STM32：編寫XPT2046電阻觸摸屏驅(qū)動(dòng)(模擬SPI)

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一、環(huán)境介紹

單片機(jī)采用: STM32F103ZET6

編程軟件: keil5

編程語言: C語言

編程風(fēng)格: 寄存器開發(fā).

目標(biāo)芯片: XPT2046---標(biāo)準(zhǔn)SPI接口時(shí)序

二、XPT2046芯片介紹

2.1 功能

XPT2046是一顆12位的ADC芯片，可以當(dāng)做普通的ADC芯片使用，但是一般都是用在電阻觸摸屏上，方便定位觸摸屏坐標(biāo)。

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圖1： XPT2046內(nèi)部原理圖

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圖2：電阻觸摸屏---引出的4條線就接在XPT2046的YNXNYPXP上

(XPT2046支持筆中斷輸出--低電平有效,這個(gè)引腳可以配置到單片機(jī)的中斷腳上，或者輪詢判斷這個(gè)引腳狀態(tài)，判斷觸摸屏是否已經(jīng)按下)

可以單獨(dú)買一個(gè)觸摸屏+一個(gè)XPT2046就可以自己做手畫板、觸摸按鍵(自己用一張紙?jiān)谙旅娈媯€(gè)模型就行)、等等很多小玩意。

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圖3：采用的電阻觸摸屏的LCD屏（上面蓋的哪一層薄膜就是觸摸用的）

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2.2 特性

1. 工作電壓范圍為 2.2V～5.25V
2. 支持 1.5V～5.25V 的數(shù)字 I/O 口
3. 內(nèi)建 2.5V 參考電壓源
4. 電源電壓測量（0V~6）
5. 內(nèi)建溫度測量功能
6. 觸摸壓力測量
7. 采用 SPI 3線控制通信接口
8. 具有自動(dòng) power-down 功能
9. 封裝：QFN-16、 TSSOP-16 和 VFBGA-48與 TSC2046、 AK4182A 完全兼容
10. XPT2046 在 125KHz 轉(zhuǎn)換速率和 2.7V 電壓下的功耗僅為750 μW。 XPT2046 11. 以其低功耗和高速率等特性，被廣泛應(yīng)用在采用電池供電的小型手持設(shè)備上，比如 PDA、手機(jī)等。
12. XPT2046 有 TSSOP-16、 QFN-16 和 VFBGA 三種封裝形
式，溫度范圍是 - 40 ~ + 85℃ 。

2.3工作原理

XPT2046 是一種典型的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR ADC），包含了采樣/保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換、串口數(shù)據(jù)輸出等功能。同時(shí)芯片集成有一個(gè) 2.5V的內(nèi)部參考電壓源、溫度檢測電路，工作時(shí)使用外部時(shí)鐘。 XPT2046 可以單電源供電，電源電壓范圍為 2.7V～5.5V。參考電壓值直接決定ADC的輸入范圍，參考電壓可以使用內(nèi)部參考電壓，也可以從外部直接輸入1V～VCC范圍內(nèi)的參考電壓（要求外部參考電壓源輸出阻抗低）。 X、 Y、 Z、 VBAT、 Temp和AUX模擬信號經(jīng)過片內(nèi)的
控制寄存器選擇后進(jìn)入ADC， ADC可以配置為單端或差分模式。選擇VBAT、 Temp和AUX時(shí)可以配置為單端模式；作為觸摸屏應(yīng)用時(shí)，可以配置為差分模式，這可有效消除由于驅(qū)動(dòng)開關(guān)的寄生電阻及外部的干擾帶來的測量誤差，提高轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度。

典型的應(yīng)用:

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單端工作模式

SER/DFR置為高電平時(shí)， XPT2046 工作在為單端模式，單端工作模式的應(yīng)用原理如下圖所示。
單端模式簡單，在采樣過程完成后，轉(zhuǎn)換過程中可以關(guān)閉驅(qū)動(dòng)開關(guān)，降低功耗。但這種模式的缺點(diǎn)是精度直接受參考電壓源的精度限制，同時(shí)由于內(nèi)部驅(qū)動(dòng)開關(guān)的導(dǎo)通電阻存在，導(dǎo)通電阻與觸摸屏電阻的分壓作用，也會(huì)帶來測量誤差。

(圖片里的A2 A1 A0 ，還有上面說的SER/DFR就是XPT2046的配置命令，具體使用方法在后面會(huì)講到)

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差分工作模式

SER/DFR置為低電平時(shí)， XPT2046 為差分工作模式.
差分模式的優(yōu)點(diǎn)是： +REF 和-REF 的輸入分別直接接到 YP、 YN 上，可消除由于驅(qū)動(dòng)開關(guān)的導(dǎo)通電阻引入的坐標(biāo)測量誤差。
缺點(diǎn)是：無論是采樣還是轉(zhuǎn)換過程中，驅(qū)動(dòng)開關(guān)都需要接通，相對單端模式而言，功耗增加了。
如果不考慮功耗的話，當(dāng)前就選擇差分工作模式了。

(圖片里的A2 A1 A0 ，還有上面說的SER/DFR就是XPT2046的配置命令，具體使用方法在后面會(huì)講到)

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2.3 XPT2046采集并轉(zhuǎn)換一次數(shù)據(jù)的時(shí)序介紹

XPT2046 數(shù)據(jù)接口是串行接口，處理器和轉(zhuǎn)換器之間的通信需要 8 個(gè)時(shí)鐘周期，可采用 SPI、 SSI 和 Microwire 等同步串行接口。一次完整的轉(zhuǎn)換需要 24 個(gè)串行同步時(shí)鐘（DCLK）來完成。

前 8 個(gè)時(shí)鐘用來通過DIN引腳輸入控制字節(jié)。當(dāng)轉(zhuǎn)換器獲取有關(guān)下一次轉(zhuǎn)換的足夠信息后，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，如果需要，將啟動(dòng)觸摸面板驅(qū)動(dòng)器。 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)。這時(shí)，輸入采樣－保持器進(jìn)入保持狀態(tài)，觸摸面板驅(qū)動(dòng)器停止工作（單端工作模式）。

接著的12 個(gè)時(shí)鐘周期將完成真正的模數(shù)轉(zhuǎn)換。如果是度量比率轉(zhuǎn)換方式（SER/DFR ——＝0），驅(qū)動(dòng)器在轉(zhuǎn)換過程中將一直工作，第13 個(gè)時(shí)鐘將輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的最后一位。剩下的 3 個(gè)多時(shí)鐘周期將用來完成被轉(zhuǎn)換器忽略的最后字節(jié)（DOUT置低）。

時(shí)序圖如下：

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時(shí)序圖里的控制命令字節(jié)：

控制字節(jié)每個(gè)位的含義如下：

注意： 差分模式僅用于 X 坐標(biāo)、 Y 坐標(biāo)和觸摸壓力的測量，其它測量要求采用單端模式。

根據(jù)上面表格的介紹，可以得到在差分模式下，選擇12位分辨率，測量X和Y坐標(biāo)的兩個(gè)命令：0xD0 和 0x90

XPT2046還有其他模式，可以測量溫度，筆中斷的開關(guān)(默認(rèn)是開著的)，16時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換，15時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換，這些就不再介紹。 根據(jù)前面的介紹用在觸摸屏上測量XY坐標(biāo)的功能已經(jīng)滿足了。

2.4 SPI時(shí)序介紹

這里的XPT2046支持標(biāo)準(zhǔn)3線SPI接口，關(guān)于SPI時(shí)序的介紹，在前面文章里有介紹過。

參考這里：STM32入門開發(fā): 介紹SPI總線、讀寫W25Q64(FLASH)(硬件+模擬時(shí)序)_DS小龍哥的專欄-CSDN博客_w25q64

2.5 物理坐標(biāo)與屏幕坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

正常在LCD屏上使用觸摸屏，肯定是需要將采集的原始X、Y值轉(zhuǎn)為LCD屏的屏幕坐標(biāo)才好使用。

轉(zhuǎn)換的方法有很多，這里采用最簡單的角系數(shù)計(jì)算方法轉(zhuǎn)換。

比如，我使用的LCD屏是3.5寸的，分辨率是320*480。

1. 得到觸摸屏左上角和右下角的坐標(biāo)XY極限值
x=3831,y=3934
x=155,y=168

2. 轉(zhuǎn)換坐標(biāo)值
x坐標(biāo):3831~155 --> 3676~0
y坐標(biāo):3934~168 --> 3766~0

3. 計(jì)算斜率
x坐標(biāo)的斜率: 3676/320=11.4875
y坐標(biāo)的斜率: 3766/480=7.84583

4. 得到實(shí)際的像素坐標(biāo)
x坐標(biāo): 320-(實(shí)時(shí)采集的當(dāng)前X模擬量-155)/11.4875
y坐標(biāo): 480-(實(shí)時(shí)采集的當(dāng)前Y模擬量-168)/7.84583

這里相減的原因: 因?yàn)槲覝y試用的觸摸屏采集出來的X、Y值大小和LCD屏的屏幕坐標(biāo)值大小是反過來的。

三、示例代碼

采用SPI模擬時(shí)序驅(qū)動(dòng)，其他平臺都可以移植。

3.1 xpt2046.c

#include "xpt2046_touch.h"
struct XPT2046_TOUCH xpt2046_touch;

/*
函數(shù)功能:  初始化
硬件連接:
T_MOSI--PF9
T_MISO--PB2
T_SCK---PB1
T_PEN---PF10
T_CS----PF11
*/
void XPT2046_TouchInit(void)
{
    /*1. 時(shí)鐘初始化*/
    RCC->APB2ENR|=1<<3; //PB
    RCC->APB2ENR|=1<<7; //PF
    
   /*2. 初始化GPIO口*/
   GPIOB->CRL&=0xFFFFF00F;
   GPIOB->CRL|=0x00000830;
  
   GPIOF->CRH&=0xFFFF000F;
   GPIOF->CRH|=0x00003830;
  
   /*3. 上拉*/
   GPIOB->ODR|=0x3<<1;
   GPIOF->ODR|=0x7<<9;
}


/*
函數(shù)功能:  SPI底層寫一個(gè)字節(jié)
*/
void XPT2046_SPI_WriteOneByte(u8 cmd)
{
    u8 i;
    for(i=0;i<8;i++)
    {
        XPT2046_SCK=0; //低電平寫
        if(cmd&0x80)XPT2046_MOSI=1;
        else XPT2046_MOSI=0;
        cmd<<=1;
        XPT2046_SCK=1; //高電平讀,保證數(shù)據(jù)線穩(wěn)定
    }
}


/*
函數(shù)功能:  讀2個(gè)字節(jié)
說明: 讀取16位數(shù)據(jù)，最低4位數(shù)據(jù)無效，有效數(shù)據(jù)是高12位

*/
u16 XPT2046_ReadData(u8 cmd)
{
    u16 data;
    u8 i;
    XPT2046_CS=0;  //選中XPT2046
    XPT2046_MOSI=0;
    XPT2046_SCK=0;
    XPT2046_SPI_WriteOneByte(cmd);
    
    DelayUs(8); //0.008ms ,等待XPT2046轉(zhuǎn)換完成。
    //消除忙信號
    XPT2046_SCK=0;
    DelayUs(1);
    XPT2046_SCK=1;
    
    //連續(xù)讀取16位的數(shù)據(jù)
    for(i=0;i<16;i++)
    {
        XPT2046_SCK=0; //通知XPT2046,主機(jī)需要數(shù)據(jù)
        XPT2046_SCK=1; 
        data<<=1;
        if(XPT2046_MISO)data|=0x01;
    }
    data>>=4; //丟棄最低4位
    
    XPT2046_CS=1; //取消選中
    return data;
}

/*
XPT2046的命令:

10010000  :測試Y的坐標(biāo) 0x90
11010000  :測試X的坐標(biāo) 0xD0

返回值:  0表示沒有讀取到坐標(biāo),1表示讀取到當(dāng)前坐標(biāo)

//1. 得到左上角和右下角的坐標(biāo)XY極限值
  x=3831,y=3934
  x=155,y=168

//2. 轉(zhuǎn)換坐標(biāo)值
  x坐標(biāo):3831~155 -->  3676~0
  y坐標(biāo):3934~168 -->  3766~0

//3. 計(jì)算斜率
  x坐標(biāo)的斜率: 3676/320=11.4875
  y坐標(biāo)的斜率: 3766/480=7.84583

//4. 得到實(shí)際的像素坐標(biāo)
  x坐標(biāo):  320-(模擬量-155)/11.4875
  y坐標(biāo):  480-(模擬量-168)/7.84583
*/
u8 XPT2046_ReadXY(void)
{
    if(XPT2046_PEN==0) //判斷觸摸屏是否按下
    {
        /*1. 得到物理坐標(biāo)*/
        xpt2046_touch.x0=XPT2046_ReadData(0xD0);
        xpt2046_touch.y0=XPT2046_ReadData(0x90);
      
        /*2. 得到像素坐標(biāo)*/
        xpt2046_touch.x=320-(xpt2046_touch.x0-155)/11.4875;
        xpt2046_touch.y=480-(xpt2046_touch.y0-168)/7.84583;
        return 1;
    }
    return 0;
}

3.2 xpt2046.h

#ifndef XPT2046_TOUCH_H
#define XPT2046_TOUCH_H
#include "stm32f10x.h"
#include "sys.h"
#include "delay.h"

//觸摸屏引腳定義
#define XPT2046_MOSI PFout(9)
#define XPT2046_MISO PBin(2)
#define XPT2046_SCK PBout(1)
#define XPT2046_CS  PFout(11)
#define XPT2046_PEN PFin(10)

//函數(shù)聲明
void XPT2046_TouchInit(void);
void XPT2046_SPI_WriteOneByte(u8 cmd);
u8 XPT2046_ReadXY(void);

//存放觸摸屏信息的結(jié)構(gòu)體
struct XPT2046_TOUCH
{
    u16 x0; //物理坐標(biāo)x
    u16 y0; //物理坐標(biāo)y
    u16 x;  //像素坐標(biāo)x
    u16 y;  //像素坐標(biāo)y
};
extern struct XPT2046_TOUCH xpt2046_touch;
#endif

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