中心議題：

• 智能手機低功耗觸摸屏接口設計

解決方案：

• 采用Altera MAX IIZ CPLD解決方案
• 采用ADI的AD7142 CDC解決方案

支持網(wǎng)絡(luò )的多媒體智能電話(huà)改變了消費者使用手機的方式。在這些電話(huà)中，特別受歡迎的是液晶觸摸屏接口，用戶(hù)通過(guò)它來(lái)使用各種應用程序，或者用手指滾動(dòng)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)頁(yè)。如果希望在不花費大量的時(shí)間、預算或者功耗的情況下，開(kāi)發(fā)這類(lèi)復雜的接口，采用零功耗Altera MAX IIZ CPLD是一個(gè)理想的選擇。

與 ASSP或者其它競爭技術(shù)不同，MAX IIZ CPLD的I/O非常多、使用方便、功耗低，能靈活突出產(chǎn)品優(yōu)勢。這些優(yōu)點(diǎn)大大簡(jiǎn)化并加速了個(gè)性化手機、便攜式媒體播放器和顯示器的開(kāi)發(fā)，適用于醫療、汽車(chē)和工業(yè)等應用領(lǐng)域。Altera基于MAX IIZ EPM240Z器件的最新多點(diǎn)觸摸屏參考設計，有助于設計人員迅速將構思變?yōu)閷?shí)際產(chǎn)品。

定制或者自行設計
任何觸摸屏方案都包括兩部分：2D觸摸傳感器和計算應用程序，后者將傳感器數據轉換為用戶(hù)意圖。參考設計是完整的傳感器和數據采集系統，可以進(jìn)行定制，也可以原樣使用。它提供銦錫氧化物(ITO)屏以及簡(jiǎn)單的雙面PCB用作多觸點(diǎn)導航板。圖1(a)所示的2D多觸點(diǎn)參考設計基于MAX IIZ EPM240Z CPLD以及ADI的AD7142 集成電容數字轉換器(CDC)，支持片內環(huán)境校準以及ITO屏。

參考設計有一個(gè)簡(jiǎn)單的數據解釋程序，演示并測試多觸點(diǎn)傳感器的工作。AD7142 CDC用于監測電容變化，只有14個(gè)電容傳感器通道。在這一參考設計中，MAX IIZ CPLD擴展了AD7142 CDC的功能，使其能夠處理兩維ITO薄膜和PCB觸摸傳感器。應用處理器通過(guò)SPI或者I2C總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)AD7142的CDC寄存器文件，將MAX IIZ CPLD的SRC信號控制設置在合適的軸上。長(cháng)時(shí)間暫停后，觸摸屏監測到一次觸摸時(shí)，MAX IIZ CPLD會(huì )產(chǎn)生一個(gè)中斷信號。

ITO或者PCB觸摸屏設計
任何觸摸屏設計都從實(shí)際的觸摸傳感器開(kāi)始。雖然這個(gè)參考設計主要是針對電容ITO 觸摸屏，但也適用于一面為水平走線(xiàn)，另一面是垂直走線(xiàn)的雙面PCB。ITO 觸摸屏有兩個(gè)被絕緣體分開(kāi)的透明層，14條y走線(xiàn)連接至AD7142 CDC輸入，16條x走線(xiàn)連接至MAX IIZ CPLD。MAX IIZ CPLD能夠增加更多的I/O，進(jìn)一步提高分辨率，支持更大的觸摸屏。14x16的設計可支持最高16x14cm的觸摸屏。

ITO 觸摸傳感器有兩個(gè)被絕緣體分開(kāi)的互相垂直的層，上面分別是x和y走線(xiàn)。理想情況下，x走線(xiàn)在下面，y走線(xiàn)在上面，連接至AD7142輸入。如此布置的原因是CDC在監視靠近手指的走線(xiàn)時(shí)更敏感。走線(xiàn)陣列較寬，間距為5至10mm。圖1(b)中左側為觸摸屏交叉部分，右側是觸摸屏。在實(shí)際的顯示觸摸屏中，走線(xiàn)是透明的。[page]

圖1(b)中的傳感器可實(shí)現計算導航板，從而避免了使用普通導航板所需要的選擇按鈕。如圖2所示，中指移動(dòng)光標，食指和無(wú)名指觸摸屏幕，指示鼠標左鍵或者右鍵點(diǎn)擊。去掉移動(dòng)部分后，電容觸摸屏傳感器比按鍵和按鍵開(kāi)關(guān)更耐用。
ADI的AD7142 CDC
AD7142 CDC并不是設計用作觸摸屏解碼器，而是用于測量電容以及PCB上傳感器線(xiàn)陣的電容變化。AD7142 CDC電氣特性比較完備，能校準特定的PCB布局，然后針對14個(gè)傳感器輸入的每一輸入進(jìn)行電容測量，精度為12位。每個(gè)測量周期結束后，通過(guò)I2C或者SPI總線(xiàn)來(lái)訪(fǎng)問(wèn)這些數值。AD7142 CDC在SRC信號上發(fā)送一個(gè)250kHz方波，驅動(dòng)靠近傳感器板的走線(xiàn)，然后測量接收到的SRC信號強度。由于觸摸屏電容和SRC信號接收強度成正比，因此AD7142 CDC探測并量化用戶(hù)手指接觸觸摸屏時(shí)的電容變化。

AD7142 CDC連續進(jìn)行14次可尋址電容測量。圖3顯示當沒(méi)有手指接觸時(shí)基線(xiàn)條件下的寄存器值，下面的圖顯示了手指觸摸傳感器9時(shí)的寄存器值。AD7142 CDC非常靈敏，應用處理器利用這一詳細的電容矢量值，確定手指位于9.3傳感器位置，即在傳感器9和10之間。AD7142 CDC精度達到12位，因此，只需要14個(gè)傳感器就可以精確測量手指的位置。
AD7142 CDC文檔詳細介紹了工作過(guò)程和校準功能。

MAX IIZ CPLD將線(xiàn)性傳感器轉換為2D傳感器
AD7142 CDC可以測量14個(gè)傳感器相對于一條SRC走線(xiàn)的電容。增加MAX IIZ CPLD后，可在串行接口的控制下，獲得AD7142 CDC的SRC方波信號，并選擇驅動(dòng)觸摸屏的某一條垂直x走線(xiàn)，從而支持多條SRC走線(xiàn)。AD7142 CDC可以進(jìn)行相對于垂直走線(xiàn)軸或者本地的電容測量。MAX IIZ中大量的I/O (5x5mm封裝支持54個(gè)I/O，7x7mm封裝支持116個(gè)I/O)結合AD7142的高分辨率電容數字測量能力，使這一解決方案能夠適用于面積較大的觸摸屏和面板。

圖4為AD7142 CDC和MAX IIZ CPLD相結合后的2D電容測量結果，顯示了16條走線(xiàn)，即，對x軸進(jìn)行了16次劃分。左側是基線(xiàn)電容測量，而右側是兩個(gè)手指觸摸傳感器后的結果。圖中藍色和紅色采樣行表示哪一SRC走線(xiàn)被激活。
應用處理器通過(guò)串行接口設置MAX IIZ CPLD驅動(dòng)傳感器S1列和SRC信號，讀取來(lái)自AD7142 CDC的14個(gè)電容值。然后，應用處理器通知MAX IIZ CPLD將SRC移至下一垂直走線(xiàn)，進(jìn)行另一次14個(gè)電容測量，不斷重復，直至應用處理器獲得了觸摸傳感器2D區域內所有244個(gè)(14x16)電容測量值。使用I2C總線(xiàn)，采集所有數據的時(shí)間大約為375 ms，而使用SPI總線(xiàn)的時(shí)間為300ms。(降低CDC采樣分辨率可以減少采樣周期)。然后，應用處理器處理原始數據，確定用戶(hù)意圖。

降低功耗，節省時(shí)間，減少處理
MAX IIZ CPLD和AD7142 CDC觸摸屏解碼參考設計的功效非常高，正常全速工作和正常分辨率下一般只需要1.5mA電流。它還支持三種其它功效級別。在第一低功耗級中，應用處理器降低采樣率，只采集一部分水平和垂直走線(xiàn)，或者使用精確的AD7142 CDC來(lái)確定走線(xiàn)之間的觸摸點(diǎn)。在更低的功耗級中，需要用戶(hù)觸摸屏幕中心來(lái)喚醒器件，這要求應用處理器只采樣一條水平走線(xiàn)和一條垂直走線(xiàn)。

最低功耗級可以將應用處理器和AD7142 CDC置于關(guān)斷模式。采用外部32kHz時(shí)鐘以及每秒一次的采樣率，典型的MAX IIZ CPLD待機電流只有50μA。當MAX IIZ CPLD的高功效電容探測系統監測到屏幕被觸摸時(shí)，它通過(guò)中斷信號喚醒處理器。處理器被喚醒后，系統以更高的精度來(lái)讀取觸摸位置。

本文小結
單點(diǎn)觸摸屏和面板不再是實(shí)現電子系統接口的最新手段，而被認為是必備功能。單點(diǎn)觸摸屏方案已經(jīng)廣泛應用，因此為使產(chǎn)品得到消費者的青睞，需要采用兩點(diǎn)或者多點(diǎn)觸摸屏?，F在應用的多觸點(diǎn)解決方案還不多，Altera MAX IIZ CPLD 利用現有元件實(shí)現了靈活的多觸點(diǎn)用戶(hù)接口。