【文章內(nèi)容簡介】 玻璃氧化金屬涂層 圖 電容觸模屏與表面聲波屏結(jié)構(gòu)差異比較 電容屏在原理上把人體當(dāng)作一個電容器元件的一個電極使用，當(dāng)有導(dǎo)體靠近與夾層 ITO 工作面之間耦合出足夠量容值的電容時，流走的電流就足夠引起電容屏的誤動作。我們知道，電容值雖然與極間距離成反比，卻與相對面積成正比，并且還與介質(zhì)的絕緣系數(shù)有關(guān)。因此，當(dāng)較大面積的手掌或手持的導(dǎo)體物靠近電容屏而不是觸摸時就能引起電容屏的誤動作，在潮濕的天氣，這種情況尤為嚴(yán)重，手扶住顯示器、手掌靠近顯示器7 厘米以內(nèi)或身體靠近顯示器 15 厘米以內(nèi)就能引起電容屏的誤動作。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計算器設(shè)計 12 電容觸摸屏最外面的矽土保護(hù)玻璃防刮擦性很好，但是怕指甲或硬物的敲擊，敲出一個小洞就會傷及夾層 ITO，不管是傷及夾層 ITO 還是安裝運輸過程中傷及內(nèi)表面 ITO 層，電容屏就不能正常工作了。 紅外式觸摸屏 紅外觸摸屏是利用 X、 Y 方向上密布的紅外線矩陣來檢測并定位用戶的觸摸。通常紅外觸摸屏在顯示器的前面安裝一個外框，靠藏在外框中的電路板在屏幕四邊排布紅外發(fā)射管和紅外接收管，一一對應(yīng)形成橫豎交叉的紅外線矩陣。用戶在觸摸屏幕時，手指就會擋住經(jīng) 過該位置的橫豎兩條紅外線，因而可以判斷出觸摸點在屏幕的位置。 接收管接收管發(fā)射管發(fā)射管觸摸點 圖 紅外線掃描式觸摸屏的原理 安裝紅外觸摸屏的方法非常簡單，只要用膠或雙面膠將這個框架固定在顯示器前面即可。大多數(shù)紅外觸摸屏的控制器直接設(shè)計在藏在框架中的電路板上，也有紅外觸摸屏把控制器設(shè)計在單獨的小盒中?？刂破魍ㄟ^鍵盤接口或者串行口直接與主機通信，走鍵盤接口的紅外觸摸屏用戶甚至可以直接讀取鍵盤口發(fā)來的觸摸屏數(shù)據(jù)而無需任何驅(qū)動程序。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計算器設(shè)計 13 表面聲波觸摸屏 表面聲波觸摸屏的觸摸屏部分可以是一塊平面、球面或是柱面的玻璃平板，安裝在 CRT、 LED、 LCD 或是等離子顯示器屏幕的前面。這塊玻璃平板只是一塊純粹的強化玻璃，區(qū)別于別類觸摸屏技術(shù)是沒有任何貼膜和覆蓋層。 玻璃屏的左上角和右下角各固定了豎直和水平方向的超聲波發(fā)射換能器，右上角則固定了兩個相應(yīng)的超聲波接收換能器。玻璃屏的四個周邊則刻有 45 度角由疏到密間隔非常精密的反射條紋。如 圖 所示 X軸接 收換能器Y軸接 收換能器電纜Y軸發(fā) 射換能器X軸發(fā) 射換能器發(fā)射條紋 圖 InteIliTouch 觸摸屏包括一塊表面交叉著 X、 Y 方向聲表面波的強化玻板 以 Y 軸為例，發(fā)射換能器把由控制器產(chǎn)生的 5MHz 的電信號轉(zhuǎn)換為超 聲波能量發(fā)出。換能器基座的設(shè)計使得它具有較狹窄的方向角向左傳播聲表面膠能量，在傳遞過程中，又被底邊的 45 度反射條紋向上反射成屏幕表面豎直方向的均勻面?zhèn)鞑ィ缓笥直簧线叺姆瓷錀l紋向右聚成線傳播至 Y 軸接收換能器，并最終轉(zhuǎn)為電信號回傳給控制器。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計算器設(shè)計 14 SI DE V IE W側(cè)視圖時間TIME手指吸收部分聲波 S IG NA L AT TE N UA TE D AT T HI S PO I NTDI P IN R EC EI VE D S IG NA L PR OP RT I ON ALTO T OU CH L OC AT IO N 圖 接收信號在觸摸位置對應(yīng)處衰減 在沒有觸摸的時候，接收信號的波形與參照波形完全一樣。當(dāng)手指觸摸屏幕時，手指吸收了一部分聲波能量，而控制器則偵測到接收信號在某一時刻上的衰減，由此可計算出觸摸點在 Y 軸上的位置，同樣的原理可以得到觸摸點在 X 軸的位置 ，如圖 所示 。除了一般觸摸屏都能響應(yīng)的X、 Y 坐標(biāo)外，表面聲波觸摸屏還響應(yīng)其獨有的第三軸 Z 軸坐標(biāo)，也就是能感知用戶觸摸壓力大小值。其原理是由接收信號衰減處的衰減量計算得到。三軸一旦確定，控制器就把他們傳給主機。因為表面聲波技術(shù)非常穩(wěn)定，而表面聲波觸摸屏的控制器靠測量衰減時刻在時間軸上的位置來計算觸摸位置，所以表面聲波觸摸屏非常穩(wěn)定，精度也非常高，目前表面聲波技術(shù)觸摸屏的精度通常是 4096 4096。 表面聲波觸摸屏的優(yōu)勢主要有：壽命最長（美國權(quán)威的電子工程師 雜志的報告是：同一位置觸摸 5 干萬次無故障），屬于半永久性的產(chǎn)品，極好的防刮性，透光率（＞ 92％）和清晰度最高，保持清晰透亮的圖像質(zhì)量，沒有色彩失真，這些優(yōu)點來源于它的觸摸屏是沒有任何貼膜和覆層的純玻璃，并且不象有覆層玻璃的觸摸屏在邊角遭受壓力時內(nèi)部應(yīng)力不可預(yù)測的上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計算器設(shè)計 15 可能在某處集中，因此，純玻璃的觸摸屏安裝風(fēng)險??；此外，表面聲波觸摸屏技術(shù)絕對沒有漂移，安裝后無須再進(jìn)行校準(zhǔn)，直接采用迪卡爾直角坐標(biāo)系，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換無失真。 綜上所述，市面上各種各樣的觸摸屏，分別有各自的特點，應(yīng)用領(lǐng)域，以及生產(chǎn)成本等。如表 是市面上常 見的各類觸摸屏技術(shù)特點總結(jié)。 表 市場上常見觸摸屏性能比較 類別 性能 表面聲波 電容 紅外 五線電阻 四線電阻 清晰度 很好 字符圖象糊 較好 字符圖象模糊 反光性 很少 嚴(yán)重 有 較少 透光率 92%（極限） 85% 75% 55% 色彩失真 無 有 無 有 分辨率 4096 4096 1024 1024 40 32 40964096 1024 1024 壓力軸影響 有 無 無 無 無 漂移 無 漂移 無 無 無 防刮擦 非常好且不怕硬物 一般，怕硬物敲擊 一般，怕銳器 主要缺陷 野蠻使用 不怕 一般 外框易碎 怕銳器 差 反應(yīng)速度 10ms 1524ms 50300ms 10ms 1020ms 材料 純玻璃 四層復(fù)合膜 透光外殼 鍍于玻璃 鍍于有機玻璃 多點觸摸 智能判斷 中心點 左上角 中心點 中心點 電磁場干擾 沒有此問題 有 沒有此問題 沒有此問題 沒有此問題 防塵 不怕 不怕 不能擋住透光部分 不怕 不怕 壽命 5 千萬次半永久性 2 千萬次 太多傳感器損壞概率大 3千 5百萬次 1百萬次 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計算器設(shè)計 16 安裝風(fēng)險 不易碎 易碎 易摔碎外殼 不易碎 易損壞 ITO 市場返修率 0 21% 40% 5% 30% 外觀 不影響 不影響 影響外觀 不影響 不平整 現(xiàn)場維修 不需要 需經(jīng)常校準(zhǔn) 清潔外殼 不需要 不需要 本次設(shè)計基于 LM3S9B96 開發(fā)板 這樣一個實驗平臺，所搭載的是 寸的四線電阻式觸摸屏，雖然其具有相當(dāng)?shù)娜秉c。 因為每次觸按，上層的PET 和 ITO 都會發(fā)生形變，而 ITO 材質(zhì)較脆，在形變經(jīng)常發(fā)生時容易損壞。一旦 ITO 層斷裂，導(dǎo)電的均勻性也就被破壞，上面推導(dǎo)坐標(biāo)時的比例等效性也就不再存在，因此四線電阻觸摸屏的壽命不長 。但是，其開發(fā)成本較低，硬件連接簡單，顯示效果良好，并且驅(qū)動程序設(shè)計相對簡單等特點。所以針對本次設(shè)計，所采用了是樣的四線電阻式觸摸屏。 2 硬件平臺設(shè)計 本次 設(shè)計主要以 LM3S9B96 開發(fā)板 作為主要的開發(fā)平臺，首先在這里對開發(fā)板的結(jié)構(gòu)，和最重要的 CortexM3 微處理器，以及搭載的觸摸屏液晶顯示模塊進(jìn)行一個介紹。 LM3S9B96 開發(fā)板介紹 Stellaris@ LM3S9B96 開發(fā)板為基于 ARM@ CortexTMM3 內(nèi)核的Stellaris@ LM3S9B96 高性能微控制器的開發(fā)提供了完整的 系統(tǒng)平臺。 開發(fā)板概述 LM3S9B96 是 Stellaris Tempestclass 微控 制器 家族 的一 員。Tempestclass 系列微控制器具有高達(dá) 80MHZ 的時鐘速度、一個外擴(kuò)設(shè)備接口（ EPI ）和音頻 IIS 接口。除了集成了新的硬件特性外，DKLM3S9B96 開發(fā)板還有豐富的其他 Stellaris 芯片中也有的外設(shè)。 開發(fā)板包含一個板上調(diào)試接口（ ICDI）電路，支持 JTAG 和 SWD 兩上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計算器設(shè)計 17 種方式調(diào)試。板上集成了一個標(biāo)準(zhǔn) ARM 20 針引腳調(diào)試接口，可以調(diào)試同類 Stellaris ARM 器件。 Stellaris@ LM3S9B96 開發(fā)套件可以加快 Tempestclass 系列微控制器的開發(fā)速度 。 其實物圖如下圖 。 圖 實物樣圖 結(jié)構(gòu)框圖如圖 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計算器設(shè)計 18 圖 開發(fā)板結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)結(jié)構(gòu)圖，可以看出以該開發(fā)板以 LM3S9B96 微控制器為整個開發(fā)板的核心，圍繞了開發(fā)板， 外擴(kuò)了豐富的外設(shè)資源 ，其中包含了以下一些部件資源： ? ICDI USB 電纜擁有提供調(diào)試，通信和供電的能力 ? 靈活，廣泛的外設(shè)開發(fā)平臺 ? 彩色液晶圖形顯示 ? TFT 液晶模塊， 320 240 分辨率 ? 電阻式觸摸界面 ? 80 兆赫晶振 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計算器設(shè)計 19 ? LM3S9B96 256 K 的 FLASH ? 96 K SRAM 和集成以太網(wǎng) ? 物理層 +MAC ， USB OTG 接口和 CAN 通信 ? 8 MB 的 SDRAM（選配板） ? EPI 接口（選配板） ? I2S 立體聲音頻編解碼器 ? 線路輸入 /輸出 ? 耳機輸出 ? 麥克風(fēng)輸入 ? 控制器區(qū)網(wǎng)絡(luò)（ CAN）接口 ? 10/100 BaseT 以太網(wǎng) ? OnTheGo（ OTG）接口 ? 輪型電位器（可用于目錄導(dǎo)航） ? SD 讀卡槽 ? 內(nèi)部電路調(diào)試（ ICDI） ? JTAG,SWD,SWO 調(diào)試方式 ? 標(biāo)準(zhǔn) ARM 二十針 JATG 調(diào)試接口 ? USB 虛擬串口 ? 跳線分流，以方便重新分配的 I / O 資源 ? 豐富的源代碼資源如圖形庫， USB 庫，外設(shè)庫等 CortexM3 處理器介紹 LM3S9B96 微處理器采用了 CortexM3 作為核心處理器， 針對當(dāng)前 32 位 MCU 用戶， 該 產(chǎn)品系列率先在業(yè)內(nèi)整合了 CortexM3 和 Thumb2 指令集。 Thumb2 技術(shù)可以使 16 位和 32 位指令并存，帶來了代碼密度和性能的最佳平衡。 Thumb2 比純 32 位代碼占用少 26%，同時帶來了 25% 的性能提升，可有效降低系統(tǒng)成本。這些具備領(lǐng)先技術(shù)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計算器設(shè)計 20 的芯片使用戶能夠以傳統(tǒng)的 8 位和 16 位器件的價位來享受 32 位的性能，而且所有型號都是以小占位面積的封裝形式提供。 CortexM3處理器特點 CortexM3 主要為了在微控制器、汽車車身系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)對功耗和成本銘感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)搞系統(tǒng)性能而設(shè)計的。 CortexM3處理器是為存儲器和處理器的尺寸對產(chǎn)品成本影響極大的各種應(yīng)用專門開發(fā)設(shè)計的，其結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。它整合了多種技術(shù)，減少使用內(nèi)存，并 在極小的 RISC 內(nèi)核上提供低功耗和高性能，可實現(xiàn)由以往的代碼向 32 位微控制器的快速移植。 CortexM3 處理器是使用最少門數(shù)的 ARM CPU，相對于過去的設(shè)計大大減小了芯片面積，可減小裝置的體積或采用更低成本的工藝進(jìn)行生產(chǎn)，僅 33000 門的內(nèi)核性能可達(dá) l，2DMIPS/MHz。 此外，基本系統(tǒng)外設(shè)還具備高度集成化特點，集成了許多緊耦合系統(tǒng)外設(shè)，合理利用了芯片空間，使系統(tǒng)滿足下一代 產(chǎn)品的控制需求。 CortexM3 處理器結(jié)合了執(zhí)行 Thumb2 指令的 32 位哈佛微體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)外設(shè)，包括 Nested Vectored Interrupt Controller 和 Arbiter 總線。該技術(shù)方案在測試和實例應(yīng)用中表現(xiàn)出較高的性能：在臺機電 180 nm 工藝下，芯片性能達(dá) DMIPS/MHz，時鐘頻率高達(dá) l00 MHz。 CortexM3 處理器還實現(xiàn)了 TailChaining 中斷技術(shù)。該技術(shù)是一項完全基于硬件的中斷處理技術(shù)，最多可減少 12 個時鐘周期數(shù)， 在實際應(yīng)用中可減少 70%中斷 。推出了新的單線調(diào)試技術(shù)，避免使用多引腳進(jìn)行 JTAG 調(diào)試，并全面支持 RealVicw 編譯器和 RealView 調(diào)試產(chǎn) 品。 Realview 工具向設(shè)計者提供模擬、創(chuàng)建虛擬模型、編譯軟件、