STM32 SPI驅(qū)動觸摸屏(XPT2046)（上）

觸摸屏又稱觸控面板，它是一種把觸摸位置轉(zhuǎn)化成坐標(biāo)數(shù)據(jù)的輸入設(shè)備觸摸屏可以分為電阻式觸摸屏和電容式觸摸屏。這里用電阻式觸摸屏來實(shí)現(xiàn)觸摸控制。

電阻式觸摸屏結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要由表面硬涂層、兩個 ITO 層、間隔點(diǎn)以及玻璃底層構(gòu)成，這些結(jié)構(gòu)層都是透明的，整個觸摸屏覆蓋在液晶面板上，透過觸摸屏可看到液晶面板。表面涂層起到保護(hù)作用，玻璃底層起承載的作用，而兩個 ITO 層是觸摸屏的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，它們是涂有銦錫金屬氧化物的導(dǎo)電層。兩個 ITO 層之間使用間隔點(diǎn)使兩層分開，當(dāng)觸摸屏表面受到壓力時，表面彎曲使得上層 ITO 與下層 ITO 接觸，在觸點(diǎn)處連通電路。

兩個 ITO 涂層的兩端分別引出 X-、X+、Y-、Y+四個電極，通過這些電極，外部電路向這兩個涂層可檢測電壓。

當(dāng)觸摸屏被按下時，兩個 ITO 層相互接觸，從觸點(diǎn)處把 ITO 層分為兩個電阻，且由于ITO 層均勻?qū)щ?，兩個電阻的大小與觸點(diǎn)離兩電極的距離成比例關(guān)系，利用這個特性，可通過以下過程來檢測坐標(biāo)，這也正是電阻觸摸屏名稱的由來。

計算 X 坐標(biāo)時，在 X+電極施加驅(qū)動電壓 V ref ，X-極接地，所以 X+與 X-處形成了勻強(qiáng)電場，而觸點(diǎn)處的電壓通過 Y+電極采集得到，由于 ITO 層均勻?qū)щ?，觸點(diǎn)電壓與 V ref之比等于觸點(diǎn) X坐標(biāo)與屏寬度之比，從而：

x =Vy+/ V ref *Width

計算 Y 坐標(biāo)時，在 Y+電極施加驅(qū)動電壓 V ref ，Y-極接地，所以 Y+與 Y-處形成了勻強(qiáng)電場，而觸點(diǎn)處的電壓通過 X+電極采集得到，由于 ITO 層均勻?qū)щ?，觸點(diǎn)電壓與 V ref之比等于觸點(diǎn) Y坐標(biāo)與屏高度之比，從而：

y =Vy+/ V ref *Height

這里采用XPT2046芯片作為觸摸控制芯片，XPT2046芯片控制4線電阻觸摸屏，STM32與XPT2046采用SPI通訊獲取采集得到的電壓，然后轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)。

XPT2046原理框

XPT2046 典型應(yīng)用圖

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。同時芯片集成有一個 2.5V的內(nèi)部參考電壓源、溫度檢測電路，工作時使用外部時鐘。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時可以配置為單端模式；作為觸摸屏應(yīng)用時，可以配置為差分模式，這可有效消除由于驅(qū)動開關(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。

XPT2046 的內(nèi)部 2.5V 參考電壓源可通過控制位 PD1進(jìn)行關(guān)閉或者打開。一般地，內(nèi)部參考電壓只用于單端模式下 Vbatt、Temp 和 AUX 輸入測量。使用差分模式，觸摸屏可以獲得最佳性能。

外部參考電壓

+REF 和－REF之間的電壓差決定了模擬輸入的電壓范圍。XPT2046 的參考電壓輸入范圍為 1V~ VCC。參考電壓越低，則 ADC 輸出的二進(jìn)制數(shù)據(jù)結(jié)果每一個數(shù)字位所代表的模擬電壓也越低。

在 12 位工作方式下，數(shù)據(jù)結(jié)果的最低位所代表的模擬電壓為 VREF／4096，其余位依此類推。因此，參考電壓越低，干擾引入的誤差會越大，此時要求盡可能使用低噪聲、低波動的參考電壓源；在設(shè)計電路板時，盡可能減少干擾，輸入的信號噪音也不能太高，否則會直接影響轉(zhuǎn)換精度。

單端工作模式

SER/ DFR 置為高電平時，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，同時由于內(nèi)部驅(qū)動開關(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，也會帶來測量誤差。

差分工作模式

SER/ DFR 置為低電平時，XPT2046 為差分工作模式，如下圖所示。

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)動開關(guān)都需要接通，相對單端模式而言，功耗增加了。

XPT2046模擬輸入簡圖

差分模式輸入配置

表中說明了A2、A1、A0 和SER/DFR 控制位與XPT2046 的配置關(guān)系。這些控制位來自DIN腳的串行數(shù)據(jù)。

XPT2046是用來采集觸摸屏觸摸點(diǎn)的水平位置與垂直位置的。由表可知，測量Y位置時，需將A2A1A0設(shè)置為001，此時驅(qū)動的模擬輸入為YP和YN:測量X位置時，需將A2A1A0設(shè)置為101，此時驅(qū)動的模擬輸入為XP和XN。其他兩行用于測量觸模時作用于屏幕上的壓力，這里忽略。

控制字的控制位命令

控制字節(jié)各位描述

如果采用單端模式測量 X 坐標(biāo)、Y 坐標(biāo)和觸摸壓力，則需要添加一個外部參考電壓，并且 XPT2046 的電源也必須來自這個外部參考源。需要特別注意的一點(diǎn)是，當(dāng)使用單端模式時，輸入 ADC 的電壓不能超過內(nèi)部參考電壓，尤其是當(dāng)工作電壓大于 2.7V 的時候。

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。

XPT2046的數(shù)據(jù)接口是串行的，通過該接口可輕易地與單片機(jī)或處理器完成互連，處理器和轉(zhuǎn)換器之間的通信需要8個時鐘周期，通過這8個時鐘周期來確定XPT72046轉(zhuǎn)換的模擬通道及采用的轉(zhuǎn)換模式。一次完整的轉(zhuǎn)換需要24個串行同步時鐘來完成。

前8個時鐘用來通過DIN引腳輸入控制命令(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，將啟動觸摸面板驅(qū)動器，3個多時鐘周期后，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，輸入采樣保持器進(jìn)入保持狀態(tài)，觸摸面板驅(qū)動器停止工作(單端工作模式)。接著的12個時鐘周期將完成真正的模數(shù)轉(zhuǎn)換。在差分模式時，驅(qū)動器在轉(zhuǎn)換過程中將一直工作，第13個時鐘將輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的最后一位。剩下的3個多時鐘周期將用來完成被轉(zhuǎn)換器忽略的最后字節(jié)(DOUT輸出0)。XPI2046 24周期的轉(zhuǎn)換時序如圖所示：

由圖可知?？刂谱止?jié)由DIN送入XPT2046，其包括啟動轉(zhuǎn)換位、尋址位，ADC分辨率設(shè)置位，單端/差分設(shè)置位和掉電控制位，起始位是拉制字的首位，取值恒為1，在DIN引腳檢測到起始位前，所有的輸入都將被忽略。尋址位即A2A1A0，由表可知，當(dāng)A2A1A0為001時，XPT2046采集Y位置，當(dāng)A2A1A0為101時，XPT2046采集X位置。MODE位為模式選擇位，其用于設(shè)置ADC分辨率，當(dāng)MODE為0時，下一次轉(zhuǎn)換將是12位模式:當(dāng)MODE為1時，下一次轉(zhuǎn)換將是8位模式。SER/DFR位用于選擇參考源的模式，當(dāng) SER/DFR為1時，選擇單端模式；當(dāng) SER/DFR為0時，選擇差分模式，為提高AD轉(zhuǎn)換的精度并消除測量誤差，這里選擇12位轉(zhuǎn)換模式和差分模式。最后兩位用于掉電控制，這里將之配置為00，即在兩次AD轉(zhuǎn)換之間掉電，下次轉(zhuǎn)換一開始，芯片立即進(jìn)入完全上電狀態(tài)，而無需額外延時，另外，此時 PENIRQ是一直使能的。

分析可得轉(zhuǎn)換X通道時所對應(yīng)的控制字為0xD0，轉(zhuǎn)換Y通道時所對應(yīng)的控制字為0x90。為方便使用，將這兩個控制字定義為宏：

#define     X_CMD          0XD0
#define     Y_CMD          0X90

接著開始編寫觸摸屏程序，原理圖如下：

引腳分別是T_MOSI:PF11、T_MISO:PB2 、T_CS:PC13、T_CLK:PB0、T_PEN:PB1。

為方便調(diào)用對引腳進(jìn)行的控制進(jìn)行宏定義，。

#define     T_CS_H()      do{GPIOC- >BSRRL = 1< while(0)
#define     T_CS_L()      do{GPIOC- >BSRRH = 1< while(0)
#define     T_CLK_H()     do{GPIOB- >BSRRL = 1< while(0)
#define     T_CLK_L()     do{GPIOB- >BSRRH = 1< while(0)
#define     T_MOSI_H()    do{GPIOF- >BSRRL = 1< while(0)
#define     T_MOSI_L()    do{GPIOF- >BSRRH = 1< while(0)

初始化引腳：

void Touch_gpio_Init()
{
  //1.開時鐘
  RCC- >AHB1ENR  |= 1< 1 | 1< 2 | 1< 5;
  //2. 模式、類型、速度、上下拉
  //PB1/2:輸入
  GPIOB- >MODER  &= ~(0XF< 2);
  GPIOB- >PUPDR  &= ~(0XF< 2);
  GPIOB- >PUPDR  |= (0x1< 2);
  //PB0:
  GPIOB- >MODER  &= ~(0X3< 0);
  GPIOB- >MODER  |= 1< 0;
  GPIOB- >OTYPER  &= ~(1< 0);    //推挽
  GPIOB- >OSPEEDR  &= ~(0X3< 0);//2mHZ
  GPIOB- >PUPDR  &= ~(0X3< 0);  //無上下拉
  //PC13
  GPIOC- >MODER  &= ~(0X3< 26);
  GPIOC- >MODER  |= 1< 26;
  GPIOC- >OTYPER  &= ~(1< 13);    //推挽
  GPIOC- >OSPEEDR  &= ~(0X3< 26);//2mHZ
  GPIOC- >PUPDR  &= ~(0X3< 26);  //無上下拉
  //PF11
  GPIOF- >MODER  &= ~(0X3< 22);
  GPIOF- >MODER  |= 1< 22;
  GPIOF- >OTYPER  &= ~(1< 11);    //推挽
  GPIOF- >OSPEEDR  &= ~(0X3< 22);//2mHZ
  GPIOF- >PUPDR  &= ~(0X3< 22);  //無上下拉
  //3. 初始狀態(tài)
  T_CS_H();    //片選信號低電平有效，初始時不片選
  T_CLK_L();
}

初始化完成，根據(jù)時序編寫對X或Y通道完成一次轉(zhuǎn)換的函數(shù)實(shí)現(xiàn)

u16 Touch_GetADC(u8 cmd)
{
  u8 i = 0;
  u16 res = 0;

  T_CLK_L();        
  T_CS_L();
  Delay_us(1);
  for(i=0;i< 8;i++)
  {
    if(cmd & 0x80)
      T_MOSI_H();    //數(shù)據(jù)有效輸出高電平
    else
      T_MOSI_L();    //數(shù)據(jù)有效輸出低電平
    Delay_us(1);
    T_CLK_H();      
    Delay_us(1);
    T_CLK_L();
    Delay_us(1);
    cmd < <= 1;
  }
  T_CLK_H();        //ADC需要一個周期
  Delay_us(1);

  res = 0;
  for(i=0;i< 15;i++)
  {
    res < <= 1;    //空出最低位，準(zhǔn)備接收
    T_CLK_L();
    Delay_us(1);
    T_CLK_H();
    Delay_us(1);
    if(GPIOB- >IDR & (1< 2))
      res |= 1;
    Delay_us(1);
  }

  T_CLK_L();
  Delay_us(1);
  T_CS_H();        

  res > >= 3;      //最低3位是補(bǔ)充的0，移掉不要

  return res;
}

有了上面的函數(shù)，只需依次送入X通道的控制字節(jié)和Y通道的控制字節(jié)，即可在一次接觸后，獲取接觸點(diǎn)x、y方向的AD值。但針對AD轉(zhuǎn)換，為了提高轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性，這里采用中值平均濾波算法進(jìn)行濾波。中值平均算法即將獲取的AD值通過冒泡法排序，然后掐頭去尾，取平均值并返回。具體如下：

u16 Touch_GetAvgADC(u8 cmd, u16 * buf,u8 size)
{
  u8 i = 0,j=0;
  u16 temp = 0;
  float res = 0;

  for(i=0;i< size;i++)
    buf[i] = Touch_GetADC(cmd);


  for(i=0;i< size-1;i++)
  {
    for(j=i+1;j< size;j++)
    {
      if(buf[i]

接著，就可以用這個函數(shù)得到一個點(diǎn)的坐標(biāo)。先把點(diǎn)的坐標(biāo)定義為結(jié)構(gòu)體：

typedef struct 
{
  u16 x;
  u16 y;
}Point_Typedef;

通過筆中斷引腳判斷是否有觸摸動作，然后分別讀出X和Y的ADC值并返回出一個點(diǎn)的坐標(biāo)ADC。

Point_Typedef Touch_GetPointADC()
{
  Point_Typedef ts = {0xffff,0xffff};

  if((GPIOB- >IDR & (1< 1))==0)        //有觸摸動作
  {
    ts.x = Touch_GetAvgADC(X_CMD, Point_buf[0],10);
    ts.y = Touch_GetAvgADC(Y_CMD, Point_buf[1],10);
  }

  return ts;
}

現(xiàn)在已經(jīng)可以獲得點(diǎn)的坐標(biāo)ADC，開始進(jìn)行測試程序是否正確。

主函數(shù)

#include "stm32f4xx.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "stdio.h"
#include "touch.h"


int main()
{
  Point_Typedef ts = {0xffff,0xffff};

  Usart1_Init(115200);
  Touch_gpio_Init();

  while(1)
  {
    ts = Touch_GetPointADC();
    printf("(%d,%d)rn",ts.x,ts.y);
    Delay_ms(2000);
  }
}

運(yùn)行程序，發(fā)現(xiàn)沒有觸摸時點(diǎn)的坐標(biāo)是獲取不到的，有觸摸動作時，點(diǎn)的ADC坐標(biāo)就是在12位ADC的范圍內(nèi)，獲取點(diǎn)的坐標(biāo)ADC測試成功。