基于C8051 的電阻式觸摸屏的校準(zhǔn)
張旭
（四平職業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院, 吉林四平136000）
摘要:基于C8051F040 單片機(jī),詳細(xì)講述了四線式電阻觸摸屏與單片機(jī)的電路連接及基于此硬件系統(tǒng)的"三點(diǎn)法"校準(zhǔn)觸摸屏的方法。系統(tǒng)分為單片機(jī)模塊，LCD 顯示模塊及四線式電阻觸摸屏模塊。在安裝或使用過程中,LCD 與觸摸屏之間容易產(chǎn)生較小的機(jī)械偏差，利用程序校準(zhǔn)后的系統(tǒng)能夠很好地顯示觸摸的內(nèi)容。
關(guān)鍵詞:C8051F040；觸摸屏；三點(diǎn)法；校準(zhǔn)
中圖分類號(hào):TP334.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1008-8725（2011）11-0055-03
0 引言
在現(xiàn)代生活中，觸摸屏的使用越來(lái)越普遍，無(wú)論是手持設(shè)備（如手機(jī)、照相機(jī)、PDA ），還是辦公設(shè)備（如銀行取款機(jī)、讀報(bào)機(jī)、車間控制器），都與觸摸技術(shù)密切相關(guān)。觸摸屏因其直觀、易學(xué)和易操作而深受大眾喜愛，在許多儀器中逐漸取代了老式的按鍵操作 設(shè)備。觸摸屏分為電阻、電容、表面聲波、紅外線掃描和壓力傳感式等類，各類的工作原 理都不相同，其中以電阻觸摸屏使用最廣。電阻觸摸屏一般以四線為主，所謂的四線是指 整個(gè)觸摸系統(tǒng)只需要4 根線連接到控制器的I/O 上進(jìn)行觸摸操作的控制。
觸摸屏必須與LCD 液晶顯示屏合在一起使用才有意義，將觸摸屏放在LCD 上，點(diǎn)擊觸 摸屏就等于點(diǎn)擊了LCD，可以將LCD 上被點(diǎn)擊的位置激活，從而產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)。
在生產(chǎn)觸摸產(chǎn)品時(shí)，在將觸摸屏與LCD 合在一起的安裝過程中，總會(huì)存在一些不精確 的操作，使得觸摸屏與LCD 不能完全吻合（機(jī)械偏差）；或者在用戶使用過程中，由于某些原因，使得觸摸屏與LCD產(chǎn)生了機(jī)械偏差，兩者之間產(chǎn)生平移或者成一定角度。偏差導(dǎo) 致用戶點(diǎn)擊的位置與所要產(chǎn)生的響應(yīng)經(jīng)常不能一致，如圖2 所示的一種夸張的機(jī)械偏差意圖,點(diǎn)PD 代表LCD 上有響應(yīng)的點(diǎn)，點(diǎn)P 代表機(jī)械偏差后在觸摸屏上要點(diǎn)擊的點(diǎn)，也即必 須點(diǎn)擊P 點(diǎn)的位置才能讓LCD 上的PD 有響應(yīng)，這顯然不是用戶所希望的。這時(shí)要么重新將觸摸屏與LCD 對(duì)準(zhǔn)，要么進(jìn)行觸摸屏的校準(zhǔn)，而采用一鍵校準(zhǔn)的操作顯得更加方便和簡(jiǎn) 捷。所謂校準(zhǔn)也就是即使觸摸屏與LCD 屏平移和/或旋轉(zhuǎn)了，通過校準(zhǔn)，仍能精確地點(diǎn)擊屏上的點(diǎn)而產(chǎn)生響應(yīng)。
1 系統(tǒng)框圖及硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)框圖見圖1。系統(tǒng)由單片機(jī)模塊、觸摸屏模塊及LCD 模塊三部分構(gòu)成。單片機(jī)模 塊包括主芯片C8051F040 及其它的一些外圍輔助電路。
C8051F040 芯片是由Cygnal 集成產(chǎn)品公司生產(chǎn)設(shè)計(jì)的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）， 具有與MCS-51 指令集完全兼容的高速CIP-51 內(nèi)核；峰值速度可達(dá)25MIPS，在一個(gè)芯片內(nèi)
集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其它功能 部件，具有大容量的可在系統(tǒng)（ISP）和在應(yīng)用（IAP） 編程的FLASH 存儲(chǔ)器。同時(shí),C8051F 單片機(jī)與MSC-51 指令集完全兼容，方便用戶編程應(yīng)用。
VCC 模塊采用LM1117 芯片，通過5V 電源轉(zhuǎn)換成3.3V 電源供給C8051F040 使用。
JTAG 接口是用戶程序下載口，利用C8051 芯片的TMS,TCK,TDI,TDO 四個(gè)接口與10 針的接頭相連，通過USB 轉(zhuǎn)換器與電腦相連，在電腦上編寫的程序可以方便地下載到C8051F040 中。
晶振采用22.1184 MHz 的振源，與單片機(jī)的XTAL1 和XTAL2 相連，供給單片機(jī)工作時(shí)鐘。
觸摸屏和LCD 模塊均使用的是單片機(jī)的固定I/O 口，其中觸摸屏模塊利用AD7843 芯片[2]驅(qū)動(dòng)3.5寸的四線式電阻觸摸屏，AD7843 的DCLK，CS，DIN，BUSY，DOUT 和PENTRQ 與單片機(jī)的P1.0～P1.5 相連，AD7843 的X+，X-，Y+，Y-四個(gè)引腳與四線式觸摸屏相連；LCD 模塊利用11 個(gè)I/O 與單片機(jī)相連，其中DB0～DB7 與單片機(jī)的P2.0～P2.7 相連，CS，RS，WR 與P3.4～P3.6 相連。
2 “三點(diǎn)法”校準(zhǔn)的基本原理
2.1 校準(zhǔn)算法介紹
觸摸屏與LCD 之間的機(jī)械偏差會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤點(diǎn)擊或點(diǎn)擊不中。
為了容易理解，先分析LCD 和觸摸屏的左下角在同一點(diǎn)的情況，僅僅是觸摸屏繞著該點(diǎn)旋轉(zhuǎn)了一個(gè)小角度，如圖2 所示。分析時(shí)，可以以LCD 的左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，將LCD 定義為XOY 坐標(biāo)系。
如圖2, 在坐標(biāo)系XOY 中，點(diǎn)PD 是LCD 上的點(diǎn)，P 是旋轉(zhuǎn)后的觸摸屏上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，也即點(diǎn)擊P 點(diǎn)可以讓PD 點(diǎn)產(chǎn)生響應(yīng)。設(shè)點(diǎn)PD 的坐標(biāo)為（XD，YD）,其與原點(diǎn)O 的距離為RD，設(shè)P 點(diǎn)的坐標(biāo)為（X，Y），其與O 點(diǎn)的距離為R。由上圖可得如下關(guān)系式：
θD=θ-θq
PD=(XD,YD)=(RDcosθD,RDsinθD)=(RDcos(θ-θq),RDsin
(θ-θq))=(RD(cosθcosθq+sinθsinθq),RD(sinθcosθqcosθsinθq)) (1)
若θq 比較小，也即觸摸屏只與LCD 有一個(gè)小角度(小于15°)的旋轉(zhuǎn)偏差。則有：sinθq=θq,cosθq=1
代入（1）式有：PD=（RD（cosθ+θq•sinθ）,PD（sinθ-θq•cosθ）
故有：XD=RDcosθ+θqRDsinθ，YD=RDsinθ-θqRDcosθ
觸摸屏和LCD 屏所用的尺寸雖然相同，但是分辨率卻不同，比如觸摸屏的分辨率為2048*2048，而LCD 的分辨率為320*240，這樣導(dǎo)致的結(jié)果是空間上相同長(zhǎng)度的線段在觸摸屏上和在LCD 上代表的長(zhǎng)度是不同的。可設(shè)：
X 方向上：RD=KXR
Y 方向上：RD=KYR
其中KX, KY 是某一常系數(shù)，與觸摸屏和LCD 屏的分辨率有關(guān)。則根據(jù)
XD=RDcosθ+θqRDsinθ
YD=RDsinθ-θqRDcosθ
可以有：
XD=KXRcosθ+θqKXRsinθ
YD=KYRsinθ-θqKYRcosθ
又因?yàn)镻=（X,Y）=（Rcosθ,Rsinθ）
所以：XD=KXX+θqKXY,YD=-θqKYX+KYY
可設(shè)：A=KX，B=θqKX，D=-θqKY，E=KY
于是：XD=AX+BY,YD=DX+EY （2）
上面分析的只是觸摸屏與LCD 屏在同一原點(diǎn)下有個(gè)小角度的旋轉(zhuǎn)的情況，對(duì)于在旋轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上再加上有平移的情況，設(shè)在X 方向上平移了C 距離，在Y 方向上平移了F 距離，根據(jù)坐標(biāo)平移的原理，（2）式可以變換如下：
XD=AX+BY+C,YD=DX+EY+F （3）
（3）式中，（X，Y）是觸摸屏上的坐標(biāo)，（XD，YD）是LCD 上的坐標(biāo)。
2.2 校準(zhǔn)算法驗(yàn)證
從上面（3）式可以看出，XD 與（X，Y）之間存在A，B，C 三個(gè)未知變量，YD 與（X，Y）之間存在D，E，F(xiàn) 三個(gè)未知變量。因此只需點(diǎn)擊LCD 上事先設(shè)定好的3 個(gè)（XD，YD）點(diǎn)，在觸摸屏得到3 組（X，Y）點(diǎn)，即可解出A～F 的值，也即知道觸摸屏與LCD 之間的坐標(biāo)關(guān)系，以此即可校準(zhǔn)觸摸屏。設(shè)在LCD 上事先設(shè)定的3 個(gè)比較分開的點(diǎn)為：（XD1，YD1），（XD2，YD2），（XD3，YD3），透過觸摸屏點(diǎn)擊這3個(gè)點(diǎn)得到的觸摸屏上的坐標(biāo)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)為（X1，Y1），（X2，Y2），（X3，Y3）。
于是得到關(guān)系方程組：
XD1=AX1+BY1+C
YD1=DX1+EY1+F
XD2=AX2+BY2+C
YD2=DX2+EY2+F
XD3=AX3+BY3+C
YD3=DX3+EY3+F
解上面的六元一次方程組，即可得到A～F 的值。當(dāng)A～F 的值已知時(shí)，（3）式也就確定了，產(chǎn)生了機(jī)械偏差后的觸摸屏與LCD 之間就有了明確的關(guān)系。當(dāng)透過觸摸屏點(diǎn)擊LCD 上未知某處時(shí)，通過得到的觸摸屏（X，Y）點(diǎn)代入（3）式，即可解出LCD上精確對(duì)應(yīng)的點(diǎn)（XD，YD），讓此處產(chǎn)生響應(yīng)。
3 軟件實(shí)現(xiàn)
基于C8051F040 單片機(jī)的觸摸屏校準(zhǔn)程序，采用的是新華龍電子有限公司Silicon Labs IDE 軟件。
它是一套完整的軟件程序設(shè)計(jì)軟件，提供了用于開發(fā)和測(cè)試項(xiàng)目的所有工具。使用Silicon Labs IDE編譯、鏈接和運(yùn)行程序時(shí)，必須提前在電腦里安裝完整版Keil 8051 工具，在Tool Chain Integration 對(duì)話框中為Keil 8051 工具重新設(shè)置路徑。
在Silicon Labs IDE 工具中編寫C8051F040 的外圍程序，首先讓C8051F040 能夠工作，同時(shí)識(shí)別LCD 和觸摸屏，并能在LCD 上寫數(shù)據(jù)，能夠識(shí)別觸摸屏上的觸點(diǎn)坐標(biāo)[5-6]。在此基礎(chǔ)上，再編寫觸摸屏的校準(zhǔn)程序，流程圖如圖3 所示。
nclick="window.open('/file/uploads/allimg/120315/3_120315115231_1.jpg')" border="0" alt="圖3 觸摸屏校準(zhǔn)程序流程圖" src=http://sjb.91mobiles.cn/skin/default/image/nopic.gif _fcksavedurl=http://sjb.91mobiles.cn/skin/default/image/nopic.gif />
圖3 觸摸屏校準(zhǔn)程序流程圖
4 結(jié)論
基于C8051F040 單片機(jī)，設(shè)計(jì)了在此單片機(jī)上如何進(jìn)行四線式觸摸屏和LCD 屏的硬件連接，分析了基于此硬件系統(tǒng)的觸摸屏校準(zhǔn)程序的算法實(shí)現(xiàn)及軟件編寫。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該方法能夠很好地針對(duì)觸摸屏與LCD 屏之間存在旋轉(zhuǎn)偏差角度小于15°的系統(tǒng)進(jìn)行一鍵校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后的系統(tǒng)能夠達(dá)到點(diǎn)擊后精確響應(yīng)的用戶要求。
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