TrueTouch电容触摸屏方案的通讯接口的设计

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电容式触摸屏是在玻璃表面贴上一层透明的特殊金属导电物质。当手指触摸在金属层上时，触点的电容就会发生变化，使得与之相连的振荡器频率发生变化，通过测量频率变化可以确定触摸位置获得信息。电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形成一个低电压交流电场。在触摸屏幕时，由于人体电场，手指与导体层间会形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏幕后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及感应器，更有效地防止外在环境因素对触摸屏造成影响，就算屏幕沾有污秽、尘埃或油渍，电容式触摸屏依然能准确算出触摸位置。由于电容随温度、湿度或接地情况的不同而变化，故其稳定性较差，往往会产生漂移现象。该种触摸屏适用于系统开发的调试阶段。
　　一、 Cypress TrueTouch电容触摸屏方案介绍
　　Cypress半导体公司生产高性能IC产品，用于数据传输、远程通讯、PC和军用系统。公司1982年成立，是一家国际化大公司。目前约有人员3000人，已经在全球建立了销售网络。公司总部设在美国加州San Jose.赛普拉斯（Cypress）为消费类电子、计算、数据通信、汽车、工业和太阳能等系统核心部分提供高性能的解决方案。赛普拉斯致力于客户服务，充分利用基于产品性能的工艺以及制造技术专长，使其产品系列扩展到有线与无线USb器件、CMOS图像传感器、计时技术解决方案、网络搜索引擎、专业存储器、高带宽同步和微功耗存储器产品、光学解决方案以及可再配置的混合信号阵列等。
　　Cypress PSoC 技术将可编程模拟 / 数字资源集成在单颗芯片上，为感应电容式触摸屏提供了TrueTouch？解决方案，它涵盖了从单点触摸、多点触摸识别手势到多点触摸识别位置的全部领域。配合高效灵活的PSoC Designer 5.0 开发环境，Cypress TrueTouch？方案正在业界获得广泛的应用。
　　PSoC系列单片机是在一个专有的MCU（Microprogrammed Control Unit）内核周围集成了可配置的模拟和数字外围器件阵列PSoC块，利用芯片内部的可编程互联阵列，有效地配置芯片上的模拟和数字块资源，达到可编程片上系统的目的。PSoC 是一种对于标准的“全数字式”微控制器设计、纯粹的模拟设计以及介乎此二者之间的所有设计而言具有同等的高适用性的器件，是一种具有极端灵活且完全可编程的混合信号SOC 的基本原理的全新一代器件。
　　图1是Cypress TrueTouch方案中经常使用的轴坐标式感应单元矩阵的图形，类似于触摸板，将独立的ITO 感应单元串联在一起可以组成Y 轴或X 轴的一个感应单元，行感应单元组成Y 轴，列感应单元组成X 轴，行和列在分开的不同层上。多点触摸识别位置方法是基于互电容的触摸检测方法（行单元上加驱动激励信号，列单元上进行感应，有别于激励和感应的是同一感应单元的自电容方式），可以应用于任何触摸手势的检测，包括识别双手的10 个手指同时触摸的位置（图2）。它通过互电容检测的方式可以完全消除“鬼点”，当有多个触摸点时，仅当某个触摸点所在的行感应单元被驱动，列感应单元被检测时，才会有电容变化检测值，这样就可以检测出多个行 / 列交*处触摸点的绝对位置。

　　


　　图1 轴坐标式感应单元矩阵的图形

　　


　　图2 Cypress TrueTouch 多点触摸识别位置
　　方案同时显示了5 个手指触摸点的位置。
　　图3显示了Cypress TrueTouch方案的不同应用领域，包括触摸按键，图像的两手指手势操作，以及同时识别多点触摸位置和控制多个目标。
　　


　　图3 Cypress TrueTouch 电容触摸屏方案

　　二、Cypress TrueTouch电容触摸屏的通讯接口
　　Cypress TrueTouch电容触摸屏主要通过TX / I2C / SPI / USb 与主机实现物理通信，TrueTouch芯片可以直接报告一些基本手势（如两点触摸的平移 / 缩放 / 旋转），也可以提供专用的API 给用户，用户端获得多点坐标后通过API 运算识别更多的或者自定义的手势。API 使用标准C 语言编写，可以运行在51 / ARM 等多个平台，这大大简化了用户端软件开发的工作量。
　　通信接口（communication interface ）是指中央处理器和标准通信子系统之间的接口。 如：RS232接口。RS232接口就是串口，电脑机箱后方的9芯插座，旁边一般有 “|O|O|” 样标识。计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。 在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同 的设备可以方便地连接起来进行通讯。
　　1. TX 通信接口
　　Cypress Designer 5.0 提供了TX8SW用户模块，可以实现7 / 8位RS-232格式的软件串行接口，支持115200，57600，38400，19200，9600，4800，2400，and 1200 bps的传输速度。用户可以在代码中设定相应的I/O口，波特率，极性和停止位数。TX8SW接口不占用PSoC的数字 / 模拟模块资源，提供了从PSoC到主机的单向通信连接。
　　2. I2C 通信接口
　　Cypress Designer 5.0 提供了多个I2C通信的用户模块，包括I2CHW（允许多主机通信，可以设定为主机或从机，支持7位/10位寻址模式），EzI2Cs（工作为从机模式，占用ROM/RAM资源最少），I2Cm（工作为主机模式）和I2Cs（工作为从机模式）。这几种I2C模块都与Philips的工业标准I2C总线接口兼容，而且不占用PSoC的数字 / 模拟模块资源，提供了从PSoC到主机的100 kbps / 400 kbps速率双向通信连接。
　　PSoC 与主机I2C 通信时，通常是对所有的行 / 列感应单元触摸检测完成后，通过一个GPIO 报告中断给主机，主机响应中断并读出所需的数据。以下方法可以确保主机读出数据的完整性：
　　While（1） ｛
　　TSX_ScanAllSensors（）; // TSX 是Cypress 互电容检测方式用户模块
　　TSX_UpdateAllbaselines（）; // 更新感应单元baseline
　　TSX_GetCentroids（）; // 获得多点的位置
　　TSX_ReportINTwithOvertime（）; // 向主机报告中断，有超时控制
　　// 检测EzI2Cs 用户模块的RAM 读/写计数器，等待直到主机读出全部数据
　　while （EzI2Cs_bRAM_RWcntr ！= sizeof（I2Cregs）） ｛｝;
　　…; // 运行其它用户代码
　　｝
　　主机对I2C Structure 特定字节写入预定义数据后，可以通知PSoC 进入待机模式（定期工作模式 + 定期休眠模式）或 完全休眠模式。PSoC 在待机模式下主机可以进入休眠，PSoC 通过Sleep Timer 定期唤醒自己进入定期工作模式，检测部分感应单元（如仅扫描行单元）来获知是否有用户激活事件。如果有激活事件就通过中断唤醒主机并进入PSoC工作模式；没有就再次休眠并定期唤醒自己以降低功耗，实际的电流功耗是工作模式和休眠模式以时间加权的平均值，例如：一秒内唤醒PSoC 4 次进入工作模式检测，每次检测16ms@3.2mA，其它时间进入休眠模式@3uA，实际的电流功耗 = （16ms ＊ 4 ＊ 3.2mA + （1000ms – 16ms ＊ 4） ＊ 3uA ） / 1000ms ～= 0.208 mA。
　　PSoC Sleep mode 下将关闭Analog / Digital UM，使所有GPIO 不形成电流通路，使能I2C 通信引脚的外部中断唤醒，然后进入Sleep mode，主机随后可以调用一次I2C 读或写事件来唤醒PSoC。
　　随着手机、PDA等便携式电子产品的普及，人们需要更小的产品尺寸和更大的LCD显示屏。受到整机重量和机械设计的限制，人机输入接口开始由传统的机械按键向电阻式触摸屏过渡。2007年iPhone面世并取得了巨大成功，它采用的电容式触摸屏提供了更高的透光性和新颖的多点触摸功能，开始成为便携式产品的新热点，主机随后可以调用一次I2C 读或写事件来唤醒PSoC。
　　3. SPI 通信接口
　　SPI，是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCb的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性。
　　Cypress Designer 5.0 提供了SPIM（设定为主机模式），和SPIS（设定为从机模式） UM。它们使用Tx buffer / Rx buffer，Control / Shift寄存器和Digital通信模块，实现了8bit全双工同步通讯。用户可以选择SCLK（由SPI主机产生来设定通信bps）频率和极性，LSb First等属性以支持SPI mode 0，1，2和3（见表1）。
　　表1 SPI 模式选择
　　


　　4. USb 通信接口
　　Cypress Designer 5.0 提供了USbUART（使用USb接口来模拟一个COM口），和USbFS UM。
　　USbUART使用时在PSoC端和PC端就像使用串行口一样方便，用户在设定VendorID /ProductID / VendorString / ProductString / SerialNumberType /SerialNumberString / DevicePower / MaxPower这些参数后，编译项目就可以自动生成INF文件。当PSoC与PC连接后，PC安装这个INF文件，双方就可以进行双向通信。
　　USbFS支持Control / Interrupt / bulk / Isochronous 传输，提供了USb IN / OUT控制节点的底层驱动模式，解释来自USb Host的请求并分配给相应的函数。通过USbFS Setup Wizard可以很方便的配置器件描述符，用户还可以将USb配置成HID（Human Interface Devices）器件或通用USb器件。
　　USbUART和USbFS接口都不占用PSoC的数字 / 模拟模块资源，提供了从PSoC到主机的USbFull Speed双向连接。
　　三、Cypress TrueTouch 电容触摸屏不同通讯接口的选择

　　选用Cypress TrueTouch 触摸屏解决方案时，可以根据具体应用的需要灵活选择通讯接口（见表2）。

　　表2
　　



　　电容式触摸屏的优点正在被广泛认可，其增强的耐用性、优雅的人机界面带给消费者全新的操作体验。随着电容式触摸屏市场的逐渐扩大，灵活的通讯接口选择将有助于Cypress TrueTouch 电容触摸屏方案更好的为用户服务。