- 智能手機低功耗觸摸屏接口設計
- 采用Altera MAX IIZ CPLD解決方案
- 采用ADI的AD7142 CDC解決方案
支持網絡的多媒體智能電話改變了消費者使用手機的方式。在這些電話中，特別受歡迎的是液晶觸摸屏接口，用戶通過它來使用各種應用程序，或者用手指滾動訪問網頁。如果希望在不花費大量的時間、預算或者功耗的情況下，開發這類復雜的接口，采用零功耗Altera MAX IIZ CPLD是一個理想的選擇。
與 ASSP或者其它競爭技術不同，MAX IIZ CPLD的I/O非常多、使用方便、功耗低，能靈活突出產品優勢。這些優點大大簡化并加速了個性化手機、便攜式媒體播放器和顯示器的開發，適用于醫療、汽車和工業等應用領域。Altera基于MAX IIZ EPM240Z器件的最新多點觸摸屏參考設計，有助于設計人員迅速將構思變為實際產品。
定制或者自行設計
任何觸摸屏方案都包括兩部分：2D觸摸傳感器和計算應用程序，后者將傳感器數據轉換為用戶意圖。參考設計是完整的傳感器和數據采集系統，可以進行定制，也可以原樣使用。它提供銦錫氧化物(ITO)屏以及簡單的雙面PCB用作多觸點導航板。圖1(a)所示的2D多觸點參考設計基于MAX IIZ EPM240Z CPLD以及ADI的AD7142 集成電容數字轉換器(CDC)，支持片內環境校準以及ITO屏。
參考設計有一個簡單的數據解釋程序，演示并測試多觸點傳感器的工作。AD7142 CDC用于監測電容變化，只有14個電容傳感器通道。在這一參考設計中，MAX IIZ CPLD擴展了AD7142 CDC的功能，使其能夠處理兩維ITO薄膜和PCB觸摸傳感器。應用處理器通過SPI或者I2C總線訪問AD7142的CDC寄存器文件，將MAX IIZ CPLD的SRC信號控制設置在合適的軸上。長時間暫停后，觸摸屏監測到一次觸摸時，MAX IIZ CPLD會產生一個中斷信號。
ITO或者PCB觸摸屏設計
任何觸摸屏設計都從實際的觸摸傳感器開始。雖然這個參考設計主要是針對電容ITO 觸摸屏，但也適用于一面為水平走線，另一面是垂直走線的雙面PCB。ITO 觸摸屏有兩個被絕緣體分開的透明層，14條y走線連接至AD7142 CDC輸入，16條x走線連接至MAX IIZ CPLD。MAX IIZ CPLD能夠增加更多的I/O，進一步提高分辨率，支持更大的觸摸屏。14x16的設計可支持最高16x14cm的觸摸屏。
圖1：(a) 基于Altera MAX IIZ EPM240Z CPLD的多觸點觸摸屏參考設計
圖1：(b) ITO觸摸屏或者PCB觸摸板的側視圖(左)以及正視圖(右)
ITO 觸摸傳感器有兩個被絕緣體分開的互相垂直的層，上面分別是x和y走線。理想情況下，x走線在下面，y走線在上面，連接至AD7142輸入。如此布置的原因是CDC在監視靠近手指的走線時更敏感。走線陣列較寬，間距為5至10mm。圖1(b)中左側為觸摸屏交叉部分，右側是觸摸屏。在實際的顯示觸摸屏中，走線是透明的。[page]
圖1(b)中的傳感器可實現計算導航板，從而避免了使用普通導航板所需要的選擇按鈕。如圖2所示，中指移動光標，食指和無名指觸摸屏幕，指示鼠標左鍵或者右鍵點擊。去掉移動部分后，電容觸摸屏傳感器比按鍵和按鍵開關更耐用。
圖2：用手指控制無開關導航板
ADI的AD7142 CDC
AD7142 CDC并不是設計用作觸摸屏解碼器，而是用于測量電容以及PCB上傳感器線陣的電容變化。AD7142 CDC電氣特性比較完備，能校準特定的PCB布局，然后針對14個傳感器輸入的每一輸入進行電容測量，精度為12位。每個測量周期結束后，通過I2C或者SPI總線來訪問這些數值。AD7142 CDC在SRC信號上發送一個250kHz方波，驅動靠近傳感器板的走線，然后測量接收到的SRC信號強度。由于觸摸屏電容和SRC信號接收強度成正比，因此AD7142 CDC探測并量化用戶手指接觸觸摸屏時的電容變化。
AD7142 CDC連續進行14次可尋址電容測量。圖3顯示當沒有手指接觸時基線條件下的寄存器值，下面的圖顯示了手指觸摸傳感器9時的寄存器值。AD7142 CDC非常靈敏，應用處理器利用這一詳細的電容矢量值，確定手指位于9.3傳感器位置，即在傳感器9和10之間。AD7142 CDC精度達到12位，因此，只需要14個傳感器就可以精確測量手指的位置。
圖3：線性AD7142 CDC采樣示意圖
AD7142 CDC文檔詳細介紹了工作過程和校準功能。
MAX IIZ CPLD將線性傳感器轉換為2D傳感器
AD7142 CDC可以測量14個傳感器相對于一條SRC走線的電容。增加MAX IIZ CPLD后，可在串行接口的控制下，獲得AD7142 CDC的SRC方波信號，并選擇驅動觸摸屏的某一條垂直x走線，從而支持多條SRC走線。AD7142 CDC可以進行相對于垂直走線軸或者本地的電容測量。MAX IIZ中大量的I/O (5x5mm封裝支持54個I/O，7x7mm封裝支持116個I/O)結合AD7142的高分辨率電容數字測量能力，使這一解決方案能夠適用于面積較大的觸摸屏和面板。
圖4為AD7142 CDC和MAX IIZ CPLD相結合后的2D電容測量結果，顯示了16條走線，即，對x軸進行了16次劃分。左側是基線電容測量，而右側是兩個手指觸摸傳感器后的結果。圖中藍色和紅色采樣行表示哪一SRC走線被激活。
圖4：電容數字采樣2D陣列表示：基線(左)和觸摸后的結果(右)
應用處理器通過串行接口設置MAX IIZ CPLD驅動傳感器S1列和SRC信號，讀取來自AD7142 CDC的14個電容值。然后，應用處理器通知MAX IIZ CPLD將SRC移至下一垂直走線，進行另一次14個電容測量，不斷重復，直至應用處理器獲得了觸摸傳感器2D區域內所有244個(14x16)電容測量值。使用I2C總線，采集所有數據的時間大約為375 ms，而使用SPI總線的時間為300ms。(降低CDC采樣分辨率可以減少采樣周期)。然后，應用處理器處理原始數據，確定用戶意圖。
降低功耗，節省時間，減少處理
MAX IIZ CPLD和AD7142 CDC觸摸屏解碼參考設計的功效非常高，正常全速工作和正常分辨率下一般只需要1.5mA電流。它還支持三種其它功效級別。在第一低功耗級中，應用處理器降低采樣率，只采集一部分水平和垂直走線，或者使用精確的AD7142 CDC來確定走線之間的觸摸點。在更低的功耗級中，需要用戶觸摸屏幕中心來喚醒器件，這要求應用處理器只采樣一條水平走線和一條垂直走線。
最低功耗級可以將應用處理器和AD7142 CDC置于關斷模式。采用外部32kHz時鐘以及每秒一次的采樣率，典型的MAX IIZ CPLD待機電流只有50μA。當MAX IIZ CPLD的高功效電容探測系統監測到屏幕被觸摸時，它通過中斷信號喚醒處理器。處理器被喚醒后，系統以更高的精度來讀取觸摸位置。
本文小結
單點觸摸屏和面板不再是實現電子系統接口的最新手段，而被認為是必備功能。單點觸摸屏方案已經廣泛應用，因此為使產品得到消費者的青睞，需要采用兩點或者多點觸摸屏。現在應用的多觸點解決方案還不多，Altera MAX IIZ CPLD 利用現有元件實現了靈活的多觸點用戶接口。
