稳定；值越高报告率越低，但触摸位置更稳定。
• AccuracyFilterFast Register：在触摸移动较快时设置精度增强滤波器的水平，值越低分辨率越高，但可能会出现低频噪声误差；值越高分辨率越低，但可减少低频随机噪声误差。
• AccuracyFilterSlow Register：在触摸移动较慢时设置精度增强滤波器的水平，值越低分辨率越高，但可能会出现低频噪声误差；值越高分辨率越低，但可减少低频随机噪声误差。
• SpeedThreshold Register：设置触摸移动速度的阈值，值越低认为触摸移动速度越快；值越高认为触摸移动速度越慢。
• SleepDelay Register：设置无触摸或命令活动时控制器进入低功耗睡眠模式的时间，值为0时禁用睡眠模式。
• PenUpDelay Register：设置笔抬起事件的延迟时间，值越低对笔抬起事件更敏感，但可能会出现更多触摸丢失；值越高对笔抬起事件不敏感，但可减少触摸丢失。
• TouchMode Register：配置不同触摸状态下的操作，包括笔按下、笔移动和笔抬起三种状态。
• TouchOptions Register：包含与触摸相关的选项位，如4 - 线或8 - 线传感器选择和校准坐标启用。
• CalibrationInset Register：定义校准点相对于触摸屏传感器有源区域周边的预期位置，以百分比表示。
• PenStateReportDelay Register：设置“Pen - Down”和“Pen - Up”触摸模式状态下连续触摸报告之间的延迟时间。
• TouchReportDelay Register：设置连续触摸报告数据包之间的强制延迟时间，可降低触摸报告率。

七、命令

命令发送格式

控制器支持特定应用的配置命令，命令发送格式包括头字节、大小字节、命令ID和数据字节。为确保命令通信不被触摸活动中断，建议在发送其他命令之前禁用控制器的触摸功能。

命令响应

接收的命令将以特定的响应格式进行回复，响应数据包中的“Status”值表示命令执行的结果。

常用命令

• GET_VERSION：获取控制器的版本号和类型。
• ENABLE_TOUCH：启用控制器的触摸坐标报告功能。
• DISABLE_TOUCH：禁用控制器的触摸坐标报告功能，但触摸仍可唤醒控制器。
• CALIBRATE_MODE：进入校准模式，接受接下来的四次触摸作为校准点坐标。校准完成后，校准数据将自动存储在控制器的内存中，并启用“Calibrated Coordinates”功能。
• REGISTER_READ：读取控制器寄存器的值。
• REGISTER_WRITE：向控制器寄存器写入值。
• REGISTER_START_ADDRESS_REQUEST：获取寄存器组的起始地址。
• REGISTERS_WRITE_TO_EEPROM：将配置寄存器的值保存到EEPROM中。
• EEPROM_READ：从EEPROM中读取值。
• EEPROM_WRITE：向EEPROM的用户空间写入值。
• EEPROM_WRITE_TO_REGISTERS：将EEPROM中的数据写入配置寄存器。

八、应用注意事项

触摸屏传感器与控制器的校准

为确保触摸屏控制器报告的坐标与应用程序的视频显示相匹配，需要进行校准。校准过程包括禁用触摸报告、获取寄存器组起始地址、设置校准插入值、进入校准模式、引导用户触摸校准点、等待校准数据写入EEPROM以及启用触摸报告等步骤。

AR1011/AR1021存储默认校准值到EEPROM

如果需要在AR1000 EEPROM中预加载固定的校准值，需要进行以下操作：确定固定校准值是否适合应用程序并计算校验和；使用EEPROM_WRITE命令将数据写入EEPROM；设置TouchOptions寄存器的CCE位以启用校准数据的使用；发送ENABLE_TOUCH命令。

九、电气规格

绝对最大额定值

包括环境温度、存储温度、电压、功率消耗、电流等参数的绝对最大额定值，超过这些值可能会对设备造成永久损坏。

最小工作电压

AR1000系列控制器的最小工作电压为2.5V ± 5%，为了优化触摸性能，建议使用设计允许的最高电压。

电气特性

不同引脚的输入和输出电压特性在文档中进行了详细说明。

十、封装信息

封装标记信息

AR1000系列有20 - 引脚的SSOP、SOIC和QFN封装，封装标记包含Microchip部件号、年份代码、周代码和可追溯代码等信息。

订购信息

文档提供了不同型号的订购信息，包括通信类型、温度范围、引脚封装和包装形式。

封装细节

详细介绍了不同封装的尺寸和推荐的焊盘图案。

总结

AR1000系列电阻式触摸屏控制器凭借其丰富的功能、出色的性能和灵活的配置选项，为触摸屏应用提供了全面的解决方案。在设计过程中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择传感器类型、通信方式和配置寄存器，同时注意ESD和噪声等问题，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用AR1000系列控制器时遇到过哪些问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。