4.6 彩色LCD显示接口与触摸屏

3.4 触摸屏接口触摸屏是一种新型的输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。

使用者不必事物接受专业训练，仅需以手指触摸计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，大大简化了计算机的操作模式。

触摸屏的界面直观、自然，特别给非计算机专业人员带来了极大方便，免除了对键盘不熟悉所造成的苦恼，有效地提高了人机对话的效率，因此它是当今最佳的计算机输入设备。

3.4.1 触摸屏简介1、触摸屏的发展最早的触摸屏技术起源于国外军方，当时利用压力触摸屏技术，让士兵可以用手指在屏上触动以瞄准显示器中、视野内的准星十字坐标。

触摸屏在国内的应用可以追溯到20世纪80年代末。

1992年以前销量很小，在经过4～5年的尝试之后，随着一批以触摸屏为主营项目的经销商出现，市场于1996年进入了一个稳定发展的时期。

在此之后，随着大量应用软件的出现，触摸屏以惊人的速度由一个应用领域很窄的专业市场过渡到可以用于各行业的大众化产品。

它已经成为继键盘、鼠标、手写板、语音输入后最为普通百姓易于接受的计算机输入方式，是一种极有发展前途的交互式输入技术。

触摸屏的发展经历了从红外屏、四线电阻屏、电容屏、表面声波触摸屏到五线电阻触摸屏的发展历程，性能越来越可靠，技术也越来越先进。

从视觉效果上比较，各种触摸屏技术的优劣顺序是：红外线技术、表面声波技术、电阻技术、电容技术。

从定位原理上比较，优劣顺序是：红外线技术、电阻技术、表面声波技术、电容技术。

电容触摸屏器件的参数特性容易漂移，很难长时间稳定工作。

表面声波触摸屏对灰尘和脏物比较敏感，传感器寿命也比较短。

改进后的红外线技术和电阻技术都能长时间稳定工作。

电阻触摸屏功耗比较低，但是在使用过程中容易被划伤。

红外触摸屏的价格比电阻屏要高一些。

前几年，红外触摸屏和声波触摸屏都表现出较好的前景，而且声波触摸屏由于对显示器表面平整度的要求不高，在球面、柱面显示器市场上占了先机。

而红外触摸屏对显示器表面平整度要求较高，但近两年来，纯平显示器和液晶显示器逐渐成为时尚，使红外触摸屏的市场前景豁然开朗。

同时也可以看到，电阻触摸屏因为其较低的造价和功耗将会在小型手持设备市场上占有一席之地。

2、触摸屏的技术要求触摸屏是一种透明的绝对定位系统，不像鼠标，是相对定位系统。

绝对坐标系统的特点是每一次定位坐标与上一次定位坐标没有关系，每次触摸的数据通过校准转为屏幕上的坐标，不管在什么情况下，触摸屏这套坐标在同一点的输出数据是稳定的。

不过由于技术原因，并不能保证同一点触摸的每次采样数据都相同，因而不能保证绝对坐标定位，这就是触摸屏存在的主要问题——漂移。

对于性能好的触摸屏来说，漂移的情况并不严重。

应该采用基于何种技术触摸屏，关键要看应用环境的要求。

综合起来，对触摸屏的要求主要有以下几点。

（1）工作稳定性触摸屏在恶劣环境中能够长期正常工作，这是对触摸屏的一项基本要求。

（2）手写文字和图像识别作为一种方便的输入设备，不仅能够接受人们的点触，而且能够对写写画画的信息进行识别和处理，这样才能在更大的程度上方便使用。

长期以来，对于书写信息的处理一直是触摸屏技术的一大挑战。

（3）价格触摸屏要普及应用，就要大量应用于以个人、家庭为消费对象的产品，必须在价格上具有足够的吸引力。

（4）功耗触摸屏用于便携和手持产品时需要保证极低的功耗，这是影响触摸屏与其他设备配合工作的重要因素。

3.4.2 触摸屏的分类1、电阻式触摸屏电阻式触摸屏的屏体部分是一块与显示器表面匹配的多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导电层（如铟锡氧化物ITO），上面再盖有一层外表面经硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的内表面也涂有一层透明导电层，在两层导电层之间由许多细小的透明隔离点把它们隔开绝缘。

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1000倍。

由于电阻的分压作用，在两层导电层上不同部位的电压是按梯次排列的。

当触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络。

当某一层电极加上电压时，会在该网络上形成电压梯度。

如有外力使得上下两层在某一点接触，则在电极未加电压的另一层可以测得接触点处的电压，从而知道接触点处的坐标。

例如，在顶层的电极（X+，X-）上加上电压，则在顶层导体层上形成电压梯度，当有外力使得上下两层在某一点接触时，在底层就可以接触点处的电压，再根据该电压值与电极（X+）电压之间的比例关系，确定该处的X坐标。

然后，将电压切换到底层电极（Y+，Y-）上，并在顶层测量接触点的电压，从而知道Y坐标。

控制电路可以将接触点形成的不同电压进行A/D转换，转换成位置坐标信息。

这就是所有电阻式触摸屏共同的基本原理。

电阻式触摸屏根据引出线数多少，分为四线、五线、六线等多线电阻式触摸屏。

电阻式触摸屏的经济性很好，供电要求简单，非常容易产业化，而且适用的应用领域多种多样。

例如，现在常用的PDA等手持设备，基本上都是采用电阻式触摸屏。

它的表面通常用塑料制造，比较柔软，不怕油污、灰尘、水不，但太用力或使用尖锐利器可能会划伤触摸屏，耐磨性较差。

2、红外线触摸屏红外线触摸屏是利用X、Y方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸位置。

经线触摸屏在显示器的前面安装一个电路板外框，电路板在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管，一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵。

用户在触摸屏时，手指就会挡住经过该位置的横竖两条红外线，因而可以判断出触摸点在屏幕的位置。

早期的红外触摸屏存在分辨率低、触摸方式受限制和易受环境干扰而误动作等技术上的局限，因而一度淡出过市场。

但是，红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适宜恶劣的环境条件，红外线技术是触摸屏产品最终的发展趋势。

最新的红外屏的分辨率实现了1000×720高分辨率、多层次自调节和自恢复的硬件适应功能和高度智能化的判别，可长时间在各种恶劣环境下任意使用。

并且可针对用户定制扩充功能，如网络控制、声感应、人体接近感应、用户软件加密保护、红外数据传输等。

红外线触摸屏价格便宜、安装容易、能较好地感应轻微触摸与快速触摸。

但是由于红外线触摸屏依靠红外线感应动作，外界光线变化，如阳光、室内射灯等均会影响其准确度。

而且红外线触摸屏不防水和怕污垢，任何细小的外来物都会引起误差，影响其性能，不适宜置于户外和公共场所使用。

3、电容式触摸屏电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，双玻璃设计设计能彻底保护导体层及感应器。

此外，在附加的触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形成一个低电压交流电场。

当用户触摸屏幕时，由于人体电场、手指与导体层间会形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而其强弱与手指及电极的距离成正比，位于触摸屏幕后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。

电容式触摸屏的双玻璃不但能保护导体及感应器，更有效地防止外在环境因素给触摸屏造成的影响，即使屏幕沾有污秽、尘埃或油渍，电容式触摸屏依然能准确算出触摸位置。

电容式触摸屏的透光率和清晰度优于四线电阻式触摸屏，当然还不能和表面声波触摸屏及五线电阻式触摸屏相比。

电容式触摸屏反光严重，而且电容技术的四层复合触摸屏对各波长光的透光率不均匀，存在色彩失真的问题，由于光线在各层间的反射，还会造成图像字符的模糊。

电容式触摸屏会由于湿度和温度的变化产生漂移，造成不准确。

例如，开机后显示器温度上升会造成漂移，用户触摸屏幕的同时另一只手或身体一侧靠近显示器会产生漂移，电容式触摸屏附近较大的物体搬移后会漂移，触摸时如果有人围过来观看也会引起漂移。

电容式触摸屏可以用于游戏机、公共信息查询及零售点等系统中。

4、表面声波触摸屏表面声波触摸屏的触摸屏部分可以是一块平面、球面或是柱面的玻璃板，安装在CRT、LED、LCD或是等离子显示器屏幕的前面。

玻璃屏的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器，右上角则固定了两个相应的超声波接收换能器。

玻璃屏的四个周边则刻有呈45º角由疏到密间隔非常精密的反射条纹。

以右下角的X轴发射换能器为例说明其工作原理。

发射换能器把控制器通过触摸屏电缆送来的电信号转化为声波能量向左方表面传递，然后由玻璃板下边的一组精密反射条纹把声波能量反射成向上的均匀面传递，声波能量经过屏体表面，再向上边的反射条纹聚成向右的线传播给X轴的接收换能器，接收换能器将返回的表面声波能量变为电信号。

当发射换能器发射一个窄脉冲后，声波能量历经不同途径到达接收换能器，走最右边的最早到达，走最左边的最晚到达，早到达的和晚到达的这些声波能量叠加成一个较宽的波形信号。

不难看出，接收信号集合了所有在X轴方向历经长短不同路径回归的声波能量，它们在Y轴走过的路程是相同的，但在X轴上，最远的比最近的多走了两倍X轴最大距离。

因此，这个波形信号的时间轴反映各原始波形叠加前的位置，也就是X轴坐标。

在没有触摸的时候，接收信号的波形与参照波形完全一样。

当手指或其他能够吸引或阻挡声波能量的物触摸屏幕时，X轴途径手指部位向上走的声波能量被部分吸引，反应在接收波形上即某一时刻位置上波形有一个衰减缺口。

接收波形对应手指挡住部位的信号衰减形成了一个缺口，计算缺口位置即可得触摸坐标，控制器分析到接收信号的衰减并由缺口的位置判定X坐标。

同理可以计算触摸点的Y坐标。

表面声波触摸屏对原显示器的清晰度影响很小，对触摸的感知分辨率很高，而且经久耐用。

另外一个特点是对显示器屏幕表面的平整度要求不高，所以在球面或柱面显示器上可以较好地应用。

这种触摸屏主要用于医疗监护和一些重要场合的公众信息服务。

不足之处是手指和接触笔必须能够吸引声波，容易受到噪声干扰，工业化生产比较困难，对供电系统要求较高，要求屏幕表面洁净度较好，水渍或者脏物都会影响使用效果。

由以上对各类触摸屏的介绍可知，究竟选择使用哪类触摸屏，主要取决于应用的要求。

由于触摸屏本身的特点，对触摸屏的要求除了要求精确定位之外，还要求它长时间准确、稳定、可靠地工作、不影响美观和不容易被破坏。

表3-6所示为各类常用触摸屏的特性比较。

表3-6 常用触摸屏特性比较表3.4.3 触摸屏的控制触摸屏的控制也有专门的芯片。

以电阻式触摸屏为例，其控制芯片要完成两件事情：一是完成电极电压的切换，二是采集接触点处的电压值（即A/D转换）。

以下以ADI公司生产的芯片ADS7846为例，介绍触摸屏控制的实现。

ADS7846是ADI公司生产的一种4线式触摸屏控制器，目前广泛应用于电阻式触摸屏输入系统中。

ADS7846数字转换器在一个12位逐次逼近式比较寄存器（SAR）ADC架构上集成了用于驱动触摸屏的低通阻抗开关。

这些器件不使用内部基准电压，当以大于125kp/s的吞吐率运行时的最大功耗小于1.4mW。