智能手机复杂触摸屏接口设计

2009年05月18日 15:05    贾延安
关键词: 触摸屏 , 接口 , 设计 , 智能手机
支持网络的多媒体智能电话改变了消费者使用手机的方式。在这些电话中,特别受欢迎的是液晶触摸屏接口,用户通过它来使用各种应用程序,或者用手指滚动访问网页。如果希望在不花费大量的时间、预算或者功耗的情况下,开发这类复杂的接口,采用零功耗Altera MAX IIZ CPLD是一个理想的选择。与ASSP或者其它竞争技术不同,MAX IIZCPLD的I/O非常多、使用方便、功耗低,能灵活突出产品优势。这些优点大大简化并加速了个性化手机、便携式媒体播放器和显示器的开发,适用于医疗、汽车和工业等应用领域。Altera基于MAX IIZ EPM240Z器件的最新多点触摸屏参考设计,有助于设计人员迅速将构思变为实际产品。
定制或者自行设计
任何触摸屏方案都包括两部分:2D触摸传感器和计算应用程序,后者将传感器数据转换为用户意图。参考设计是完整的传感器和数据采集系统,可以进行定制,也可以原样使用。它提供铟锡氧化物(ITO)屏以及简单的双面PCB用作多触点导航板。图1(a)所示的2D多触点参考设计基于MAX IIZ EPM240Z CPLD以及ADI的AD7142集成电容数字转换器(CDC),支持片内环境校准以及ITO屏。
参考设计有一个简单的数据解释程序,演示并测试多触点传感器的工作。AD7142 CDC用于监测电容变化,只有14个电容传感器通道。在这一参考设计中,MAX IIZ CPLD扩展了AD7142CDC的功能,使其能够处理两维ITO薄膜和PCB触摸传感器。应用处理器通过SPI或者I2C总线访问AD7142的CDC寄存器文件,将MAX IIZ CPLD的SRC信号控制设置在合适的轴上。长时间暂停后,触摸屏监测到一次触摸时,MAX IIZ CPLD会产生一个中断信号。
ITO或者PCB触摸屏设计
任何触摸屏设计都从实际的触摸传感器开始。虽然这个参考设计主要是针对电容ITO触摸屏,但也适用于一面为水平走线,另一面是垂直走线的双面PCB。ITO 触摸屏有两个被绝缘体分开的透明层,14条y走线连接至AD7142CDC输入,16条x走线连接至MAX IIZ CPLD。MAX IIZCPLD能够增加更多的I/O,进一步提高分辨率,支持更大的触摸屏。14x16的设计可支持最高16x14cm的触摸屏。


图1:(a) 基于Altera MAX IIZ EPM240Z CPLD的多触点触摸屏参考设计;(b) ITO触摸屏或者PCB触摸板的侧视图(左)以及正视图(右)。

ITO触摸传感器有两个被绝缘体分开的互相垂直的层,上面分别是x和y走线。理想情况下,x走线在下面,y走线在上面,连接至AD7142输入。如此布置的原因是CDC在监视靠近手指的走线时更敏感。走线阵列较宽,间距为5至10mm。图1(b)中左侧为触摸屏交叉部分,右侧是触摸屏。在实际的显示触摸屏中,走线是透明的。
图1(b)中的传感器可实现计算导航板,从而避免了使用普通导航板所需要的选择按钮。如图2所示,中指移动光标,食指和无名指触摸屏幕,指示鼠标左键或者右键点击。去掉移动部分后,电容触摸屏传感器比按键和按键开关更耐用。


图2:用手指控制无开关导航板。

ADI的AD7142 CDC
AD7142 CDC并不是设计用作触摸屏解码器,而是用于测量电容以及PCB上传感器线阵的电容变化。AD7142 CDC电气特性比较完备,能校准特定的PCB布局,然后针对14个传感器输入的每一输入进行电容测量,精度为12位。每个测量周期结束后,通过I2C或者SPI总线来访问这些数值。AD7142 CDC在SRC信号上发送一个250kHz方波,驱动靠近传感器板的走线,然后测量接收到的SRC信号强度。由于触摸屏电容和SRC信号接收强度成正比,因此AD7142 CDC探测并量化用户手指接触触摸屏时的电容变化。
AD7142CDC连续进行14次可寻址电容测量。图3显示当没有手指接触时基线条件下的寄存器值,下面的图显示了手指触摸传感器9时的寄存器值。AD7142CDC非常灵敏,应用处理器利用这一详细的电容矢量值,确定手指位于9.3传感器位置,即在传感器9和10之间。AD7142CDC精度达到12位,因此,只需要14个传感器就可以精确测量手指的位置。


图3:线性AD7142 CDC采样示意图。

AD7142 CDC文档详细介绍了工作过程和校准功能。
MAX IIZ CPLD将线性传感器转换为2D传感器
AD7142CDC可以测量14个传感器相对于一条SRC走线的电容。增加MAX IIZ CPLD后,可在串行接口的控制下,获得AD7142CDC的SRC方波信号,并选择驱动触摸屏的某一条垂直x走线,从而支持多条SRC走线。AD7142CDC可以进行相对于垂直走线轴或者本地的电容测量。MAX IIZ中大量的I/O(5x5mm封装支持54个I/O,7x7mm封装支持116个I/O)结合AD7142的高分辨率电容数字测量能力,使这一解决方案能够适用于面积较大的触摸屏和面板。
图4为AD7142 CDC和MAX IIZ CPLD相结合后的2D电容测量结果,显示了16条走线,即,对x轴进行了16次划分。左侧是基线电容测量,而右侧是两个手指触摸传感器后的结果。图中蓝色和红色采样行表示哪一SRC走线被激活。


图4:电容数字采样2D阵列表示:基线(左)和触摸后的结果(右)。

应用处理器通过串行接口设置MAX IIZ CPLD驱动传感器S1列和SRC信号,读取来自AD7142CDC的14个电容值。然后,应用处理器通知MAX IIZCPLD将SRC移至下一垂直走线,进行另一次14个电容测量,不断重复,直至应用处理器获得了触摸传感器2D区域内所有244个(14x16)电容测量值。使用I2C总线,采集所有数据的时间大约为375 ms,而使用SPI总线的时间为300ms。(降低CDC采样分辨率可以减少采样周期)。然后,应用处理器处理原始数据,确定用户意图。
降低功耗,节省时间,减少处理
MAXIIZ CPLD和AD7142CDC触摸屏解码参考设计的功效非常高,正常全速工作和正常分辨率下一般只需要1.5mA电流。它还支持三种其它功效级别。在第一低功耗级中,应用处理器降低采样率,只采集一部分水平和垂直走线,或者使用精确的AD7142CDC来确定走线之间的触摸点。在更低的功耗级中,需要用户触摸屏幕中心来唤醒器件,这要求应用处理器只采样一条水平走线和一条垂直走线。
最低功耗级可以将应用处理器和AD7142 CDC置于关断模式。采用外部32kHz时钟以及每秒一次的采样率,典型的MAX IIZCPLD待机电流只有50μA。当MAX IIZCPLD的高功效电容探测系统监测到屏幕被触摸时,它通过中断信号唤醒处理器。处理器被唤醒后,系统以更高的精度来读取触摸位置。
本文小结
单点触摸屏和面板不再是实现电子系统接口的最新手段,而被认为是必备功能。单点触摸屏方案已经广泛应用,因此为使产品得到消费者的青睐,需要采用两点或者多点触摸屏。现在应用的多触点解决方案还不多,Altera MAX IIZ CPLD 利用现有元件实现了灵活的多触点用户接口。
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