基于A(yíng)RM微處理器的液晶觸摸屏接口設(shè)計(jì) - 全文

　　摘要： 作為人機(jī)交互的重要手段，液晶觸摸屏使用越來(lái)越多，基于微控制器與觸摸屏的接口技術(shù)在工業(yè)控制、智能家電等領(lǐng)域得到應(yīng)用廣泛，開(kāi)發(fā)微控制器與液晶觸摸屏的接口技術(shù)是智能電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要工作；介紹了一款液晶觸摸屏系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案、電路接口和編程方法；該系統(tǒng)由T FT 液晶屏模塊、觸摸屏和ARM 微處理器控制板組成；TFT 液晶模塊內(nèi)置SSD1289 控制器，尺寸3.2 英寸、分辨率240×320 像素；觸摸屏由觸摸傳感部件和觸摸屏控制器ADS 7843 組成；控制板采用ARM7 微處理器LPC2148 為控制核心；測(cè)試和工程實(shí)踐結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的軟、硬件達(dá)到了各項(xiàng)要求，并且具有操作方便、穩(wěn)定性好、性?xún)r(jià)比高等技術(shù)特點(diǎn)，有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

　　0 引言

　　人機(jī)交互界面的種類(lèi)較多，如鍵盤(pán)、數(shù)碼管顯示器、液晶顯示器及帶觸摸的液晶屏等。決定人機(jī)交互接口方式的主要因素是成本和實(shí)際應(yīng)用的需要。近十年來(lái)，液晶觸摸屏以功耗低、重量輕、精度高和良好的人機(jī)界面等技術(shù)特點(diǎn)， 在電子設(shè)備特別是手持類(lèi)電子產(chǎn)品中得到了普遍應(yīng)用。帶觸摸的液晶屏，只要能測(cè)量出觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)位置，即可根據(jù)屏上對(duì)應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)的顯示內(nèi)容或圖符獲知觸摸者的意圖， 通過(guò)微處理器處理聲音、圖像、文字及觸摸輸入控制等信息，使之成為能進(jìn)行信息存取、輸入和輸出的集成系統(tǒng)?；谖⒖刂破髋c液晶模塊的硬件接口設(shè)計(jì)及軟件編程在智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有著重要的應(yīng)用價(jià)值。ARM 微處理器，運(yùn)算速度快、資源豐富、性?xún)r(jià)比高，是當(dāng)前較為流行的嵌入式控制器。本文介紹的一款基于A(yíng)RM7微處理器LPC2148 接口的3.2 寸液晶觸摸屏，具有精度高、彩色顯示逼真、應(yīng)用靈活等特點(diǎn)，可作為中高檔電子產(chǎn)品字符、圖像的顯示及人機(jī)對(duì)話(huà)的窗口。

　　1 總體設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。液晶觸摸屏系統(tǒng)由31 2寸TFT 液晶屏模塊、觸摸屏和ARM 微處理器控制板組成。

　　觸摸屏由觸摸傳感部件和觸摸屏控制器ADS7843 組成，觸摸傳感部件安裝在LCD 液晶屏前面，用于檢測(cè)用戶(hù)觸摸位置，用戶(hù)觸摸信息送往ADS7843 控制器，并轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)，送給ARM7 控制板，LPC2148 微處理器與液晶及觸摸模塊相連接，根據(jù)接收到的觸摸信息，進(jìn)行信號(hào)運(yùn)算和處理，輸出蜂鳴器等控制信號(hào)，控制液晶屏實(shí)現(xiàn)用戶(hù)畫(huà)面和數(shù)據(jù)的顯示。

　　圖1 液晶觸摸屏系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　2 電路及原理

　　2.1 液晶觸摸屏原理及ADS7843 觸摸控制電路

　　原理如圖2 所示。

　　U1為3.2 英寸TFT液晶模塊，+3.3V 供電；內(nèi)置SSD1289 液晶控制器；液晶屏分辨率為240×320 像素；屏幕顏色26 萬(wàn)色；屏幕尺寸為57mm×79mm， 有效顯示面積為51mm×65mm.SSD1289 液晶控制器由16 位并行數(shù)據(jù)接口、內(nèi)部控制器和LCD 驅(qū)動(dòng)器組成。液晶數(shù)據(jù)傳輸方式為16 位并行方式，LPC2148 的16 根I/ O 口線(xiàn)分別接液晶模塊的DB0~DB15.PWM 為亮度驅(qū)動(dòng)控制輸入，經(jīng)9013 三極管放大后作為液晶背光。

　　觸摸屏部分由觸摸傳感部件和觸摸屏控制器ADS7843（ U2） 組成。

　　圖2 液晶模塊及觸摸電路原理

　　觸摸傳感部件是一個(gè)四線(xiàn)電阻屏幕，屏上引出四根線(xiàn)，分別對(duì)應(yīng)X 軸和Y 軸各兩根。測(cè)量X 方向的時(shí)候，將X + ， X- 之間加上參考電壓Vref ， Y- 斷開(kāi)，Y + 作為A / D 輸入，獲得X 方向的電壓；同理測(cè)量Y 方向的時(shí)候，將Y+ ， Y- 之間加上參考電壓Vref，X - 斷開(kāi)，X + 作為A/ D 輸入，進(jìn)行A/ D轉(zhuǎn)換獲得Y 方向的電壓，之后再完成電壓與坐標(biāo)的換算，整個(gè)過(guò)程類(lèi)似一個(gè)電位器，觸摸不同的位置分得不同的電壓。

　　以上所需要的參考電壓、A/ D轉(zhuǎn)換等工作由觸摸屏控制器ADS7843 直接完成的，微處理器只需將相應(yīng)的控制命令傳輸?shù)紸DS7843 即可，以獲得相應(yīng)電壓的數(shù)據(jù)。

　　ADS7843是TI公司生產(chǎn)的四線(xiàn)電阻觸摸屏轉(zhuǎn)換接口芯片。它是一款具有同步串行接口的12 位取樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在125kHz 吞吐速率和2.7V 電壓下，功耗為750LW.在關(guān)閉模式下，功耗僅為0.5LW.由于具有低功耗和高速等特性，被廣泛應(yīng)用在電池供電的小型手持設(shè)備上。

　　ADS7843 與LPC2148的連結(jié)關(guān)系如圖3 所示。ADS7843工作電壓+ 3.3V， 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入（ X+ 、Y+ 、X- 、Y- ）是一個(gè)4 通道多路器；DCLK（第4 引腳） 是外部時(shí)鐘輸入引腳；CS（第3 引腳） 是片選輸入端，低電平有效； DIN（第2引腳） 是串行輸入，控制數(shù)據(jù)通過(guò)該引腳輸入；DOUT第16 引腳）是串行數(shù)據(jù)輸出，用于輸出轉(zhuǎn)換后的觸摸位置數(shù)據(jù)，最大數(shù)為二進(jìn)制的4095; PENIRQ（第15 引腳） 是PEN中斷，用于觸摸顯示屏后引發(fā)一個(gè)中斷。

　　2.2 微處理器控制電路

　　原理如圖3 所示。

　　圖3 微處理器控制電路原理圖

　?。?）LPC2148微處理器

　　ARM 處理器占有市場(chǎng)份額高，具有性能高、成本低、能耗省等特點(diǎn)。圖3 中LPC2148（U3）是PHILIPS 半導(dǎo)體公司推出的一個(gè)基于A(yíng)RM7TDMI- S 核、支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32 位嵌入式ARM7 微處制器。該處理器內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口、14 通道10 位ADC、1 通道10 位DAC、45 個(gè)高速GPIO 線(xiàn)以及多達(dá)9 個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳。處理器集成有40kB 的片內(nèi)SRAM、512kB 嵌入的高速Flash 存儲(chǔ)器，128 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32 位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行， 為通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、軟件modem、語(yǔ)音識(shí)別、低端成像等應(yīng)用提供大規(guī)模的緩沖區(qū)和強(qiáng)大的處理功能，適合于彩色液晶的圖片處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

　?。?）復(fù)位和晶振電路

　　LPC2148 第57 腳為復(fù)位信號(hào)輸入端，采用低電平復(fù)位，由C3、R9、R10、K1 構(gòu)成的復(fù)位電路為系統(tǒng)提供上電復(fù)位和強(qiáng)制復(fù)位功能，K1 為系統(tǒng)強(qiáng)制復(fù)位按鍵。晶振電路由X1（12MH z） 、C7、C8 構(gòu)成，支持微控制器芯片內(nèi)部PLL 及ISP功能；X2（321 768KH z） 、C9、C10 為RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘） 提供基準(zhǔn)時(shí)鐘。

　?。?） 資源分配

　　LPC2148 的P0.8~ P0.23 作為16 位數(shù)據(jù)線(xiàn)（ D0~ D15） ，經(jīng)JP1 插座與液晶模塊的DB0 ~ DB15 連接；P0.0、P0.26、P0.28~ P0.31 作為液晶模塊的控制口線(xiàn)使用，經(jīng)JP1 分別與液晶模塊的PWM、CS、RESET 、RS、RD 和WR 連接；P0.27、P1.16~ P1.20 用于觸摸屏控制，通過(guò)JP1 的連接分別接ADS7843 的BUSY、7843- CS （ CS ） 、DCLK、DIN、INT（ PENIRQ） 和DOUT 引腳。

　　P1.26~ P1.31 作為JTAG 功能使用，JP2 為微處理器JTAG 程序調(diào)試及下載端口。

　　P0.25 作為蜂鳴器控制口線(xiàn)，蜂鳴器電路用于液晶觸摸或顯示時(shí)發(fā)出蜂鳴聲響，作為人機(jī)對(duì)話(huà)的輔助功能。蜂鳴器使用PNP 三極管8550（Q2）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其放大倍數(shù)高（hFE =300），基級(jí)偏置電阻R8 為1k， 當(dāng)輸入低電平時(shí)，Q1 為深度飽和導(dǎo)通，可為蜂鳴器提供足夠的電流。

　?。?4） 電源電路

　　LPC2148 為單電源供電，CPU 操作電壓為3.0~ 3.6V。

　　電路采用+ 3.3V 供電，外接+ 5V 直流電源經(jīng)AMS1117（U4） 穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后，輸出+ 3.3V 電壓，給液晶模塊和ADS7843 供電。AMS1117 的特點(diǎn)是輸出電流大（ 800mA） ，輸出電壓精度在1%以?xún)?nèi)，具有電流限制和熱保護(hù)功能，穩(wěn)定性好。C4、C5、C6 均為電源濾波電容。

　　3 軟件編程

　　3.1 對(duì)液晶屏的C 程序設(shè)計(jì)

　　液晶屏的軟件設(shè)計(jì)采用C 語(yǔ)言編程。包括液晶屏初始化、寫(xiě)液晶控制字、寫(xiě)液晶數(shù)據(jù)子程序、讀液晶液晶數(shù)據(jù)、全屏顯示單色、指定位置顯示漢字和字符、指定位置顯示圖片、清屏等子程序。

　　寫(xiě)液晶數(shù)據(jù)子程序?yàn)椋?/p>

　　3.2 對(duì)觸摸屏的C 程序設(shè)計(jì)

　　觸摸屏的程序設(shè)計(jì)主要是確定其位置坐標(biāo)與液晶屏上位置坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)一定的算法把觸摸屏觸摸信息轉(zhuǎn)化為液晶屏上的位置坐標(biāo)。液晶屏像素為240×320， 從觸摸屏接收到的X 值不在0~ 320 范圍變化、Y 值也不在0~ 240范圍變化， 在觸摸屏的邊緣區(qū)域，X 、Y 方向輸出數(shù)據(jù)變化較大，是非線(xiàn)性關(guān)系，坐標(biāo)值在中間大部分范圍內(nèi)基本是成線(xiàn)性變化的。為了較準(zhǔn)確的進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，可采用線(xiàn)性求值和查表相結(jié)合的方式進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

　　觸摸屏的C 程序設(shè)計(jì)主要包括觸摸屏初始化子函數(shù)、讀A/ D 轉(zhuǎn)換值子函數(shù)、坐標(biāo)原始值子函數(shù)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換子函數(shù)。

　　與ADS7843 相關(guān)的引腳C 程序預(yù)處理為：

　　讀A/ D 轉(zhuǎn)換值子函數(shù)：

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　在嵌入式智能設(shè)備中，用液晶觸摸屏取代傳統(tǒng)的按鍵、LED 等人機(jī)對(duì)話(huà)部件，具有操作簡(jiǎn)便、界面友好及功能較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著LCD 液晶屏價(jià)格的進(jìn)一步下降，液晶觸摸屏有著更寬廣的應(yīng)用市場(chǎng)，基于A(yíng)RM 微處理器與液晶觸摸屏的技術(shù)開(kāi)發(fā)具有現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本系統(tǒng)以ARM7 處理器LPC2148 作為主控制器，與傳統(tǒng)單片機(jī)相比，具有較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量和較快的圖片處理速度；液晶屏帶觸摸功能，大大增強(qiáng)了人機(jī)對(duì)話(huà)的交互能力；基于C 語(yǔ)言的編程方法有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。所設(shè)計(jì)的液晶觸摸屏應(yīng)用于A(yíng)RM 嵌入式創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)和便攜式鐵路平調(diào)裝置故障檢測(cè)儀，觸摸鍵反應(yīng)靈敏，與ARM7 處理器接口電路運(yùn)行可靠，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。