基于STM32的電阻觸摸屏原理解析

本文共有三個(gè)內(nèi)容：一、電阻觸摸屏的原理；二、XPT2046的控制字與數(shù)字接口；三、程序源碼講解（參考正點(diǎn)原子的代碼）

一、電阻觸摸屏的原理，上圖：

圖上的文字介紹了觸摸的原理，下面總結(jié)一下觸摸的原理：

觸摸屏工作主要是兩個(gè)電阻屏（上下兩層）在工作，如上圖，當(dāng)某一層電級(jí)加上電壓時(shí)，會(huì)在該網(wǎng)絡(luò)上形成電壓梯度。如果有外力使得上下兩層在某一點(diǎn)接觸，則在未加電壓的那一層可以測(cè)得接觸點(diǎn)的電壓，從而得出接觸點(diǎn)的坐標(biāo)（X或Y）。舉個(gè)例子：當(dāng)我們?cè)谏蠈拥碾姌O間（Y+和Y-）加上電壓，則會(huì)在上層形成電壓梯度（這里讀者可以想想AD轉(zhuǎn)換的原理），當(dāng)有外力使得上下兩層在某一點(diǎn)接觸時(shí)，在底層X層就可以測(cè)得接觸點(diǎn)處的電壓（每個(gè)點(diǎn)電壓都不同），再根據(jù)測(cè)得電壓和電極電壓的關(guān)系與距離成正比關(guān)系（看上圖的關(guān)系式）就可以得到該點(diǎn)的Y坐標(biāo)。然后，將電壓切換到下層電極（X+和X-）上，并在頂層Y層上測(cè)量接觸點(diǎn)的電壓，從而得到X坐標(biāo)。

原理說完了，不知道讀者注沒注意到上一段中提到 ‘要測(cè)得接觸點(diǎn)的電壓’，怎么測(cè)得電壓還轉(zhuǎn)換為數(shù)字呢？那就需要一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器在哪兒？下面就來介紹一下本文中的觸摸屏控制芯片-XPT2046：4導(dǎo)線控制器；內(nèi)含12位分辨率，125KHz轉(zhuǎn)換速率逐步逼近型A/D轉(zhuǎn)換器；支持從1.5V~5.25V的低電壓IO接口。通過兩次AD轉(zhuǎn)換查出被按的屏幕位置。除此之外，該芯片還有內(nèi)部自帶2.5V參考電壓作為輔助輸入，溫度測(cè)量和電池監(jiān)測(cè)模式，電池監(jiān)測(cè)的范圍可以從0V~6V，功耗小等等。XPT2046引腳圖如下：

二、XPT2046的控制字與數(shù)字接口：

再來看XPT2046的數(shù)字接口（傳輸格式）：

下面詳細(xì)解釋下XPT2046的轉(zhuǎn)換時(shí)序：

1、為完成一次電壓切換和AD轉(zhuǎn)換，前8個(gè)時(shí)鐘通過DIN引腳往XPT2046發(fā)8位控制字節(jié)（控制字）；

2、轉(zhuǎn)換器收到有關(guān)下次轉(zhuǎn)換的足夠信息之后，接著根據(jù)獲得的信息設(shè)置輸入多路選擇器和參考源輸入，并進(jìn)入采樣模式；

3、3個(gè)多時(shí)鐘周期后，控制字節(jié)設(shè)置完成，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入轉(zhuǎn)換狀態(tài)；

4、接著12個(gè)時(shí)鐘周期你將完成真正的AD轉(zhuǎn)換；

5、如果是度量比例轉(zhuǎn)換方式（控制字節(jié)的第2位）=0，驅(qū)動(dòng)器將一直工作，第13個(gè)時(shí)鐘將輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的最后一位，剩下3個(gè)時(shí)鐘完成轉(zhuǎn)換器忽略的最后字節(jié)。

一次完整的轉(zhuǎn)換需要24個(gè)串行同步時(shí)鐘（DCLK）來完成。

三、程序源碼講解（參考正點(diǎn)原子的代碼）

首先我們要知道觸摸屏控制器XPT2046的哪些引腳與STM32的IO相連。在上文的XPT2046引腳圖中，11，12，13，14，15，16引腳，13引腳（轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號(hào)）不用；第二，我們這里不用筆中斷（引腳11），而是將筆中斷引腳接到了STM32的F10上。

注意：拿萬用表測(cè)F10引腳，不觸摸時(shí)輸出3.3幾V，觸摸屏幕時(shí)，此引腳會(huì)輸出低電平（0V）。其實(shí)我之前用的是示波器測(cè)的，不觸摸時(shí)輸出3.3幾V，當(dāng)觸摸時(shí)，F(xiàn)10的輸出電壓會(huì)在幾百mV到2V之間，不知道咋回事，折騰半天?？赡苁俏也粫?huì)使示波器。感興趣的讀者可以去測(cè)一測(cè)

1、通過模擬SPI時(shí)序往XPT2046中寫一個(gè)字節(jié)void TP_Write_Byte（u8 num）

和通過模擬SPI時(shí)序從XPT2046中讀取adc值（AD轉(zhuǎn)換結(jié)果）u16 TP_Read_AD（u8 CMD），

這里說一下，形參CMD是命令控制字，詳情第二講。。這里我們可以CMD_RDX=0xD0和CMD_RDY=0x90傳入CMD中，就是讀取X方向的AD值時(shí)，把控制字的A2~A0配置為101，讀取Y方向的AD值時(shí)，把控制字的A2~A0配置為001，都是選擇12位模式，差分輸入，低功率模式。

注意：這里提一下為什么要用差分輸入模式：手冊(cè)說，配置為差分輸入模式可有效消除由于驅(qū)動(dòng)開關(guān)的寄生電阻及外部的干擾帶來的測(cè)量誤差，提高轉(zhuǎn)換精度。

一般來說我們要調(diào)用多次u16 TP_Read_AD（u8 CMD）這個(gè)函數(shù)，因?yàn)橐淮无D(zhuǎn)換往往與真實(shí)值存在較大誤差，故我們?cè)O(shè)定一個(gè)次數(shù)：READ_TIMES，多次轉(zhuǎn)換。然后斬頭去尾留中間，再取平均值，這樣得到的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果就相當(dāng)精確了?？春瘮?shù)u16 TP_Read_XOY（u8 xy）。

2、還有u8 TP_Read_XY（u16 *x，u16 *y）就是同時(shí)讀取X、Y的AD轉(zhuǎn)換值，是上一個(gè)函數(shù)u16 TP_Read_XOY（u8 xy）的升級(jí)版~

而u8 TP_Read_XY2（u16 *x，u16 *y）是連續(xù)兩次讀取X和Y的AD轉(zhuǎn)換值，并將有效的AD值存入*x和*y指向的內(nèi)存中，這樣得到的AD值就很準(zhǔn)確了，再通過相應(yīng)的比例計(jì)算就可以轉(zhuǎn)換為實(shí)際坐標(biāo)了。。

上面一直在講AD值的精確獲取。。。下面就要把獲得的精確AD值轉(zhuǎn)換為實(shí)際坐標(biāo)。譬如我們點(diǎn)了一下觸摸屏，返回的AD值為（1600，1200），即觸點(diǎn)X方向的AD值為1600，Y方向的AD值為1200，下面就是介紹如何把像1600和1200這種AD值轉(zhuǎn)換為實(shí)際坐標(biāo)。

在轉(zhuǎn)換為實(shí)際坐標(biāo)之前要講一下一個(gè)非常重要的知識(shí)點(diǎn)------觸摸屏校正，為什么要校正，博主在這里就不給大家列舉了，請(qǐng)讀者自己查閱相關(guān)資料~

校正原理（借鑒了一些網(wǎng)絡(luò)上的優(yōu)秀文章）：

因?yàn)槲覀冊(cè)賹?shí)際中無法確定TFT屏的原點(diǎn)，那么我們只能在TFT屏上先確定4個(gè)點(diǎn)，如圖：

這4個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)是我們知道的，然后用筆去觸摸這4個(gè)點(diǎn)，記錄下這4個(gè)點(diǎn)的AD值，分別為：（AD_X1，AD_Y1），（AD_X2，AD_Y2），（AD_X3，AD_Y3），（AD_X4，AD_Y4），根據(jù)這四個(gè)點(diǎn)，我們計(jì)算出四個(gè)校準(zhǔn)參數(shù)（下文會(huì)詳細(xì)介紹）：xfac，yfac，xoff，yoff，我們把得到的所有物理坐標(biāo)都按這個(gè)關(guān)系式來計(jì)算：

LCDx=xfac*Px+xoff

LCDy=yfac*PY+yoff

其中（LCDx，LCDy）是在LCD上的實(shí)際坐標(biāo)（像素坐標(biāo)），（Px，Py）是從觸摸屏讀到的物理坐標(biāo)。剩下4個(gè)參數(shù)，下文會(huì)介紹

校正代碼：

圖上畫紅圈的，請(qǐng)讀者注意tp_dev.sta狀態(tài)位的變化，下面就進(jìn)入第二個(gè)紅圈：tp_dev.scan（1）觸摸掃描函數(shù)中看看，這里scan是函數(shù)指針：

這里應(yīng)該從校準(zhǔn)函數(shù)中說，應(yīng)該能好理解。→_→在校準(zhǔn)函數(shù)中，不斷掃描TP_Scan（）函數(shù)，如果這時(shí)候你觸摸了一下屏幕，PEN所對(duì)應(yīng)STM32的引腳將會(huì)從高電平跳變?yōu)榈碗娖?，詳情看上文第二講的注意→_→。即Ttp_dev.sta=1100，0000（根據(jù)上圖第一個(gè)方框得出）。不滿足校準(zhǔn)函數(shù)中的if（（tp_dev.sta&0xc0）==TP_CATH_PRES），故不會(huì)進(jìn)行下面的畫點(diǎn)。如果之前并沒有按下觸摸屏，這時(shí)同樣是不滿足上面if的。如果之前按下后松下了，這時(shí)Ttp_dev.sta=0111，1111，這時(shí)滿足校準(zhǔn)函數(shù)中的if（（tp_dev.sta&0xc0）==TP_CATH_PRES），然后在校準(zhǔn)函數(shù)中標(biāo)記下觸摸已經(jīng)被處理了（清除tp_dev.sta），清除第一個(gè)點(diǎn)，畫第二個(gè)點(diǎn)，清除第二個(gè)點(diǎn)，畫第三個(gè)點(diǎn)，清除第三個(gè)點(diǎn)，畫第四個(gè)點(diǎn)，清除第四個(gè)點(diǎn)。也就是，觸摸屏幕有兩個(gè)狀態(tài)：按下和松開。當(dāng)按下時(shí)，程序執(zhí)行的是將按下的AD值坐標(biāo)存到兩個(gè)數(shù)組中即上圖中的TP_Read_XY2（&tp_dev.x［0］，&tp_dev.y［0］）；當(dāng)松開時(shí)，清除原來的點(diǎn)，并畫一個(gè)新點(diǎn)。這樣觸摸4次。

在校準(zhǔn)函數(shù)中，由于之前重復(fù)觸摸了4下屏幕，觸摸的4個(gè)點(diǎn)的AD值被存入到了pos_temp［4］［2］數(shù)組中，然后算出（x1，y1），

（x2，y2）之間的距離d1和（x3，y3），（x4，y4）之間的距離d2，把這兩個(gè)水平距離相除得到一個(gè)比值fac1；再計(jì)算出（x1，y1），（x3，y3）之間的距離d3和（x2，y2），（x4，y4）之間的距離d4，把這兩豎直方向的距離相除，得到一個(gè)比值fac2.如果0.95《fac1《1.05且0.95《fac2《1.05則認(rèn)為校準(zhǔn)成功。否則顯示觸摸的AD值，不斷校正。如果校準(zhǔn)成功，就計(jì)算AD值與實(shí)際坐標(biāo)之間的校準(zhǔn)參數(shù)，并將這些校準(zhǔn)參數(shù)存到EEPROM（斷點(diǎn)可保存數(shù)據(jù)）中。每次重新上電系統(tǒng)初始化后再讀出來。

xfac、yfac：每個(gè)AD點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)數(shù)目。（液晶理論寬度-40）/（x2-x1） 即液晶理論寬度點(diǎn)陣值/AD測(cè)量值

xoff、yoff：測(cè)量誤差值。［液晶理論寬度點(diǎn)陣值 - 每AD值對(duì)應(yīng)多少點(diǎn)陣*（AD測(cè)量值）］/2 = 測(cè)量誤差值（理論值為 20 點(diǎn)陣，實(shí)際是有誤差的）
編輯：hfy