电感式触摸屏的工作原理

触摸屏是目前最友好的计算机用户接口界面，在消费电子业的应用越来越广泛。触摸屏主要由两部分组成：触摸检测装置和触摸屏控制器。目前主流触摸屏产品的触摸检测装置都是采用前置的方式，在触摸过程中会对检测装置的机械结构造成损坏，导致触摸屏触摸精度下降、寿命缩短；此外，常用的电容、电阻式的触摸屏的成本相对较高。本文设计了一种后置式电感式触摸屏，避免触摸过程中对触摸检测装置的损坏，延长触摸屏产品的寿命，成本也相对较低。

电感式触摸屏的工作原理

1.1触摸屏整体结构

电感式触摸屏整体结构如图1所示（需要特别说明的是,电感式触摸屏要用专用的触摸笔来达到触摸输入的效果，触摸笔可以发出120～180 kHz频率范围内的信号，这里不详细介绍触摸笔的原理）。上面是LCD显示器，下面是触摸屏检测装置。触摸检测装置通过FPC（Flexible Printed Circuit board，柔性印刷电路板）与触摸屏控制器连接。由触摸屏结构图中可以看出，在利用触摸屏输入时，触摸笔不与触摸检测装置直接接触，这样避免了对触摸检测装置的机械损坏，提高了整个触摸控制系统的寿命。

图1电感式触摸屏整体结构

1.2触摸检测装置结构

触摸检测装置是由厚度为0.8 mm的软性PCB（Printed Circuit Board）构成，在PCB内部镶嵌着两层横（Y轴）竖（X轴）垂直交叉的导线，每一组交叉的导线之间都是绝缘的；导线的一端接地，另一端通过FPC与触摸屏控制器中模拟电子开关CD4051的输入端相连接。X、Y轴方向上的线圈数量根据显示器的尺寸来确定。触摸检测装置结构如图2所示，该触摸检测装置X轴方向由35个线圈、Y轴由30个线圈组成，适用于14英寸显示屏使用。

图2触摸检测装置结构

1.3触摸屏坐标的确定方法

当用户将触摸笔接近检测装置时，检测装置会感应到信号，触摸信号采用分时扫描的方式进行检测。如图2右侧是触摸点P局部放大图，假如触摸到P点时，在Xn、Xn+1和Ym、Ym+1线圈上会感应到电磁信号，使得检测端口的信号由零变为非零。首先对X轴方向进行扫描，通过模拟电子开关扫描到Xn上的信号，由CD4051公共输出引脚输出到OUT端，再把信号经放大滤波、电压整流电路后传送到MCU,由MCU完成A/D转换，得到一个电压值Vn；接着扫描到Xn+1上的信号，同样也经过放大、滤波、整流后将信号发送到MCU进行A/D转换得到一个电压值Vn+1。X轴方向上扫描完成后，再扫描Y轴，同理可以在Ym、Ym+1上检测到两个电压值Vm、Vm+1，利用检测到的4个电压值Vn、Vn+1、Vm、Vm+1可计算出触摸坐标，计算公式如下：

其中，Xn，Ym、 Xn+1，Ym+1是已知坐标，ΔVx、ΔVy为已知常数，ΔVx是触摸笔在Xn轴上时Vn与Vn+1的差值，ΔVy则是触摸笔在Ym轴上时Vm与Vm+1的差值。

从触摸屏控制器获得的X与Y值仅是当前触摸屏的坐标,它不具有实用价值，这个值不但与触摸屏分辨率有关,而且也与触摸屏和LCD的贴合状况有关[4]。LCD与触摸屏的分辨率和坐标是不一样的。因此,如果想得到体现LCD坐标的触摸屏位置,还需要在程序中进行转换，其转换公式如下:

其中,LCDWidth、LCDHeight是液晶屏的宽度与高度，XLCD_min、XLCD_max和YLCD_min、YLCD_max分别是触摸屏横纵坐标的最大/最小值。

2触摸屏控制系统硬件设计

触摸屏控制电路整体结构如图3所示。当用触摸笔触摸LCD显示屏时，触摸检测装置对应的X、Y轴上会分别感应到一个信号，这个信号经过模拟电子开关，然后经两级放大、滤波，将得到的信号分两路处理，一路是电压整流，另一路是频率检测电路；得到的数据通过MCU HT46RB70计算，判断出触摸屏的位置及触摸的方式，再由MCU将触摸信号发送到计算机，最终实现触摸输入。整个触摸屏控制电路的时序都是由单片机控制的，其他模块的电路见后面的详细介绍。

        图3触摸屏控制电路整体结构

2.1模拟电子开关电路

模拟电子开关电路如图4所示，该电路的功能是驱动触摸屏检测装置，将触摸信号传送到信号处理电路。其电路主要是由CD4051组成，CD4051是一个8通道数字控制模拟开关，该芯片有3位二进制控制输入端A、B、C 和一个使能输入端INH，以及8个信号输入端和1个公共输出端。当INH输入端为高电平时，所有通道截止；当INH为低电平时，单片机通过3位二进制信号A、B、C选通一个通道的输入信号，从公共输出端OUT输出，经过两级放大电路及滤波电路后，将触摸信号分别发送到频率检测电路和电压整流电路的TOUCH_SIN端。图4中AX、BX、CX是X轴方向上电子开关的控制输入端，A0～A4是X轴方向上的电子开关的使能端，X00~X34与触摸屏检测装置X轴接口相连接，由于一个CD4051芯片只有8个通道的数字模拟开关，不能满足线圈数量的需求，故这里设计了由5个CD4051(U1～Ｕ5)组成的X轴方向上的模拟电子开关电路。同理可设计Y轴方向上模拟电子电路。AY、BY、CY为控制输入端，B0～B3作为使能端，Y轴由4个CD4051(U6～Ｕ9)组成,图中Y00～Y29与触摸屏检测装置Y轴接口相连接。

2.2触摸信号频率检测电路

触摸信号的频率是由触摸笔发出，触摸笔上有两个按键，按下这两个按键可以输出两个不同频率的信号，分别为k1、k2。触摸笔的作用相当于鼠标，当触摸笔输出一次k1频率时相当于点击一下鼠标左键，输出一次k2频率相当于点击鼠标右键。当触摸笔笔尖与LCD距离≤3～5 cm时，触摸检测装置可感应到触摸信号，这时光标随着触摸笔在LCD上移动。触摸信号频率检测精度的高低是触摸屏是否稳定的关键因素。频率检测电路及仿真结果如图5、图6所示，TOUCH_SIN端为触摸信号输入端，通过施密特触发器，然后信号从FRE端发送到单片机，进行运算处理，计算出触摸信号的频率。利用Multisim软件平台建立出频率检测电路仿真模型，从仿真结果中可以看到，经过处理后的触摸信号转换为具有相同周期T的方波信号,将方波信号传送到微处理器，微处理器在t时间里计算出方波的个数n，则信号的周期T=t/n，频率f=1/T,由此确定触摸信号的频率。

图5频率检测电路