利用电阻触摸屏和CPLD来实现多点触摸系统的替代

　触摸屏是成熟的技术，最基本、也是最常用的是4/5线电阻触摸屏。很多标准屏支持多种尺寸，可以选择多种解码模拟解决方案。电阻触摸屏支持多种输入方法，比如手指、触摸笔、手套和指甲等等。电容触摸屏是一种新的解决方案，也有4/5线选择，标准屏比较少，复杂的模拟解码器解决方案也比较少。电容触摸屏比较适合手指的输入，不太适合指甲、触摸笔和手套的输入。电容屏幕最主要的优势是表面耐用性，成熟的电阻和电容触摸屏限于单点触摸。iTouch等产品则采用了多点触摸技术，多点触摸增加了人机接口，并增加了两路以上的同时输入或者触摸点。静态输入触摸的例子有键盘或者游戏手柄上的Shift键和Control、Alt、Delete功能键等，它们都有多路独立的控制;动态输入的例子有手势、命令、旋转动作或者收缩、扩大等等。使用过多点触摸技术以后，传统的触摸技术就显得太简单了。

　　目前，可以使用到多点触摸技术的应用包括医疗影像(超声、X射线和MRI在进行图像处理时需要用到)、信息查询终端 (相片打印、零售信息查询终端、地图/导航等)、音乐/视频播放器(iTouch)、家电等。本文将介绍一个使用数字电阻触摸屏和MAX II CPLD来实现多点触摸系统的简单数字低成本替代方案。

　　多点触摸解码

　　任何多点触摸解决方案都从触摸屏开始。文中的例子使用NKKSwitch的数字SmartTouch，型号为FTAS225-5.7A-N。还有别的供应商提供的尺寸不同的其他数字电阻屏。处理接口是I2C，但也可以使用其他接口。

　　FTAS225-5.7A-N采用了5.7”叠层屏幕，15行×15列，触点分辨率为5mm×7mm。屏幕叠层实际上是15×15的开关矩阵。数字电阻屏叠层使用水平和垂直的铱锡氧化物(ITO)走线。走线之间是分开的，触摸时会使两层短路。

　　在此次演示中，设计简化为8×8数字电阻触摸屏。本例子使用了处理器I2C接口，但是也可以为任何处理器提供任意串行或者并行接口。该设计只需要MAX II将数字电阻触摸屏与处理器连接起来，利用MAX II内部上拉电阻和内部振荡器减少外部元件。

　　在图1中，垂直寄存器在每一列为每一行进行采样，水平寄存器组成了移位寄存器，阵列每次都被驱动为低电平。图中波形显示了没有触摸时屏幕是怎样解码的。当屏幕上没有点被触摸时，行探测信号保持高电平。当屏幕上第2行第2列被触摸时，导致第二行在C2采样期间被拉低。每次扫描显示屏时，I2C模块向处理器发送8字节数据。

　　表1 触摸屏的优缺点

　　图1 单点触摸解码的工作模式

　　多点触摸解码是怎样工作的呢?图2中的波形显示了三个触点。图中的手指符号表示每一个触点是怎样映射到行列采样信号的。三个触点导致扫描期间出现3个低电平脉冲。在某些3手指触摸条件下，简单解码器会错误地报告出现混叠信号，而后者是不正确的触点解码。3个触点必须呈三角形，其中两个点共享一行，两个点共享一列。图中的红圈画线显示了混叠信号解码脉冲。

　　图2 多点触摸解码的工作模式

　　改进后的解码器电路可以减小甚至消除混叠信号。首先，我们要做的是时钟速率提高，通常将时钟速率提高10-100倍。在图3中，I2C时钟从100kHz提高到4MHz。增加了同步移位和采样使能信号(绿色)。 SFT是移位使能信号，SEN是采样时能信号。加入了时序控制模块，支持SFT至SEN延时调整(红色)，支持移位使能信号对使能延时调整进行采样。时序控制模块能够减小移位使能采样，使能延时可以增大移位使能。采样使能延时独立地控制每一列、每一行延时。

　　图3 改进后的电路减小了混叠信号(1)

　　电路是怎样去掉混叠信号的呢?在实际系统中并没有调整时序，时钟更快一些。RA到RE详细显示了产生混叠信号的触摸屏通路，包括ITO走线阻抗、I到RE。I到RE详细阐述了产生混叠信号的触摸屏通路。由于采用了电阻，从手指触点1到混叠信号脉冲的延时比较大，因此，控制采样使能时序会忽略它。如左下部的箭头所示，通过改进采样使能信号，可以消除混叠信号。图5详细显示了延时和时序变化。时钟频率还是比实际例子慢，以方便理解该图。第0列和第5列的采样时序不同，以消除混叠信号。虽然C5 SEN信号比C0 SEN信号滞后，但还是比最初设计短得多。设计人员的目标是根据触摸屏和PCB特性，使每一列和每一行的采样时序足够长，能够正确采样真正的触摸;同时采样时序还要足够短，从而可以忽略混叠信号。利用MAX II器件的可编程能力，使用JTAG可以迅速重新配置设计或者动态进行控制，很容易对电路进行调整。

　　图4 改进后的电路减小了混叠信号(2)

　　图5 改进后的电路减小了混叠信号(3)

　　参考设计电路板非常简单(图6)。只需将MAX II器件直接连接至触摸屏的30个引脚，以及15×15 LED阵列。还有下载连接线J1，以及SPI或者I2C连接用的扩展插头J3。相对于I2C接口，LED阵列更容易进行交互式演示。

　　图6 演示电路板原理图

　　图7是MAX II电路结构图。它包括移位寄存器，含有来自时序控制模块的移位控制信号。时序控制模块还控制采样寄存器。为能够有效地演示时序变化的影响，将使用JTAG源探测特性Mega向导以及Quartus II和MAX II系列支持的源探测编辑器。

　　图7 MAX II电路结构图

　　如图8所示，时序控制模块有4个状态，显示在左下角。“复位”驱动所有引脚为高电平，建立时间为16个时钟周期。“移位”将列扫描移到左侧。“等待”是从移位到采样的可编程延时。JTAG8模块控制延时，是从JTAG电缆下载的8位数值，控制来自Quartus源探测编辑器窗口。它还对内部节点进行采样，以便在Quartus中实时读取。“等待”周期后，采样状态采集列数据。

　　图8 时序控制模块

　　MAX II是可编程逻辑器件，很容易采用免费的Quartus II设计工具对其进行定制，满足使用者的应用需求。同时，MAX II CPLD具有以下特性，非常适合数字电阻触摸屏解码：大量的I/O引脚，其中超低功耗MAX IIZ系列含有160个I/O，MAX II系列含有272个I/O，很少有处理器提供足够的I/O来解码数字电阻触摸屏;所有MAX II器件都有内部振荡器和可编程内部I/O上拉电阻;MAX II器件支持在系统可编程，这样可以先设计印刷电路板，然后再调整时序;MAX II的功耗非常低，MAX IIZ适用于很多电池供电的便携式应用;最后，可编程MAX II能够灵活的支持需要标准或者专用接口的处理器。