基于AT91X40系列的手持式触摸屏

摘要： 基于当前手持式触摸屏稳定性不高，性能不可靠的状况，采用AT91X40 系列微控制器作为控制芯片，由于该芯片功能强大，集成度高，处理数据能力强，稳定性高，所以基于AT91X40 系列的手持式触摸屏具有体积小巧，功能强大，操作简便等特点。手持式触摸屏的显示和输入设备选用了ADS7843 和SED1335 两种主流触摸和LCD 显示芯片。通过现场的实验验证，基于AT91X40 系列的手持式触摸屏稳定性高，工作可靠，具有实际应用价值。

手持系统是一种当前颇为流行的便携设备，其具有体积小巧，功能强大，操作简便等特点。常见的手持系统如PDA掌上电脑就是一种高级的设备，现在的手持系统已经成为众多大公司追逐的新宠，未来的前景更是被广泛看好。随着科技发展，人们生活水平日益提高，新型的掌上手持系统越来越受到广大消费者的喜爱。原来的手持设备多以键盘作为输入设备，这样限制了设备本身的体积大小与便携性。如今大多手持设备已经采用LCD 液晶屏作为显示屏，用触摸屏代替原来的键盘， 使在功能不变的情况下操作更简便。基于AT91X40 系列微控制器的手持系统，突出体现了电子产品的性价比较高的优势。目前，AT91X40 系列微控制器应用广泛，材料易于购买， 与速度较高的其他芯片相比价格也相对低廉，适用于大众化的中低端产品。手持系统的显示和输入设备，采用了现在流行的触摸屏。触摸屏技术发展速度快，前景广阔，目前已经得到广泛应用，具有极大的研究价值。这个系统中，选用了ADS7843 和SED1335 两种主流触摸和LCD 显示芯片。整个硬件的选择突出了主流性、先进性，保证研究成果拥有一定实际价值。

1 系统的核心控制芯片

AT91X40 系列微控制器集成了ARM7TDMI 核、嵌入式ICE 接口、存储器以及外围部件。系列结构有两条主要总线：

先进系统总线ASB （Advanced System Bus） 和先进外围总线APB（Advanced Peripheral Bus）。ARM7TDMI 通过ASB 接口实现与片内32 位存储器、外部总线接口EBI 以及AMBA 桥的互连。AMBA 桥用来驱动APB；APB 用来访问片内外围，优化系统功耗。AT91X40 系列方框图如图1 所示。

图1 AT91X40 系列方框图

1.1 存储器

AT91X40 系列微控制器有多达256 kB 的片内SRAM 和128 kB 的片内ROM。内部存储器通过32 位数据总线与ARM核连接，具有单周期访问的特性。当使用ARM 指令集时可以达到0.9 MIPS/MHz 的性能，系统功耗最小，性能优于使用分开存储器的方案。该系列产品具有外部总线接口EBI。通过它，ARM 核可以与外部存储器及专用外设相连接[2]。EBI 支持8 位和16 位器件， 并可以用两个8 位器件来仿真一个16 位器件。EBI 还实现了早读协议，使用户可以获得比标准读协议更快的存储器访问速度。

1.2 片内外围

AT91X40 系列产品集成有片内外围，分为系统外围和用户外围。ARM 核可以通过AMBA 桥以32 位的总线宽度访问，用最少的指令编程所有的片内外围。外围寄存器集包括控制寄存器、模式寄存器、数据寄存器、状态寄存器以及使能/禁止/状态寄存器。片内外围数据控制器PDC （PeripheralData Controller） 用来在USART 和片内/外存储器之间传送数据而无需处理器的干预。最重要的是，PDC 省去了处理器中断处理的开销，使得系统无需重新编程起始地址就可以连续传送多达64 kB 的数据，从而提高了微控制器的性能，降低了功耗。

2 触摸屏的结构及功能特性

2.1 触摸屏的结构

典型触摸屏的工作部分一般由3 部分组成， 如图2 所示：两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极。

阻性导体层选用阻性材料，如铟锡氧化物（ITO）涂在衬底上构成，上层衬底用塑料，下层衬底用玻璃。隔离层为粘性绝缘液体材料，如聚脂薄膜。电极选用导电性能极好的材料（如银粉墨）构成，其导电性能大约为ITO 的1 000 倍。

图2 触摸屏结构

2.2 触摸控制芯片ADS7843 的功能特性

ADS7843 是4 线电阻触摸屏转换接口芯片。它是一款具有同步串行接口的12 位取样模数转换器。在125 kHz 吞吐速率和2.7 V 电压下的功耗为750 μW，而在关闭模式下的功耗仅为0.5 μW。因此，ADS7843 以其低功耗和高速率等特性，被广泛应用在采用电池供电的小型手持设备上。ADS7843 采用SSOP-16 引脚封装形式，温度范围是-40～+85 ℃。ADS7843具有两个辅助输入（IN3、IN4），可设为8 位或12 位模式。其外部连接电路如图3 所示， 该电路的工作电压Vcc 在2.7～5.25 V 之间，基准电压介于1 V～+Vcc。该电路基准电压确定了转换器输入范围，输出数据中每个数字位代表的模拟电压等于基准电压除以4 096。平均基准输入电流由ADS7843 转换率来确定。

SED1335 接口部分带有功能较强的I/O 缓冲器， 可随时准备接收MPU 的访问，并按内部时序，及时把MPU 发来的指令和数据传输就位。SED1335 在接口部分设置了适配8080系列和M6800 系列MPU 的两种操作时序电路， 通过设置引脚电平来选择操作时序。

3.2 控制部分

SED1335 的控制部分由振荡器、功能逻辑电路、显示RAM 管理电路、字符库管理电路以及产生驱动时序的时序发生器等组成。振荡器的工作频率范围为1 ～10 MHz。

SED1335 能在很高的工作频率下迅速地编译MPU 发来的指令代码。将参数置入相应寄存器内，并触发相应的逻辑功能电路。显示RAM 管理电路用以管理64 k 显示RAM 及内藏的字符发生器CGRAM 或EXCGROM。

1）文本显示特性具有文本显示特性的显示RAM 区用于文本显示，在该显示RAM 区中，每个字节的数据都是字符代码。SED1335 利用这些字符代码来确定字符库中字符的首地址，然后将相应数据传送到液晶显示模块上，在液晶屏上以8×8 点阵块显示该字符。SED1335 中专门有一组寄存器来管理这两种特性的显示区， 使其既可以单独显示一个特性，也可按某种逻辑关系显示两个特性。显示方式的设置可以通过软件指令来完成。

2）图形显示特性具有图形显示特性的显示RAM 区用于图形显示。在该显示RAM 区中，每一个字节的数据都直接送到液晶显示模块上，每一位的电平决定上一个点的显示状态。“1”为显示，“0”为不显示。所以，图形显示RAM 的一个字节对应显示屏上的8×1 点阵。SED1335 中专门有一组寄存器来管理这两种特性的显示区， 使其既可以单独显示一个特性，也可按某种逻辑关系显示两个特性。显示方式的设置可以通过软件指令来完成。

3）字符发生器CGROM SED1335 管理内藏字符发生器CGROM， 在字符发生器内固化了160 种5×7 点阵字符的字模。SED1335 还有外扩字符发生器，需要外扩字符发生器时，既可以用RAM 区开辟的CGRAM，也可以用EPROM 固化字库来实现。由SED1335 仅能处理8 位的字符代码，所以一次最多只能显示及建立156 种字符。在SED1335 的字符表中给出了内部字符发生器的全部内容。同时也给出了外扩字符发生器的字符代码范围：80H-9FH 和E0H-FFH 共64 种。

4 系统功能的实现要点及程序流程

在调试核心控制芯片AT91X40 系列微控制器时， 根据触摸屏的参数要求，要设置了一些基本参数。例如：系统时钟、中断类型、I/O 口选用方式。因为没有大功率的外部设备需要驱动，把各个管脚统一设置为漏极模式。因为只用到了0中断这个特殊功能，所以把其他功能关闭。SED1335 的设置很繁琐，关键之处在于初始化的设置，把握住几个关键性参数的设置即可，比如：屏幕显示大小、显示频率、开关屏指令。

触摸功能的实现在于坐标采集的正确，以及中断服务程序的编写。如果单纯考虑控制芯片对中断的响应，而加大延迟，势必造成程序运行不流畅甚至死机的后果。可是不加大延迟，就要通过长时间的触摸一点来达到系统对中断的充分响应，这样一来会使触摸按键显得过于迟钝。在触摸点坐标采集的问题上，现在有几种理论思想。第一种，多次测量触摸点坐标取平均值，这样采集到的坐标点很精确，但是耗时较多；第二种，通过查表的方式来确定坐标点。其原理大概是，事先编好一个坐标的数据表，当触摸点在一个区域内时，根据查表的结果判定触摸的位置。这种方法适用于触摸固定位置的屏，因为要事先编数据表，所以灵活性稍差。这里采用了第二种方法，但是根据实际情况适当地进行了简化。具体的程序流程图如图5 所示。主要包括：AT91X40 系列控制芯片的初始化设置，ADS7843 的初始化设置，SED1335 的初始化设置，图形显示，清屏功能。

图5 程序流程图

5 结束语

　　基于AT91X40 系列的手持式触摸屏，具有体积小巧，功能强大，操作简便等特点。手持式触摸屏的显示和输入设备，采用了现在流行的触摸屏。触摸屏技术发展速度快，前景广阔，目前已经得到广泛应用，具有极大的研究价值。这个系统中，选用了ADS7843 和SED1335 两种主流触摸和LCD 显示芯片。整个硬件的选择突出了主流性、先进性，保证研究成果拥有一定实际价值。