便携式检测设备的触摸屏人机界面设计

赵汉武，赵会珍，杨 佳

（1.空军第一航空学院，河南 信阳 464000；2.河南省镇平县教师进修学校，河南 南阳 474250）

0 引言

小型化专用检测设备广泛应用于工业生产设备与军事装备的性能检测，如对于某工业控制系统的检测，需要下达模拟指令，同时观察或者采集其响应；再如某型飞机供油阀选择控制盒，对其进行完全的检测需要模拟下达多达八种不同的指令。检测项目越多，传统的人机界面上需要布置的元件也就越多。例如上述的供油阀选择控制盒，其原有检查仪上一共设有八个选择开关，几十种选择位，另有显示屏、指示灯若干。操作元件越多，操作步骤也就越复杂，操作使用者面临的困难也就越大，误操作的可能性也会变高。因此，传统检测界面上的人机交互方式已经难以适应现代化生产以及信息化作战对于检测与保障效率提高的要求，迫切需要一种能够简化界面、提高友好程度的交互方式。

随着消费电子产业的发展，触摸屏技术近年来得到了飞速的发展。使用触摸屏作为检测设备的界面具有显著的优点：面板简捷、操作友好，因为取消了很多机械式的开关、旋钮或者键盘，成本还有可能降低。近年来的一些行业检测设备开始逐渐采用触摸屏作为显控交互的界面[1,5]，也反映了这一新型交互方式的发展潜力。

1 工业用触摸屏

触摸屏又称为触控面板，是可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程序驱动各种连接装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶屏显示出丰富的画面效果。

1.1 触摸屏组成

触摸屏的本质是传感器加上控制器。作为传感器的检测部件安装在触摸屏显示器屏幕的前面，用于检测用户的触摸位置，然后将信息送至触摸屏控制器。触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置接收触摸信息，并将它转化为触点坐标并发送给上位机处理器，同时接收处理器送来的指令并执行。

1.2 常用触摸屏分类及工作原理

从技术原理来区分触摸屏，可分为四个基本种类[3]：电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏和表面声波技术触摸屏。目前在工业上最常用的是电阻技术触摸屏和电容技术触摸屏，下面简单介绍这两类触摸屏的工作原理。

电阻式触摸屏利用压力感应进行控制。其主要部分是一块与显示器表面非常贴合的电阻薄膜屏，这层薄膜是一种多层的复合薄膜，以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防擦的塑料层，塑料层的内表面也涂有一个涂层，该涂层与导电层之间有许多细小的透明隔离点把两层隔开绝缘。当手指触摸屏幕时，两导电层在触摸点位置就有了接触，因而电阻发生变化，在触摸点位置就产生了信号，该信号再送到触摸屏控制器。

和电阻式触摸屏不同，电容式触摸屏利用人体的电流感应进行工作。电容式触摸屏是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层ITO，最外层是一薄层矽土玻璃保护层，夹层ITO 涂层作为工作面，四个角上引出四个电极，内层ITO为屏蔽层，以保护良好的工作环境。当手指触摸在金属层上时，由于人体电场，用户和触摸屏表面形成一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分别从触摸屏四个角的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，就可以得到触摸点的位置。

1.3 触摸屏控制器

触摸屏控制器是触摸屏控制的核心。常见的四线电阻 屏 控 制 芯 片 包 括 ADS7843、XPT2046、AD7146、AD5003、TS9638 等，芯片内还具有控制通信接口，容易实现数据接口的连接[2,4]。除控制芯片外，控制器内往往还使用了片上系统，如基于FPGA 或者ARM 等设计的控制系统，具备资源丰富、设计灵活、可以重复编程等优点。使用片上系统可以预先存储大量的界面图片到存储器中，同时构建与上位机处理器之间更为简单、友好的交互方式。因此，这种控制器得到了越来越广泛的应用。

2 人机界面控制方式

因为触摸屏控制器的功能越来越丰富，人机界面交互的方式也越来越灵活。此处以深圳新雁飞科技开发的XFS80480T070-TP 型7 英寸触摸屏为例，介绍此类触摸屏交互界面的开发流程和方法。

2.1 通信数据类型

XFS80480T070-TP 是一种串口控制触摸屏，简单来说，用户只需要掌握UART 通信的知识，即可开发触摸屏作为其交互界面。触摸屏串口接收和发送的数据模式为8n1，每个数据的传送采用10位：1个起始位，8个数据位（LSB，低位在前），1个停止位。每个数据帧包含有多个数据，每帧包括四类数据块，如表1所示，分别为帧头、指令代码、数据、帧结束。

该型触摸屏的控制器内有一个高达4096 字节的通信帧缓冲区，通信帧缓冲区为FIFO（先进先出寄存器）结构，只要通信缓冲不溢出，用户就可以连续传送数据给触摸屏控制器。

表1 数据帧结构说明Tab.1 Introduction of data frame

如果所需刷新的屏幕数据量较大，则需要判断通信是否繁忙。该触摸屏控制器有一个硬件引脚（用户接口中的 “BUSY”引脚）指示了FIFO 缓冲区的状态，正常时，BUSY 引脚为高电平（RS232 接口为负电平），当FIFO 缓冲区可用空间小于256 字节时，BUSY 引脚会立即变成低电平（RS232 接口为正电平）。建议使用BUSY 信号来控制串口发送，当BUSY 信号为低电平时，就不用发送数据给触摸屏控制器。不过，对于一般数据量不是很大的应用，由于控制器的处理速度非常快，缓冲区又相对很大，用户可以不判断BUSY 信号的状态。

2.2 预设界面图片

开发过程中，利用厂家提供的客户端软件，将相关界面显示图片下载到触摸屏控制器的存储器内。该款触摸屏的图片下载界面如图1所示。图片可利用Photoshop 等编辑软件按照屏幕分辨率预先制好。每幅图片都有一个独一无二的编号，该编号在交互时可通过上位机程序调用。该型触摸屏控制器的存储容量可达64M 字节，能够满足一般的检测需求。

另外，还需要划定好按键位置，指定按键的响应代码。这样，在执行过程中，如果按压了触摸屏上的某个按键位置，则触摸屏控制器就会自动将此按键对应的键码发送到上位机，便于上位机程序做出响应。

2.3 界面显示交互

图1 界面图片预设示意图Fig.1 Preset of interface pictures

图2 单片机与触摸屏连接Fig.2 Communication between MCU and touch screen

图片、键码设定完毕后，触摸屏就可以投入到各种便携式检测设备内，作为交互的界面。如某型检测设备使用了C8051F040 单片机作为核心电路，可利用该单片机的UART 接口与触摸屏直接相连，如图2所示。图中单片机的P2.0 口用作空闲/繁忙的标志位。

该型触摸屏的一大优势是可以选择 “自动”或者 “手动”的方式切换显示内容。所谓 “自动”，是指用户在配置图片内容时，已经按顺序指定了图片切换的方式，则在连接检测设备工作时，即可按照指定的方式自动切换。比如，按压了按键1，屏上显示图片1，按压按键2，显示图片2 及文本3 等，这些自动切换是设置在触摸屏的控制器内的，不需要用户再在上位机微处理器主程序中设置。而 “手动”方式则指严格按照上位机的程序指令，一步一步显示各图片。显然，采用自动方式可减轻上位机软件开发的压力，使得用户在开发过程中，集中精力于检测的流程，而不需过多分心于显示什么界面。

3 结束语

触摸屏是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式，具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。将触摸屏应用于小型化检测设备作为与操作人员交互的界面，可作为改造老旧检测设备的一种途径，简化交互方式，方便操作维护，是一种具有长远发展潜力的升级手段。

[1]陈鹏，郑丰隆，等.基于C8051F310 和触摸屏的煤矿通风机后备保护仪设计[J].煤矿机电，2013，3.

[2]刘艳彬，雒作涛，等.PIC 单片机与eView 触摸屏串行通信的实现[J].自动化应用，2013，6.

[3]王阔.指尖上的技术——德普特工程师谈触摸屏技术与发展[J].微型计算机，2013，3～4.

[4]魏安琪.浅析基于单片机的液晶触摸屏控制系统[J].信息系统工程，2013，4.

[5]李汉，叶伟强.基于触摸屏的控制装置及其应用[J].自动化技术与应用，2013，3.