FPGA的觸摸屏控制系統(tǒng)

李 盾

河南省索克實業(yè)有限公司，河南鄭州 450000

1 概述

觸摸屏操作簡單，控制方便，越來越成為手機及平板電腦的主流輸入和顯示設(shè)備。目前，世界上常用的觸摸屏有電阻式觸摸屏和電感式觸摸屏。由于電阻式觸摸屏具備結(jié)構(gòu)簡單、制造便捷、各項功能易被大多數(shù)設(shè)備所兼容的特點，故本系統(tǒng)選用電阻式觸摸屏作為輸入設(shè)備。

FPGA 具有性能高速、控制精準、實時性好的特點，當把FPGA 設(shè)置為ASIC，性能和效率將大大提升，功耗得到大幅降低。

2 總體設(shè)計

本系統(tǒng)選用FPGA 為主控制器，從觸摸數(shù)據(jù)采集模塊中讀取觸摸點數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理得到相應(yīng)點的坐標值，然后在顯示器上顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)，同時LED 指示完成相應(yīng)的操作，系統(tǒng)的總體框圖如圖1。

圖1 觸摸屏控制系統(tǒng)框圖

觸摸屏接受外部觸摸信號，觸摸坐標點的偏置電壓隨著屏幕水平和垂直方向的滑變電阻而變化。觸摸屏控制器主要完成觸摸屏和FPGA 控制器間的數(shù)據(jù)傳輸，對觸摸數(shù)據(jù)進行實施采樣，一旦發(fā)生觸摸操作，即將中斷信號發(fā)送至FPGA，由FPGA進行數(shù)據(jù)采集，發(fā)送指令啟動AD 轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換信號傳輸至FPGA 控制器，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。顯示控制器接受FPGA 發(fā)送的控制數(shù)據(jù)，在TFT 屏幕上進行顯示。

在這里，F(xiàn)GPA 選用ALTERA 公司的EP2C8Q208，觸摸屏控制器選用四線式電阻控制器XPT2046，便于實現(xiàn)觸摸點壓力測量，TFT 控制器選用通用的LCD 控制器ILI9325。

3 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)電源需要5V、3.3V 和1.2V 電壓，由于TFT 背光需要較高的亮度，故采用5V 供電；3.3V 電壓主要提供給TFT 顯示控制器、觸摸屏控制器、FPGA 芯片IO 接口、SDRAM 等，選用LM1085 穩(wěn)壓芯片；1.2V 作為FPGA 芯片核心工作電壓，采用AMS117-1.2 穩(wěn)壓芯片。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，在各電源輸入輸出部分均使用濾波電容。

FPGA 系統(tǒng)由時鐘電路、復(fù)位電路和FPGA 芯片構(gòu)成。本系統(tǒng)選用50MHz 晶振作為FPGA 的工作時鐘，晶振輸出的時鐘信號送至FPGA 的第23 引腳，即CLK0。復(fù)位電路輸出到FPGA 的CLKUSR 引腳上。復(fù)位電路采用電容充電放電方式，當按下按鍵時，CLKUSR 被拉低至地，電容被放電，進入復(fù)位狀態(tài)；松開按鍵時，電容經(jīng)過充電恢復(fù)至VCC，復(fù)位完成，復(fù)位時間與電容容值有關(guān)。

FPGA 內(nèi)部RAM 較小，運行NIOS 系統(tǒng)時，需大量內(nèi)存配合程序運行，這里選用K4S641632H SDRAM 芯片作為NIOS 的內(nèi)部存儲器。由于SDRAM 地址線和數(shù)據(jù)線分離，使數(shù)據(jù)讀寫速度快，適合RAM 進行擴展。在與NIOS 系統(tǒng)連接方面，ALTERA 公司SOPC Builder 提供了SDRAM 控制的IP 核。

觸摸采集芯片選用XPT2046，該IC 需3.3V 供電。XPT2046共有四個輸入及水平方向的X+、X—和垂直方向的Y+、Y—。此外PEN 是芯片輸出給控制器的中斷信號，當發(fā)生觸摸或數(shù)據(jù)傳輸完成即產(chǎn)生一次下降沿。

TFT 顯示接口電路選用ILI9325 控制器的i80 總線16 位傳輸模式，該總線數(shù)據(jù)線與地址線復(fù)用，通過RD 端確定傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)還是命令，RST 端為該芯片的復(fù)位端。模塊帶觸摸屏電路，通過X+、X-、Y+、Y-信號線輸出至觸摸屏控制器。

4 軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)由觸摸數(shù)據(jù)采集模塊、PLL 鎖相環(huán)模塊、NIOS 處理器模塊和復(fù)位模塊組成。觸摸采集模塊完成全部觸摸部分功能，直接輸出經(jīng)過濾波的觸摸數(shù)據(jù)；PLL 鎖相環(huán)模塊根據(jù)系統(tǒng)需求產(chǎn)生不同的時鐘信號；NIOS 處理器模塊作為控制系統(tǒng)的核心，完成數(shù)據(jù)讀取、顯示控制以及SDRAM 控制等功能；復(fù)位模塊監(jiān)視PLL 鎖相環(huán)是否正常工作，根據(jù)需要對CPU 進行復(fù)位操作。

觸摸數(shù)據(jù)采集模塊采用Verilog 編程，以完成寫觸摸控制器命令、觸摸中斷檢測、觸摸數(shù)據(jù)獲取、算術(shù)平均值濾波等功能，復(fù)位模塊由兩部分構(gòu)成，分別是延時復(fù)位模塊和二與門。復(fù)位延時模塊在收到復(fù)位信號或上電復(fù)位信號后延時輸出低電平復(fù)位信號，與門的另一個輸入是PLL 的locked 信號。當延時時間到達并且PLL 正常工作時，復(fù)位完成，與門的輸出連接到NIOS 處理器和觸摸采集單元電路上。

設(shè)計NIOS 程序時，首先初始化TFT 控制器，然后TFT 顯示模塊上顯示系統(tǒng)正常工作，進入循環(huán)控制狀態(tài)；在循環(huán)中查詢是否有觸摸采集模塊的數(shù)據(jù)輸入，如果沒有采集到信號，結(jié)束一次循環(huán)；如果采集到信號，則將接收到水平和垂直位置的12 位數(shù)據(jù)通過坐標變換轉(zhuǎn)換為屏幕上的對應(yīng)點坐標值，然后判斷是在TFT 區(qū)還是LED 區(qū)；如果在TFT 區(qū)，則接著判斷是在菜單區(qū)還是在操作顯示區(qū)；如果在菜單區(qū)，則清屏。如果在控制顯示區(qū)，則以當前坐標值為中心，在相應(yīng)位置畫一個半徑為20 個坐標的圓。接著，屏幕顯示清屏區(qū)域，并查詢觸摸是否在清屏區(qū)域內(nèi)，若在則執(zhí)行清屏程序，不在則執(zhí)行后續(xù)程序，屏幕左上角顯示當前坐標，TFT 控制顯示操作完成；如果判斷在LED 區(qū)，則再判斷是否在控制顯示區(qū)，如是將顯示區(qū)域編碼為相應(yīng)數(shù)據(jù)，然后解碼輸出至TFT 顯示，同時對應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸給LED 顯示，最后清除觸摸標志，完成一次循環(huán)。

5 仿真實驗

本系統(tǒng)的主要功能為觸摸信號采集，實現(xiàn)系統(tǒng)控制功能，屏幕設(shè)置了一個簡單的界面來完成觸摸操作。顯示由兩個菜單構(gòu)成：菜單一顯示當前坐標、以坐標為原點畫圓、清屏操作；菜單二實現(xiàn)LED 控制操作，同時實時顯示當前LED 狀態(tài)。經(jīng)過實操驗證，系統(tǒng)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)顯示正確，能夠很好的完成觸摸屏控制系統(tǒng)的基本功能。

6 結(jié)論

本系統(tǒng)的最大優(yōu)點是將硬件語言和軟件語言有效結(jié)合，對采集的觸摸數(shù)據(jù)濾波采用了特別的方法，不但可以使控制比較準確，還能無需設(shè)置直接檢測單次和連接觸摸數(shù)據(jù)，為電阻式觸摸屏系統(tǒng)提出切實可行的解決方案。

[1]姚愛紅，張國印，吳俊鵬.基于FPGA的硬件系統(tǒng)設(shè)計實驗與實踐教程[M].北京：清華大學出版社，2011.

[2]李宏，張家田.液晶顯示器件應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.