便攜式檢測設(shè)備的觸摸屏人機界面設(shè)計

趙漢武，趙會珍，楊 佳

（1.空軍第一航空學(xué)院，河南 信陽 464000；2.河南省鎮(zhèn)平縣教師進修學(xué)校，河南 南陽 474250）

0 引言

小型化專用檢測設(shè)備廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備與軍事裝備的性能檢測，如對于某工業(yè)控制系統(tǒng)的檢測，需要下達(dá)模擬指令，同時觀察或者采集其響應(yīng)；再如某型飛機供油閥選擇控制盒，對其進行完全的檢測需要模擬下達(dá)多達(dá)八種不同的指令。檢測項目越多，傳統(tǒng)的人機界面上需要布置的元件也就越多。例如上述的供油閥選擇控制盒，其原有檢查儀上一共設(shè)有八個選擇開關(guān)，幾十種選擇位，另有顯示屏、指示燈若干。操作元件越多，操作步驟也就越復(fù)雜，操作使用者面臨的困難也就越大，誤操作的可能性也會變高。因此，傳統(tǒng)檢測界面上的人機交互方式已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)以及信息化作戰(zhàn)對于檢測與保障效率提高的要求，迫切需要一種能夠簡化界面、提高友好程度的交互方式。

隨著消費電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，觸摸屏技術(shù)近年來得到了飛速的發(fā)展。使用觸摸屏作為檢測設(shè)備的界面具有顯著的優(yōu)點：面板簡捷、操作友好，因為取消了很多機械式的開關(guān)、旋鈕或者鍵盤，成本還有可能降低。近年來的一些行業(yè)檢測設(shè)備開始逐漸采用觸摸屏作為顯控交互的界面[1,5]，也反映了這一新型交互方式的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 工業(yè)用觸摸屏

觸摸屏又稱為觸控面板，是可接收觸頭等輸入訊號的感應(yīng)式液晶顯示裝置，當(dāng)接觸了屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先編程的程序驅(qū)動各種連接裝置，可用以取代機械式的按鈕面板，并借由液晶屏顯示出豐富的畫面效果。

1.1 觸摸屏組成

觸摸屏的本質(zhì)是傳感器加上控制器。作為傳感器的檢測部件安裝在觸摸屏顯示器屏幕的前面，用于檢測用戶的觸摸位置，然后將信息送至觸摸屏控制器。觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點檢測裝置接收觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)化為觸點坐標(biāo)并發(fā)送給上位機處理器，同時接收處理器送來的指令并執(zhí)行。

1.2 常用觸摸屏分類及工作原理

從技術(shù)原理來區(qū)分觸摸屏，可分為四個基本種類[3]：電阻技術(shù)觸摸屏、電容技術(shù)觸摸屏、紅外線技術(shù)觸摸屏和表面聲波技術(shù)觸摸屏。目前在工業(yè)上最常用的是電阻技術(shù)觸摸屏和電容技術(shù)觸摸屏，下面簡單介紹這兩類觸摸屏的工作原理。

電阻式觸摸屏利用壓力感應(yīng)進行控制。其主要部分是一塊與顯示器表面非常貼合的電阻薄膜屏，這層薄膜是一種多層的復(fù)合薄膜，以一層玻璃或硬塑料平板作為基層，表面涂有一層透明氧化金屬導(dǎo)電層，上面再蓋有一層外表面硬化處理、光滑防擦的塑料層，塑料層的內(nèi)表面也涂有一個涂層，該涂層與導(dǎo)電層之間有許多細(xì)小的透明隔離點把兩層隔開絕緣。當(dāng)手指觸摸屏幕時，兩導(dǎo)電層在觸摸點位置就有了接觸，因而電阻發(fā)生變化，在觸摸點位置就產(chǎn)生了信號，該信號再送到觸摸屏控制器。

和電阻式觸摸屏不同，電容式觸摸屏利用人體的電流感應(yīng)進行工作。電容式觸摸屏是一塊四層復(fù)合玻璃屏，玻璃屏的內(nèi)表面和夾層各涂有一層ITO，最外層是一薄層矽土玻璃保護層，夾層ITO 涂層作為工作面，四個角上引出四個電極，內(nèi)層ITO為屏蔽層，以保護良好的工作環(huán)境。當(dāng)手指觸摸在金屬層上時，由于人體電場，用戶和觸摸屏表面形成一個耦合電容，對于高頻電流來說，電容是直接導(dǎo)體，于是手指從接觸點吸走一個很小的電流。這個電流分別從觸摸屏四個角的電極中流出，并且流經(jīng)這四個電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過對這四個電流比例的精確計算，就可以得到觸摸點的位置。

1.3 觸摸屏控制器

觸摸屏控制器是觸摸屏控制的核心。常見的四線電阻 屏 控 制 芯 片 包 括 ADS7843、XPT2046、AD7146、AD5003、TS9638 等，芯片內(nèi)還具有控制通信接口，容易實現(xiàn)數(shù)據(jù)接口的連接[2,4]。除控制芯片外，控制器內(nèi)往往還使用了片上系統(tǒng)，如基于FPGA 或者ARM 等設(shè)計的控制系統(tǒng)，具備資源豐富、設(shè)計靈活、可以重復(fù)編程等優(yōu)點。使用片上系統(tǒng)可以預(yù)先存儲大量的界面圖片到存儲器中，同時構(gòu)建與上位機處理器之間更為簡單、友好的交互方式。因此，這種控制器得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

2 人機界面控制方式

因為觸摸屏控制器的功能越來越豐富，人機界面交互的方式也越來越靈活。此處以深圳新雁飛科技開發(fā)的XFS80480T070-TP 型7 英寸觸摸屏為例，介紹此類觸摸屏交互界面的開發(fā)流程和方法。

2.1 通信數(shù)據(jù)類型

XFS80480T070-TP 是一種串口控制觸摸屏，簡單來說，用戶只需要掌握UART 通信的知識，即可開發(fā)觸摸屏作為其交互界面。觸摸屏串口接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)模式為8n1，每個數(shù)據(jù)的傳送采用10位：1個起始位，8個數(shù)據(jù)位（LSB，低位在前），1個停止位。每個數(shù)據(jù)幀包含有多個數(shù)據(jù)，每幀包括四類數(shù)據(jù)塊，如表1所示，分別為幀頭、指令代碼、數(shù)據(jù)、幀結(jié)束。

該型觸摸屏的控制器內(nèi)有一個高達(dá)4096 字節(jié)的通信幀緩沖區(qū)，通信幀緩沖區(qū)為FIFO（先進先出寄存器）結(jié)構(gòu)，只要通信緩沖不溢出，用戶就可以連續(xù)傳送數(shù)據(jù)給觸摸屏控制器。

表1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)說明Tab.1 Introduction of data frame

如果所需刷新的屏幕數(shù)據(jù)量較大，則需要判斷通信是否繁忙。該觸摸屏控制器有一個硬件引腳（用戶接口中的 “BUSY”引腳）指示了FIFO 緩沖區(qū)的狀態(tài)，正常時，BUSY 引腳為高電平（RS232 接口為負(fù)電平），當(dāng)FIFO 緩沖區(qū)可用空間小于256 字節(jié)時，BUSY 引腳會立即變成低電平（RS232 接口為正電平）。建議使用BUSY 信號來控制串口發(fā)送，當(dāng)BUSY 信號為低電平時，就不用發(fā)送數(shù)據(jù)給觸摸屏控制器。不過，對于一般數(shù)據(jù)量不是很大的應(yīng)用，由于控制器的處理速度非?？欤彌_區(qū)又相對很大，用戶可以不判斷BUSY 信號的狀態(tài)。

2.2 預(yù)設(shè)界面圖片

開發(fā)過程中，利用廠家提供的客戶端軟件，將相關(guān)界面顯示圖片下載到觸摸屏控制器的存儲器內(nèi)。該款觸摸屏的圖片下載界面如圖1所示。圖片可利用Photoshop 等編輯軟件按照屏幕分辨率預(yù)先制好。每幅圖片都有一個獨一無二的編號，該編號在交互時可通過上位機程序調(diào)用。該型觸摸屏控制器的存儲容量可達(dá)64M 字節(jié)，能夠滿足一般的檢測需求。

另外，還需要劃定好按鍵位置，指定按鍵的響應(yīng)代碼。這樣，在執(zhí)行過程中，如果按壓了觸摸屏上的某個按鍵位置，則觸摸屏控制器就會自動將此按鍵對應(yīng)的鍵碼發(fā)送到上位機，便于上位機程序做出響應(yīng)。

2.3 界面顯示交互

圖1 界面圖片預(yù)設(shè)示意圖Fig.1 Preset of interface pictures

圖2 單片機與觸摸屏連接Fig.2 Communication between MCU and touch screen

圖片、鍵碼設(shè)定完畢后，觸摸屏就可以投入到各種便攜式檢測設(shè)備內(nèi)，作為交互的界面。如某型檢測設(shè)備使用了C8051F040 單片機作為核心電路，可利用該單片機的UART 接口與觸摸屏直接相連，如圖2所示。圖中單片機的P2.0 口用作空閑/繁忙的標(biāo)志位。

該型觸摸屏的一大優(yōu)勢是可以選擇 “自動”或者 “手動”的方式切換顯示內(nèi)容。所謂 “自動”，是指用戶在配置圖片內(nèi)容時，已經(jīng)按順序指定了圖片切換的方式，則在連接檢測設(shè)備工作時，即可按照指定的方式自動切換。比如，按壓了按鍵1，屏上顯示圖片1，按壓按鍵2，顯示圖片2 及文本3 等，這些自動切換是設(shè)置在觸摸屏的控制器內(nèi)的，不需要用戶再在上位機微處理器主程序中設(shè)置。而 “手動”方式則指嚴(yán)格按照上位機的程序指令，一步一步顯示各圖片。顯然，采用自動方式可減輕上位機軟件開發(fā)的壓力，使得用戶在開發(fā)過程中，集中精力于檢測的流程，而不需過多分心于顯示什么界面。

3 結(jié)束語

觸摸屏是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式，具有堅固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、易于交流等許多優(yōu)點。將觸摸屏應(yīng)用于小型化檢測設(shè)備作為與操作人員交互的界面，可作為改造老舊檢測設(shè)備的一種途徑，簡化交互方式，方便操作維護，是一種具有長遠(yuǎn)發(fā)展?jié)摿Φ纳壥侄巍?/p>

[1]陳鵬，鄭豐隆，等.基于C8051F310 和觸摸屏的煤礦通風(fēng)機后備保護儀設(shè)計[J].煤礦機電，2013，3.

[2]劉艷彬，雒作濤，等.PIC 單片機與eView 觸摸屏串行通信的實現(xiàn)[J].自動化應(yīng)用，2013，6.

[3]王闊.指尖上的技術(shù)——德普特工程師談觸摸屏技術(shù)與發(fā)展[J].微型計算機，2013，3～4.

[4]魏安琪.淺析基于單片機的液晶觸摸屏控制系統(tǒng)[J].信息系統(tǒng)工程，2013，4.

[5]李漢，葉偉強.基于觸摸屏的控制裝置及其應(yīng)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2013，3.