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触摸屏(Touch Screen)等效电路及检测
2007/7/9 17:09:43    Paul Kovitz,美国夏普微电子公

触摸屏(Touch Screen)包含上下叠合的两个透明层,一个位于另一个的顶部分。其中,四线和八线触摸屏由两层具有相同表面电阻的透明电阻性材料组成,五线和七线触摸屏由一个电阻层和一个导电层组成。通常还要用一种弹性材料来将两层隔开,当触摸屏表面受到的足够的压力(如通过笔尖或手指进行按压)时,顶层与底层之间会产生接触。所有的电阻式触摸屏都采用分压器原理来产生代表X坐标和Y坐标的电压。分压器是通过将两个电阻进行串联来实现的。上面的电阻(R1)连接正参考电压(VREF),下面的电阻(R2)接地。两个电阻连接点处的电压测量值与下面那个电阻的阻值成正比。

为了在电阻式触摸屏上的特定方向测量一个坐标,需要对一个电阻层进行偏置:将它的一边接VREF,另一边接地。同时,将未偏置的那一层连接到ADC的高阻抗输入端。当触摸屏上的压力足够大,使两层之间发生接触时,电阻性表面被分隔为两个电阻。它们的阻值与触摸点到偏置边缘的距离成正比。触摸点与接地边之间的电阻相当于分压器下面的那个电阻。因此,在未偏置层上测得的电压与触摸点到接地边之间的距离成正比。


1.四线触摸屏


四线触摸屏包含两个阻性层。其中一层在屏幕的左边缘有一条垂直总线条,第二条垂直总线条位于屏幕的右边,与左边类似。另外一层在屏幕的底部和顶部各有一条水平总线。

为了在X轴方向进行测量,将左侧总线偏置为0V,右侧总线偏置为VREF。将顶部或底部总线连接到ADC,当顶层和底层相接触时即可进行测量。 

为了在Y轴方向进行测量,将顶部总线偏置为VREF,底部总线偏置为0V。将ADC输入端接左侧总线或右侧总线,当顶层与底层相接触时即可对电压进行测量。

图1显示了四线触摸屏在两层相接触时的简化模型。对于四线触摸屏,最理想的连接方法是将偏置为VREF的总线连接到ADC的正参考输入端,并将设置为0V的总线接ADC的负参考输入端。

图1 四线触摸屏等效电路


2.五线触摸屏 


五线触摸屏使用了一个阻性层和一个导电层。导电层有一个触点,通常分布在一侧的边缘。阻性层的四个角上各有一个触点。为了在X轴方向进行测量,将左上角和左下角偏置到VREF,右上角和右下角接地。由于左、右角为同一电压,其效果与连接左右侧的总线差不多,类似于四线触摸屏中采用的方法。

图2  五线触摸屏等效电路


为了沿Y轴方向进行测量,将左上角和右上角偏置为VREF,左下角和右下角偏置为0V。由于上、下角分别为同一电压,其效果与连接顶部和底部边缘的总线大致相同,类似于在四线触摸屏中采用的方法。这种测量算法的优点在于它使左上角和右下角的电压保持不变;但如果采用光栅坐标,X轴和Y轴需要反向。

图2为两个层接触时,五线触摸屏的简化模型。为了得到较好的结果,应该将五线触摸屏的的左上角(偏置于VREF)连接到ADC的正参考输入端,将左下角(偏置为0V)接到ADC的负参考输入端。


3.七线触摸屏


七线触摸屏的实现方法除了在左上角和右下角各增加一根线之外,与五线触摸屏相同。执行屏幕测量时,将左上角的一根线连到VREF,另一根线接SAR ADC的正参考端。同时,右下角的一根线接0V,另一根线连接SAR ADC的负参考端。导电层仍用来测量电压分压器的电压。图3为两个层接触时,七线触摸屏的等效电路。
 


图3  七线触摸屏等效电路


4.八线触摸屏


除了在每条总线上各增加一根线之外,八线触摸屏的实现方法与四线触摸屏相同,如图4所示。对于VREF总线,将一根线用来连接VREF,其他线作为SAR ADC的数模转换器的正参考。对于0V总线,将一根线用来连接0V,其他线作为SAR ADC的数模转换器的负参考输入。在未偏置层的四根线中,任何一根都可用来测量分压器的电压。


图4  八线触摸屏等效电路


5.检测有无接触


对于所有的触摸屏,我们都能检测出来到底是否处于触摸状态,其方法是用一个弱上拉电阻将其中一层上拉,而用一个强下拉电阻来将另一层下拉。如果上拉层的测量电压大于某个逻辑阈值,就表明没有触摸,反之则处于触摸状态。这种方法的测量依据是,触摸屏是一个巨大的电容器。此外,可能还需要增加触摸屏引线的电容,以便滤除由LCD所引入的噪声。弱上拉电阻与大电容器相连会使上升时间变长,可能导致检测到虚假的触摸。

图5  四线触摸屏压力的测量


对于四线和八线触摸屏来说,可以按照图5来测量接触电阻RTOUCH。RTOUCH的数值与触摸压力近似成正比。

要测量触摸压力,必须知道触摸屏中某一层或两层的电阻。需要注意的是,如果Z1的测量值接近或等于0(测量过程中,当触摸点靠近接地的X总线时会出现这种情况),计算出的数值将出现一些问题,这时可以通过采用弱上拉方法进行有效改善。

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