觸摸屏技術概述
觸摸屏是成熟的技術,，最基本,、也是最常用的是4/5線電阻觸摸屏,。很多標準屏支持多種尺寸,，可以選擇多種解碼模擬解決方案,。電阻觸摸屏支持多種輸入方法,，比如手指、觸摸筆,、手套和指甲等等。電容觸摸屏是一種新的解決方案,，也有4/5線選擇,，標準屏比較少，復雜的模擬解碼器解決方案也比較少,。電容觸摸屏比較適合手指的輸入,，不太適合指甲、觸摸筆和手套的輸入,。電容屏幕最主要的優(yōu)勢是表面耐用性，成熟的電阻和電容觸摸屏限于單點觸摸,。iTouch等產(chǎn)品則采用了多點觸摸技術,，多點觸摸增加了人機接口,，并增加了兩路以上的同時輸入或者觸摸點。靜態(tài)輸入觸摸的例子有鍵盤或者游戲手柄上的Shift鍵和Control,、Alt,、Delete功能鍵等,，它們都有多路獨立的控制；動態(tài)輸入的例子有手勢,、命令、旋轉動作或者收縮,、擴大等等,。使用過多點觸摸技術以后，傳統(tǒng)的觸摸技術就顯得太簡單了,。
目前,，可以使用到多點觸摸技術的應用包括醫(yī)療影像(超聲、X射線和MRI在進行圖像處理時需要用到),、信息查詢終端 (相片打印,、零售信息查詢終端、地圖/導航等),、音樂/視頻播放器（iTouch）,、家電等,。本文將介紹一個使用數(shù)字電阻觸摸屏和MAX II CPLD來實現(xiàn)多點觸摸系統(tǒng)的簡單數(shù)字低成本替代方案,。
多點觸摸解碼
任何多點觸摸解決方案都從觸摸屏開始。文中的例子使用NKKSwitch的數(shù)字SmartTouch,，型號為FTAS225-5.7A-N。還有別的供應商提供的尺寸不同的其他數(shù)字電阻屏,。處理接口是I2C,，但也可以使用其他接口。
FTAS225-5.7A-N采用了5.7”疊層屏幕,，15行×15列，觸點分辨率為5mm×7mm,。屏幕疊層實際上是15×15的開關矩陣。數(shù)字電阻屏疊層使用水平和垂直的銥錫氧化物（ITO）走線。走線之間是分開的,，觸摸時會使兩層短路,。
在此次演示中，設計簡化為8×8數(shù)字電阻觸摸屏,。本例子使用了處理器I²C接口，但是也可以為任何處理器提供任意串行或者并行接口,。該設計只需要MAX II將數(shù)字電阻觸摸屏與處理器連接起來，利用MAX II內(nèi)部上拉電阻和內(nèi)部振蕩器減少外部元件,。
在圖1中,，垂直寄存器在每一列為每一行進行采樣,，水平寄存器組成了移位寄存器,，陣列每次都被驅動為低電平,。圖中波形顯示了沒有觸摸時屏幕是怎樣解碼的。當屏幕上沒有點被觸摸時,，行探測信號保持高電平,。當屏幕上第2行第2列被觸摸時，導致第二行在C2采樣期間被拉低。每次掃描顯示屏時,，I2C模塊向處理器發(fā)送8字節(jié)數(shù)據(jù),。
表1 觸摸屏的優(yōu)缺點
圖1 單點觸摸解碼的工作模式
多點觸摸解碼是怎樣工作的呢,？圖2中的波形顯示了三個觸點,。圖中的手指符號表示每一個觸點是怎樣映射到行列采樣信號的。三個觸點導致掃描期間出現(xiàn)3個低電平脈沖,。在某些3手指觸摸條件下,，簡單解碼器會錯誤地報告出現(xiàn)混疊信號，而后者是不正確的觸點解碼,。3個觸點必須呈三角形,，其中兩個點共享一行，兩個點共享一列,。圖中的紅圈畫線顯示了混疊信號解碼脈沖,。
圖2 多點觸摸解碼的工作模式
改進后的解碼器電路可以減小甚至消除混疊信號,。首先，我們要做的是時鐘速率提高,，通常將時鐘速率提高10-100倍,。在圖3中,，I2C時鐘從100kHz提高到4MHz。增加了同步移位和采樣使能信號(綠色),。 SFT是移位使能信號，SEN是采樣時能信號,。加入了時序控制模塊,，支持SFT至SEN延時調整(紅色),，支持移位使能信號對使能延時調整進行采樣,。時序控制模塊能夠減小移位使能采樣，使能延時可以增大移位使能,。采樣使能延時獨立地控制每一列,、每一行延時。
圖3 改進后的電路減小了混疊信號（1）
電路是怎樣去掉混疊信號的呢,？在實際系統(tǒng)中并沒有調整時序,，時鐘更快一些,。RA到RE詳細顯示了產(chǎn)生混疊信號的觸摸屏通路,，包括ITO走線阻抗,、I到RE,。I到RE詳細闡述了產(chǎn)生混疊信號的觸摸屏通路。由于采用了電阻,，從手指觸點1到混疊信號脈沖的延時比較大,，因此,，控制采樣使能時序會忽略它,。如左下部的箭頭所示,，通過改進采樣使能信號,，可以消除混疊信號。圖5詳細顯示了延時和時序變化,。時鐘頻率還是比實際例子慢,，以方便理解該圖。第0列和第5列的采樣時序不同,，以消除混疊信號,。雖然C5 SEN信號比C0 SEN信號滯后，但還是比最初設計短得多,。設計人員的目標是根據(jù)觸摸屏和PCB特性,，使每一列和每一行的采樣時序足夠長，能夠正確采樣真正的觸摸,；同時采樣時序還要足夠短,，從而可以忽略混疊信號。利用MAX II器件的可編程能力,，使用JTAG可以迅速重新配置設計或者動態(tài)進行控制,，很容易對電路進行調整。
圖4 改進后的電路減小了混疊信號（2）
圖5 改進后的電路減小了混疊信號（3）
參考設計電路板非常簡單（圖6）,。只需將MAX II器件直接連接至觸摸屏的30個引腳,，以及15×15 LED陣列。還有下載連接線J1,，以及SPI或者I2C連接用的擴展插頭J3,。相對于I2C接口，LED陣列更容易進行交互式演示,。
圖6 演示電路板原理圖
圖7是MAX II電路結構圖,。它包括移位寄存器，含有來自時序控制模塊的移位控制信號。時序控制模塊還控制采樣寄存器,。為能夠有效地演示時序變化的影響,，將使用JTAG源探測特性Mega向導以及Quartus II和MAX II系列支持的源探測編輯器。
圖7 MAX II電路結構圖
如圖8所示,，時序控制模塊有4個狀態(tài),，顯示在左下角。“復位”驅動所有引腳為高電平,，建立時間為16個時鐘周期,。“移位”將列掃描移到左側。“等待”是從移位到采樣的可編程延時,。JTAG8模塊控制延時，是從JTAG電纜下載的8位數(shù)值,，控制來自Quartus源探測編輯器窗口。它還對內(nèi)部節(jié)點進行采樣,，以便在Quartus中實時讀取,。“等待”周期后，采樣狀態(tài)采集列數(shù)據(jù),。
圖8 時序控制模塊
MAX II是可編程邏輯器件,，很容易采用免費的Quartus II設計工具對其進行定制，滿足使用者的應用需求,。同時,，MAX II CPLD具有以下特性,，非常適合數(shù)字電阻觸摸屏解碼：大量的I/O引腳,，其中超低功耗MAX IIZ系列含有160個I/O，MAX II系列含有272個I/O,，很少有處理器提供足夠的I/O來解碼數(shù)字電阻觸摸屏；所有MAX II器件都有內(nèi)部振蕩器和可編程內(nèi)部I/O上拉電阻；MAX II器件支持在系統(tǒng)可編程,，這樣可以先設計印刷電路板，然后再調整時序,；MAX II的功耗非常低,，MAX IIZ適用于很多電池供電的便攜式應用,；最后,，可編程MAX II能夠靈活的支持需要標準或者專用接口的處理器,。