【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(gè)電容器元件的一個(gè)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(shí)，流走的電流就足夠引起電容屏的誤動(dòng)作。我們知道，電容值雖然與極間距離成反比，卻與相對(duì)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(shí)就能引起電容屏的誤動(dòng)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(dòng)作。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計(jì)算器設(shè)計(jì) 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(gè)小洞就會(huì)傷及夾層 ITO，不管是傷及夾層 ITO 還是安裝運(yùn)輸過(guò)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(lái)檢測(cè)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(gè)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(duì)應(yīng)形成橫豎交叉的紅外線矩陣。用戶在觸摸屏幕時(shí)，手指就會(huì)擋住經(jīng) 過(guò)該位置的橫豎兩條紅外線，因而可以判斷出觸摸點(diǎn)在屏幕的位置。 接收管接收管發(fā)射管發(fā)射管觸摸點(diǎn) 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(jiǎn)單，只要用膠或雙面膠將這個(gè)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(jì)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(jì)在單獨(dú)的小盒中?？刂破魍ㄟ^(guò)鍵盤接口或者串行口直接與主機(jī)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(lái)的觸摸屏數(shù)據(jù)而無(wú)需任何驅(qū)動(dòng)程序。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計(jì)算器設(shè)計(jì) 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(qiáng)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(gè)相應(yīng)的超聲波接收換能器。玻璃屏的四個(gè)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(qiáng)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(hào)轉(zhuǎn)換為超 聲波能量發(fā)出。換能器基座的設(shè)計(jì)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(guò)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?，然后又被上邊的反射條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(hào)回傳給控制器。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計(jì)算器設(shè)計(jì) 14 SI DE V IE W側(cè)視圖時(shí)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(hào)在觸摸位置對(duì)應(yīng)處衰減 在沒有觸摸的時(shí)候，接收信號(hào)的波形與參照波形完全一樣。當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)，手指吸收了一部分聲波能量，而控制器則偵測(cè)到接收信號(hào)在某一時(shí)刻上的衰減，由此可計(jì)算出觸摸點(diǎn)在 Y 軸上的位置，同樣的原理可以得到觸摸點(diǎn)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(dú)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(hào)衰減處的衰減量計(jì)算得到。三軸一旦確定，控制器就把他們傳給主機(jī)。因?yàn)楸砻媛暡夹g(shù)非常穩(wěn)定，而表面聲波觸摸屏的控制器靠測(cè)量衰減時(shí)刻在時(shí)間軸上的位置來(lái)計(jì)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(shì)主要有：壽命最長(zhǎng)（美國(guó)權(quán)威的電子工程師 雜志的報(bào)告是：同一位置觸摸 5 干萬(wàn)次無(wú)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(diǎn)來(lái)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(shí)內(nèi)部應(yīng)力不可預(yù)測(cè)的上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計(jì)算器設(shè)計(jì) 15 可能在某處集中，因此，純玻璃的觸摸屏安裝風(fēng)險(xiǎn)?。淮送?，表面聲波觸摸屏技術(shù)絕對(duì)沒有漂移，安裝后無(wú)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(wú)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(diǎn)，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(diǎn)總結(jié)。 表 市場(chǎng)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(wú) 有 無(wú) 有 分辨率 4096 4096 1024 1024 40 32 40964096 1024 1024 壓力軸影響 有 無(wú) 無(wú) 無(wú) 無(wú) 漂移 無(wú) 漂移 無(wú) 無(wú) 無(wú) 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(jī)玻璃 多點(diǎn)觸摸 智能判斷 中心點(diǎn) 左上角 中心點(diǎn) 中心點(diǎn) 電磁場(chǎng)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(wàn)次半永久性 2 千萬(wàn)次 太多傳感器損壞概率大 3千 5百萬(wàn)次 1百萬(wàn)次 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計(jì)算器設(shè)計(jì) 16 安裝風(fēng)險(xiǎn) 不易碎 易碎 易摔碎外殼 不易碎 易損壞 ITO 市場(chǎng)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(chǎng)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(jì)基于 LM3S9B96 開發(fā)板 這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(diǎn)。 因?yàn)槊看斡|按，上層的PET 和 ITO 都會(huì)發(fā)生形變，而 ITO 材質(zhì)較脆，在形變經(jīng)常發(fā)生時(shí)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(shí)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(zhǎng) 。但是，其開發(fā)成本較低，硬件連接簡(jiǎn)單，顯示效果良好，并且驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。所以針對(duì)本次設(shè)計(jì)，所采用了是樣的四線電阻式觸摸屏。 2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) 本次 設(shè)計(jì)主要以 LM3S9B96 開發(fā)板 作為主要的開發(fā)平臺(tái)，首先在這里對(duì)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(gè)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(tái)。 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(shí)鐘速度、一個(gè)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(gè)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(jì)（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計(jì)算器設(shè)計(jì) 17 種方式調(diào)試。板上集成了一個(gè)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(shí)物圖如下圖 。 圖 實(shí)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(jì)（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計(jì)算器設(shè)計(jì) 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(gè)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(tái) ? 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(jì)（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計(jì)算器設(shè)計(jì) 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(jī)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(kù)， USB 庫(kù)，外設(shè)庫(kù)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(duì)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(lái)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(shí)帶來(lái)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(jì)（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計(jì)算器設(shè)計(jì) 20 的芯片使用戶能夠以傳統(tǒng)的 8 位和 16 位器件的價(jià)位來(lái)享受 32 位的性能，而且所有型號(hào)都是以小占位面積的封裝形式提供。 CortexM3處理器特點(diǎn) 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(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(jì)的。 CortexM3處理器是為存儲(chǔ)器和處理器的尺寸對(duì)產(chǎn)品成本影響極大的各種應(yīng)用專門開發(fā)設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)于過(guò)去的設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(cè)試和實(shí)例應(yīng)用中表現(xiàn)出較高的性能：在臺(tái)機(jī)電 180 nm 工藝下，芯片性能達(dá) DMIPS/MHz，時(shí)鐘頻率高達(dá) l00 MHz。 CortexM3 處理器還實(shí)現(xiàn)了 TailChaining 中斷技術(shù)。該技術(shù)是一項(xiàng)完全基于硬件的中斷處理技術(shù)，最多可減少 12 個(gè)時(shí)鐘周期數(shù)， 在實(shí)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(jì)者提供模擬、創(chuàng)建虛擬模型、編譯軟件、