基于AT91X40系列的手持式觸摸屏

李建海，劉 迪，孫艷麗

（1.海軍航空工程學(xué)院 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部，山東 煙臺 264001；2.海軍航空工程學(xué)院 控制工程系，山東 煙臺 264001；）

手持系統(tǒng)是一種當(dāng)前頗為流行的便攜設(shè)備，其具有體積小巧，功能強(qiáng)大，操作簡便等特點(diǎn)。常見的手持系統(tǒng)如PDA掌上電腦就是一種高級的設(shè)備，現(xiàn)在的手持系統(tǒng)已經(jīng)成為眾多大公司追逐的新寵，未來的前景更是被廣泛看好。隨著科技發(fā)展，人們生活水平日益提高，新型的掌上手持系統(tǒng)越來越受到廣大消費(fèi)者的喜愛。原來的手持設(shè)備多以鍵盤作為輸入設(shè)備，這樣限制了設(shè)備本身的體積大小與便攜性[1]。如今大多手持設(shè)備已經(jīng)采用LCD液晶屏作為顯示屏，用觸摸屏代替原來的鍵盤，使在功能不變的情況下操作更簡便?；贏T91X40系列微控制器的手持系統(tǒng)，突出體現(xiàn)了電子產(chǎn)品的性價比較高的優(yōu)勢。目前，AT91X40系列微控制器應(yīng)用廣泛，材料易于購買，與速度較高的其他芯片相比價格也相對低廉，適用于大眾化的中低端產(chǎn)品[2]。手持系統(tǒng)的顯示和輸入設(shè)備，采用了現(xiàn)在流行的觸摸屏。觸摸屏技術(shù)發(fā)展速度快，前景廣闊，目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，具有極大的研究價值。這個系統(tǒng)中，選用了ADS7843和SED1335兩種主流觸摸和LCD顯示芯片。整個硬件的選擇突出了主流性、先進(jìn)性，保證研究成果擁有一定實(shí)際價值。

1 系統(tǒng)的核心控制芯片

AT91X40系列微控制器集成了ARM7TDMI核、嵌入式ICE接口、存儲器以及外圍部件。系列結(jié)構(gòu)有兩條主要總線：先進(jìn)系統(tǒng)總線ASB（Advanced System Bus）和先進(jìn)外圍總線APB（Advanced Peripheral Bus）。ARM7TDMI通過 ASB 接口實(shí)現(xiàn)與片內(nèi)32位存儲器、外部總線接口EBI以及AMBA橋的互連。AMBA橋用來驅(qū)動APB；APB用來訪問片內(nèi)外圍，優(yōu)化系統(tǒng)功耗。AT91X40系列方框圖如圖1所示。

1.1 存儲器

AT91X40系列微控制器有多達(dá)256 kB的片內(nèi)SRAM和128 kB的片內(nèi)ROM。內(nèi)部存儲器通過32位數(shù)據(jù)總線與ARM核連接，具有單周期訪問的特性。當(dāng)使用ARM指令集時可以達(dá)到0.9 MIPS/MHz的性能，系統(tǒng)功耗最小，性能優(yōu)于使用分開存儲器的方案。該系列產(chǎn)品具有外部總線接口EBI。通過它，ARM核可以與外部存儲器及專用外設(shè)相連接[2]。EBI支持8位和16位器件，并可以用兩個8位器件來仿真一個16位器件。EBI還實(shí)現(xiàn)了早讀協(xié)議，使用戶可以獲得比標(biāo)準(zhǔn)讀協(xié)議更快的存儲器訪問速度。

圖1 AT91X40系列方框圖Fig.1 Block diagram of AT91X40 series

1.2 片內(nèi)外圍

AT91X40系列產(chǎn)品集成有片內(nèi)外圍，分為系統(tǒng)外圍和用戶外圍。ARM核可以通過AMBA橋以32位的總線寬度訪問，用最少的指令編程所有的片內(nèi)外圍。外圍寄存器集包括控制寄存器、模式寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器以及使能/禁止/狀態(tài)寄存器。片內(nèi)外圍數(shù)據(jù)控制器 PDC（Peripheral Data Controller）用來在USART和片內(nèi)/外存儲器之間傳送數(shù)據(jù)而無需處理器的干預(yù)。最重要的是，PDC省去了處理器中斷處理的開銷，使得系統(tǒng)無需重新編程起始地址就可以連續(xù)傳送多達(dá)64 kB的數(shù)據(jù)，從而提高了微控制器的性能，降低了功耗。

2 觸摸屏的結(jié)構(gòu)及功能特性

2.1 觸摸屏的結(jié)構(gòu)

典型觸摸屏的工作部分一般由3部分組成，如圖2所示：兩層透明的阻性導(dǎo)體層、兩層導(dǎo)體之間的隔離層、電極。阻性導(dǎo)體層選用阻性材料，如銦錫氧化物（ITO）涂在襯底上構(gòu)成，上層襯底用塑料，下層襯底用玻璃。隔離層為粘性絕緣液體材料，如聚脂薄膜。電極選用導(dǎo)電性能極好的材料（如銀粉墨）構(gòu)成，其導(dǎo)電性能大約為ITO的1 000倍[3]。

圖2 觸摸屏結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of touch screen

2.2 觸摸控制芯片ADS7843的功能特性

ADS7843是4線電阻觸摸屏轉(zhuǎn)換接口芯片。它是一款具有同步串行接口的12位取樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在125 kHz吞吐速率和2.7 V電壓下的功耗為750 μW，而在關(guān)閉模式下的功耗僅為0.5 μW。因此，ADS7843以其低功耗和高速率等特性，被廣泛應(yīng)用在采用電池供電的小型手持設(shè)備上。ADS7843采用SSOP-16引腳封裝形式，溫度范圍是-40～+85℃。ADS7843具有兩個輔助輸入（IN3、IN4），可設(shè)為8位或12位模式。其外部連接電路如圖3所示，該電路的工作電壓Vcc在2.7～5.25 V之間，基準(zhǔn)電壓介于1 V～+Vcc。該電路基準(zhǔn)電壓確定了轉(zhuǎn)換器輸入范圍，輸出數(shù)據(jù)中每個數(shù)字位代表的模擬電壓等于基準(zhǔn)電壓除以4 096。平均基準(zhǔn)輸入電流由ADS7843轉(zhuǎn)換率來確定[4]。

圖3 ADS7843外部連接電路Fig.3 External connection circuit of ADS7843

3 液晶顯示芯片SED1335的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

液晶顯示器簡稱LCD，由于液晶顯示器具有低損耗、低價格、壽命長、接口方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、照相機(jī)、計(jì)算機(jī)、智能儀器儀表等產(chǎn)品上。主要有兩種液晶顯示控制器。一種是將控制器集成在CPU中，制成帶液晶顯示控制器的專用CPU。這種控制器的CPU功能強(qiáng)大，外電路簡單，一般只適用于小規(guī)模LCD模塊[5]。另一種是專用控制器芯片。這種芯片具有較強(qiáng)的指令功能，與CPU接口簡單，便于控制，驅(qū)動能力可達(dá)640×256點(diǎn)陣。本系統(tǒng)液晶顯示控制芯片SED1335具有功能較強(qiáng)的I/O緩沖器和豐富的指令系統(tǒng)，可以并行傳送4位數(shù)據(jù)，最大驅(qū)動能力達(dá)640×256點(diǎn)陣，而且能夠?qū)崿F(xiàn)圖形和文本格式混合顯示。它的結(jié)構(gòu)包括接口部分、管理控制部分和LCD顯示驅(qū)動部分[6]。其電路原理如圖4所示。

圖4 電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of circuit

3.1 接口部分

SED1335接口部分由指令輸入緩沖器、數(shù)據(jù)輸入緩沖器、數(shù)據(jù)輸出緩沖器和標(biāo)志寄存器組成。常用接口引腳功能如表1所示。這些緩沖器通道的選擇由引腳A0和讀/寫操作信號聯(lián)合控制。“忙”標(biāo)志寄存器是一位只讀寄存器。僅有一位“忙”標(biāo)志位BF。當(dāng)BF=1時，表示SED1335正向液晶顯示模塊傳送有效顯示數(shù)據(jù)。在傳送完一行有效顯示數(shù)據(jù)起到下一行傳送開始之前的間歇內(nèi)BF=0。當(dāng)大屏上大量顯示數(shù)據(jù)修改時，若BF=0，傳送不影響大屏的顯示效果。

SED1335接口部分帶有功能較強(qiáng)的I/O緩沖器，可隨時準(zhǔn)備接收MPU的訪問，并按內(nèi)部時序，及時把MPU發(fā)來的指令和數(shù)據(jù)傳輸就位。SED1335在接口部分設(shè)置了適配8080系列和M6800系列MPU的兩種操作時序電路，通過設(shè)置引腳電平來選擇操作時序。

3.2 控制部分

SED1335的控制部分由振蕩器、功能邏輯電路、顯示RAM管理電路、字符庫管理電路以及產(chǎn)生驅(qū)動時序的時序發(fā)生器等組成。振蕩器的工作頻率范圍為 1～10 MHz。SED1335能在很高的工作頻率下迅速地編譯MPU發(fā)來的指令代碼。將參數(shù)置入相應(yīng)寄存器內(nèi)，并觸發(fā)相應(yīng)的邏輯功能電路。顯示RAM管理電路用以管理64 k顯示RAM及內(nèi)藏的字符發(fā)生器CGRAM或EXCGROM。

表1 SED1335常用引腳功能Tab.1 Used SED1335 pin function

1）文本顯示特性 具有文本顯示特性的顯示RAM區(qū)用于文本顯示，在該顯示RAM區(qū)中，每個字節(jié)的數(shù)據(jù)都是字符代碼。SED1335利用這些字符代碼來確定字符庫中字符的首地址，然后將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳送到液晶顯示模塊上，在液晶屏上以8×8點(diǎn)陣塊顯示該字符。SED1335中專門有一組寄存器來管理這兩種特性的顯示區(qū)，使其既可以單獨(dú)顯示一個特性，也可按某種邏輯關(guān)系顯示兩個特性。顯示方式的設(shè)置可以通過軟件指令來完成。

2）圖形顯示特性 具有圖形顯示特性的顯示RAM區(qū)用于圖形顯示。在該顯示RAM區(qū)中，每一個字節(jié)的數(shù)據(jù)都直接送到液晶顯示模塊上，每一位的電平?jīng)Q定上一個點(diǎn)的顯示狀態(tài)?！?”為顯示，“0”為不顯示。所以，圖形顯示RAM的一個字節(jié)對應(yīng)顯示屏上的8×1點(diǎn)陣。SED1335中專門有一組寄存器來管理這兩種特性的顯示區(qū)，使其既可以單獨(dú)顯示一個特性，也可按某種邏輯關(guān)系顯示兩個特性。顯示方式的設(shè)置可以通過軟件指令來完成。

3）字符發(fā)生器CGROM SED1335管理內(nèi)藏字符發(fā)生器CGROM，在字符發(fā)生器內(nèi)固化了160種5×7點(diǎn)陣字符的字模。SED1335還有外擴(kuò)字符發(fā)生器，需要外擴(kuò)字符發(fā)生器時，既可以用RAM區(qū)開辟的CGRAM，也可以用EPROM固化字庫來實(shí)現(xiàn)。由SED1335僅能處理8位的字符代碼，所以一次最多只能顯示及建立156種字符。在SED1335的字符表中給出了內(nèi)部字符發(fā)生器的全部內(nèi)容。同時也給出了外擴(kuò)字符發(fā)生器的字符代碼范圍：80H-9FH和E0H-FFH共64種。

4 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)及程序流程

在調(diào)試核心控制芯片AT91X40系列微控制器時，根據(jù)觸摸屏的參數(shù)要求，要設(shè)置了一些基本參數(shù)。例如：系統(tǒng)時鐘、中斷類型、I/O口選用方式。因?yàn)闆]有大功率的外部設(shè)備需要驅(qū)動，把各個管腳統(tǒng)一設(shè)置為漏極模式。因?yàn)橹挥玫搅?中斷這個特殊功能，所以把其他功能關(guān)閉[2]。SED1335的設(shè)置很繁瑣，關(guān)鍵之處在于初始化的設(shè)置，把握住幾個關(guān)鍵性參數(shù)的設(shè)置即可，比如：屏幕顯示大小、顯示頻率、開關(guān)屏指令。觸摸功能的實(shí)現(xiàn)在于坐標(biāo)采集的正確，以及中斷服務(wù)程序的編寫。如果單純考慮控制芯片對中斷的響應(yīng)，而加大延遲，勢必造成程序運(yùn)行不流暢甚至死機(jī)的后果?？墒遣患哟笱舆t，就要通過長時間的觸摸一點(diǎn)來達(dá)到系統(tǒng)對中斷的充分響應(yīng)，這樣一來會使觸摸按鍵顯得過于遲鈍。 在觸摸點(diǎn)坐標(biāo)采集的問題上，現(xiàn)在有幾種理論思想。第一種，多次測量觸摸點(diǎn)坐標(biāo)取平均值，這樣采集到的坐標(biāo)點(diǎn)很精確，但是耗時較多；第二種，通過查表的方式來確定坐標(biāo)點(diǎn)。其原理大概是，事先編好一個坐標(biāo)的數(shù)據(jù)表，當(dāng)觸摸點(diǎn)在一個區(qū)域內(nèi)時，根據(jù)查表的結(jié)果判定觸摸的位置。這種方法適用于觸摸固定位置的屏，因?yàn)橐孪染帞?shù)據(jù)表，所以靈活性稍差[7]。這里采用了第二種方法，但是根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行了簡化。具體的程序流程圖如圖5所示。主要包括：AT91X40系列控制芯片的初始化設(shè)置，ADS7843的初始化設(shè)置，SED1335的初始化設(shè)置，圖形顯示，清屏功能。

圖5 程序流程圖Fig.5 Flow chart of program

5 結(jié)束語

基于AT91X40系列的手持式觸摸屏，具有體積小巧，功能強(qiáng)大，操作簡便等特點(diǎn)。手持式觸摸屏的顯示和輸入設(shè)備，采用了現(xiàn)在流行的觸摸屏。觸摸屏技術(shù)發(fā)展速度快，前景廣闊，目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，具有極大的研究價值。這個系統(tǒng)中，選用了ADS7843和SED1335兩種主流觸摸和LCD顯示芯片。整個硬件的選擇突出了主流性、先進(jìn)性，保證研究成果擁有一定實(shí)際價值。

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