基于AT91X40系列的手持式触摸屏

李建海，刘 迪，孙艳丽

（1.海军航空工程学院 基础实验部，山东 烟台 264001；2.海军航空工程学院 控制工程系，山东 烟台 264001；）

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[1]。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[2]。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。

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。

图1 AT91X40系列方框图Fig.1 Block diagram of AT91X40 series

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（Peripheral Data 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[3]。

图2 触摸屏结构Fig.2 The structure of touch screen

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[4]。

图3 ADS7843外部连接电路Fig.3 External connection circuit of ADS7843

3 液晶显示芯片SED1335的结构和特点

液晶显示器简称LCD，由于液晶显示器具有低损耗、低价格、寿命长、接口方便等优点，被广泛应用于手机、照相机、计算机、智能仪器仪表等产品上。主要有两种液晶显示控制器。一种是将控制器集成在CPU中，制成带液晶显示控制器的专用CPU。这种控制器的CPU功能强大，外电路简单，一般只适用于小规模LCD模块[5]。另一种是专用控制器芯片。这种芯片具有较强的指令功能，与CPU接口简单，便于控制，驱动能力可达640×256点阵。本系统液晶显示控制芯片SED1335具有功能较强的I/O缓冲器和丰富的指令系统，可以并行传送4位数据，最大驱动能力达640×256点阵，而且能够实现图形和文本格式混合显示。它的结构包括接口部分、管理控制部分和LCD显示驱动部分[6]。其电路原理如图4所示。

图4 电路原理图Fig.4 Schematic diagram of circuit

3.1 接口部分

SED1335接口部分由指令输入缓冲器、数据输入缓冲器、数据输出缓冲器和标志寄存器组成。常用接口引脚功能如表1所示。这些缓冲器通道的选择由引脚A0和读/写操作信号联合控制。“忙”标志寄存器是一位只读寄存器。仅有一位“忙”标志位BF。当BF=1时，表示SED1335正向液晶显示模块传送有效显示数据。在传送完一行有效显示数据起到下一行传送开始之前的间歇内BF=0。当大屏上大量显示数据修改时，若BF=0，传送不影响大屏的显示效果。

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。

表1 SED1335常用引脚功能Tab.1 Used SED1335 pin function

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[2]。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[7]。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Fig.5 Flow chart of program

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。

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