一、XPT2046中文資料詳解_XPT2046簡介

四線電阻式觸摸屏，主要由兩層鍍有ITO鍍層的薄膜組成。其中一層在屏幕的左右邊緣各有一條垂直總線，另一層在屏幕的底部和頂部各有一條水平總線，如果在一層薄膜的兩條總線上施加電壓，在ITO鍍層上就會形成均勻電場。當(dāng)使用者觸擊觸摸屏?xí)r，觸擊點處兩層薄膜就會接觸，在另一層薄膜上就可以測量到接觸點的電壓值。

為了在X軸方向進行測量，將左側(cè)總線偏置為0V，右側(cè)總線偏置為VCC。將頂部或底部總線連接到ADC，當(dāng)頂層和底層相接觸時即可作一次測量。

為了在Y軸方向進行測量，將頂部總線偏置為VCC，底部總線偏置為0V。將ADC輸入端接左側(cè)總線或右側(cè)總線，當(dāng)頂層與底層相接觸時即可對電壓進行測量。

如下圖，測量出來的電壓值與接觸點的位置線性相關(guān)，即可以由VPX和VPY分別計算出接觸點P的X和Y坐標(biāo)。

在實際測量中，控制電路會交替在X和Y電極組上施加VCC電壓，進行電壓測量和計算接觸點的坐標(biāo)。舉例說明測量流程：

第一步，在X+上施加VCC，X-上施加0V電壓，測量Y+（或Y-）電極上的電壓值VPX，計算出接觸點P的X坐標(biāo)；

第二步，在Y+上施加VCC，Y-上施加0V電壓，測量X+（或X-）電極上的電壓值VPY，計算出接觸點P的Y坐標(biāo)；

以上兩步組成一個測量周期，可以得到一組（X，Y）坐標(biāo)。

圖2.1：觸摸屏工作原理示意圖

1、電阻觸摸屏控制器XPT2046

通過以上介紹，可知要實現(xiàn)對某個觸摸點的坐標(biāo)測量，需要對電阻觸摸屏模組的兩層導(dǎo)電薄膜分時施加電壓，在對其中一個導(dǎo)電薄膜的電極施加電壓時，使用ADC去測量另一層導(dǎo)電薄膜的電極上的電壓。由此可知，觸摸控制器必須能夠支持兩個功能：

1）觸摸控制器能夠?qū)B接的電極施加電壓

2）觸摸控制器能夠測量電極上的電壓（ADC）

即觸摸控制器不僅僅是簡單的ADC，因為其還要能夠給電極提供電壓，所以我們無法使用通用的ADC來完成4線電阻觸摸屏的控制。為了實現(xiàn)對電阻觸摸屏的控制，以TI為代表的眾多廠商推出了專用的觸摸控制器，如TI的TSC2046、ADS7843，兩者功能相同，封裝兼容，可以直接替換。同時，國內(nèi)也有廠商推出了能夠完全兼容的器件，最典型的如深圳矽普特公司推出的XPT2046，該芯片可完全兼容TI的TSC2046器件。本教程主要以該芯片為依據(jù)進行講解。

2、XPT2046特性：

工作電壓范圍為2.2V～5.25V

支持1.5V～5.25V的數(shù)字I/O口

內(nèi)建2.5V參考電壓源

電源電壓測量（0V~6）

內(nèi)建結(jié)溫測量功能

觸摸壓力測量

采用SPI3線控制通信接口

具有自動power-down功能

封裝：QFN-16、TSSOP-16和VFBGA-48

與TSC2046、AK4182A完全兼容

XPT2046在125KHz轉(zhuǎn)換速率和2.7V電壓下的功耗僅為750μW。XPT2046以其低功耗和高速率等特性，被廣泛應(yīng)用在采用電池供電的小型手持設(shè)備上，比如PDA、手機等。

二、XPT2046中文資料詳解_XPT2046內(nèi)部框圖

下圖為XPT2046的功能框圖，可見XPT2046內(nèi)部包含了一個多路選擇器，能夠測量電池電壓、AUX電壓、芯片溫度。一個12位的ADC用于對選擇的模擬輸入通道進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字量，然后送入控制邏輯電路，供主控CPU進行讀取，同時，具體選擇哪個通道進行轉(zhuǎn)換，也是由主控CPU發(fā)送命令給控制邏輯來設(shè)置的。

XPT支持筆觸中斷，即當(dāng)觸摸屏檢測到觸摸被按下時，可以立即產(chǎn)生筆觸中斷，通知主控制器可以控制開始轉(zhuǎn)換并讀取數(shù)據(jù)。在轉(zhuǎn)換過程中，通過busy信號指示當(dāng)前忙狀態(tài)，以避免主控發(fā)出新的命令中斷之前的命令。

三、XPT2046中文資料詳解_XPT2046引腳圖及功能

1、XPT2046引腳圖

圖 ?XPT2046引腳圖

2、XPT2046引腳功能

XPT2046通過SPI接口與主控制器進行通信，其與主控制器的接口包括以下信號：

PENIRQ_N：筆觸中斷信號，當(dāng)設(shè)置了筆觸中斷信號有效時，每當(dāng)觸摸屏被按下，該引腳被拉為低電平。當(dāng)主控檢測到該信號后，可以通過發(fā)控制信號來禁止筆觸中斷，從而避免在轉(zhuǎn)換過程中誤觸發(fā)控制器中斷。該引腳內(nèi)部連接了一個50K的上拉電阻。

CS_N：芯片選中信號，當(dāng)CS_N被拉低時，用來控制轉(zhuǎn)換時序并使能串行輸入/輸出寄存器以移出或移入數(shù)據(jù)。當(dāng)該引腳為高電平時，芯片（ADC）進入掉電模式。

DCLK：外部時鐘輸入，該時鐘用來驅(qū)動SARADC的轉(zhuǎn)換進程并驅(qū)動數(shù)字IO上的串行數(shù)據(jù)傳輸。

DIN：芯片的數(shù)據(jù)串行輸入腳，當(dāng)CS為低電平時，數(shù)據(jù)在串行時鐘DCLK的上升沿被鎖存到片上的寄存器。

DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出，在串行時鐘DCLK的下降沿數(shù)據(jù)從此引腳上移出，當(dāng)CS_N引腳為高電平時，該引腳為高阻態(tài)。

BUSY：忙輸出信號，當(dāng)芯片接收完命令并開始轉(zhuǎn)換時，該引腳產(chǎn)生一個DCLK周期的高電平。當(dāng)該引腳由高點平變?yōu)榈碗娖降臅r刻，轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高位數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在DOUT引腳上，主控可以讀取DOUT的值。當(dāng)CS_N引腳為高電平時，BUSY引腳為高阻態(tài)。

四、XPT2046中文資料詳解_XPT2046工作原理

XPT2046是一種典型的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SARADC），包含了采樣/保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換、串口數(shù)據(jù)輸出等功能。同時芯片集成有一個2.5V的內(nèi)部參考電壓源、溫度檢測電路，工作時使用外部時鐘。XPT2046可以單電源供電，電源電壓范圍為2.7V～5.5V。參考電壓值直接決定ADC的輸入范圍，參考電壓可以使用內(nèi)部參考電壓，也可以從外部直接輸入1V～VCC范圍內(nèi)的參考電壓（要求外部參考電壓源輸出阻抗低）。X、Y、Z、VBAT、Temp和AUX模擬信號經(jīng)過片內(nèi)的控制寄存器選擇后進入ADC，ADC可以配置為單端或差分模式。選擇VBAT、Temp和AUX時可以配置為單端模式；作為觸摸屏應(yīng)用時，可以配置為差分模式，這可有效消除由于驅(qū)動開關(guān)的寄生電阻及外部的干擾帶來的測量誤差，提高轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度。

下圖為XPT2046的典型工作電路：

XPT2046有四個引腳，用于連接到四線制電阻屏的FPC上，分別為XP、XN、YP、YN，連接到對應(yīng)的四線制電阻屏的X電極的正端、負(fù)端和Y電極的正端、負(fù)端。此四個引腳每個都能工作于兩種狀態(tài)，分別為電源/GND輸出、ADC輸入。例如設(shè)置ADC工作在差分模式，當(dāng)測量X方向的坐標(biāo)時，XP輸出VCC、XN連接到GND，此時，YP和YN作為ADC的差分輸入腳連接到ADC上，通過測量YP和YN之間的電壓差來得到當(dāng)前觸摸點的X位置。同理，當(dāng)測量Y方向的坐標(biāo)時，YP輸出VCC、YN連接到GND、此時，XN和XP作為ADC的差分輸入腳連接到ADC上，通過測量YP和YN之間的電壓差來得到當(dāng)前觸摸點的Y位置。

五、XPT2046中文資料詳解_XPT2046典型應(yīng)用

一）24時鐘周期轉(zhuǎn)換

1、讀寫時序

了解了XPT2046的接口電路，接下來我們就可以通過主控MCU或FPGA來控制該芯片實現(xiàn)坐標(biāo)的讀取了。要想正確的讀到X、Y坐標(biāo)，需要按照芯片規(guī)定的控制協(xié)議進行數(shù)據(jù)的讀寫。XPT2046實現(xiàn)一次X、Y坐標(biāo)的讀取需要完成兩次轉(zhuǎn)換，單一一次轉(zhuǎn)換只能得到單一X或Y的坐標(biāo)，因此，我們必須通過兩次控制才能到到結(jié)果。至于每一次轉(zhuǎn)換的對象為X或Y坐標(biāo)，由控制器發(fā)出的控制字決定。ADC在轉(zhuǎn)換時能夠被配置為單端或差分模式，具體的控制字在每次傳輸開始的時候，由主控MCU驅(qū)動DIN信號傳輸。下圖為XPT2046典型的24時鐘周期轉(zhuǎn)換控制時序：

XPT2046數(shù)據(jù)接口是串行接口，其典型工作時序如上圖所示，圖中展示的信號來自帶有基本串行接口的單片機或數(shù)據(jù)信號處理器。處理器和轉(zhuǎn)換器之間的的通信需要8個時鐘周期，可采用SPI、SSI和Microwire等同步串行接口。一次完整的轉(zhuǎn)換需要24個串行同步時鐘（DCLK）來完成。

前8個時鐘用來通過DIN引腳輸入控制字節(jié)。當(dāng)轉(zhuǎn)換器獲取有關(guān)下一次轉(zhuǎn)換的足夠信息后，接著根據(jù)獲得的信息設(shè)置輸入多路選擇器和參考源輸入，并進入采樣模式，如果需要，將啟動觸摸面板驅(qū)動器。3個多時鐘周期后，控制字節(jié)設(shè)置完成，轉(zhuǎn)換器進入轉(zhuǎn)換狀態(tài)。這時，輸入采樣－保持器進入保持狀態(tài)，觸摸面板驅(qū)動器停止工作（單端工作模式）。接著的12個時鐘周期將完成真正的模數(shù)轉(zhuǎn)換。如果是度量比率轉(zhuǎn)換方式（SER/DFR——＝0），驅(qū)動器在轉(zhuǎn)換過程中將一直工作，第13個時鐘將輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的最后一位。剩下的3個多時鐘周期將用來完成被轉(zhuǎn)換器忽略的最后字節(jié)（DOUT置低）

2、控制字的設(shè)置

表3控制字段的每一位功能

控制字節(jié)由DIN輸入的控制字如下表所示，它用來啟動轉(zhuǎn)換，尋址，設(shè)置ADC分辨率，配置和對XPT2046進行掉電控制。

起始位：第一位，即S位?？刂谱值氖孜槐仨毷?，即S＝1。在XPT2046的DIN引腳檢測到起始位前，所有的輸入將被忽略。

地址：接下來的3位（A2、A1和A0）選擇多路選擇器的現(xiàn)行通道（見表1、表2），觸摸屏驅(qū)動和參考源輸入。

MODE：模式選擇位，用于設(shè)置ADC的分辨率。MODE＝0，下一次的轉(zhuǎn)換將是12位模式；MODE＝1，下一次的轉(zhuǎn)換將是8位模式。

SER/DFR：SER/DFR位控制參考源模式，選擇單端模式（SER/DFR＝1），或者差分模式（SER/DFR＝0）。在X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)和觸摸壓力測量中，為達(dá)到最佳性能，首選差分工作模式。參考電壓來自開關(guān)驅(qū)動器的電壓。在單端模式下，轉(zhuǎn)換器的參考電壓固定為VREF相對于GND引腳的電壓（更詳細(xì)的說明，見表1和表2）。

表1單端模式下的地址與通道對應(yīng)關(guān)系

表2差分模式下的地址與通道對應(yīng)關(guān)系

PD0和PD1：表5展示了掉電和內(nèi)部參考電壓配置的關(guān)系。ADC的內(nèi)部參考電壓可以單獨關(guān)閉或者打開，但是，在轉(zhuǎn)換前，需要額外的時間讓內(nèi)部參考電壓穩(wěn)定到最終穩(wěn)定值；如果內(nèi)部參考源處于掉電狀態(tài)，還要確保有足夠的喚醒時間。ADC要求是即時使用，無喚醒時間的。另外還得注意，當(dāng)BUSY是高電平的時候，內(nèi)部參考源禁止進入掉電模式。XPT2046的通道改變后，如果要關(guān)閉參考源，則要重新對XPT2046寫入命令。

表4 ?控制字段每一位功能的具體說明

表5 PD位功能說明

上述通過24時鐘周期的轉(zhuǎn)換時序講解了單次轉(zhuǎn)換的時序，在實際應(yīng)用中，為了提高轉(zhuǎn)換效率，XTP2046提供了16時鐘轉(zhuǎn)換模式和15時鐘轉(zhuǎn)換模式。

二）16時鐘周期轉(zhuǎn)換

第n+1次轉(zhuǎn)換的控制位可以與第n次轉(zhuǎn)換部分重疊，所以可以用16個時鐘周期完成一次轉(zhuǎn)換，如圖16所示。圖16也說明了處理器和轉(zhuǎn)換器之間的串行通信是可以雙向獨立進行的。此時，每次轉(zhuǎn)換必須在開始后（接收到start）的1.6mS內(nèi)完成，否則輸入采樣保持電路取樣的信號會逐漸被放電衰減，影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。另外，在轉(zhuǎn)換過程中另一串行通信的存在會使XPT2046工作于全功耗狀態(tài)下。

8位總線接口，無DCLK時鐘延遲16時鐘周期轉(zhuǎn)換時序

該模式下，DCLK的時鐘高電平和低電平均要求最小值為200ns，即DCLK的時鐘周期為2.5MHz。

三）15時鐘周期轉(zhuǎn)換

下圖給出了XPT2046的最快時序。這種方法不支持大部分的微控制器和數(shù)字信號處理器的串行接口，因為它們一般都不提供15周期的串行傳輸方式。但是，這種方法適用于FPGA和ASIC。需要注意的是，這樣有效地提高了轉(zhuǎn)換器的最大轉(zhuǎn)換速率。

最快轉(zhuǎn)換速率，15時鐘周期轉(zhuǎn)換

在不影響輸出精度的前提下提高數(shù)據(jù)吞吐量，XPT2046可以采用8位的轉(zhuǎn)換模式。切換到8位轉(zhuǎn)換模式，完成提前4個時鐘完成一次轉(zhuǎn)換。不僅每次轉(zhuǎn)換縮短了都4位（數(shù)據(jù)吞吐量提高了25％），而且由于精度的降低，可以工作在更快的轉(zhuǎn)換速率下，時鐘速度可以提高50%，時鐘速度的提高和轉(zhuǎn)換周期的減少，共同可以使轉(zhuǎn)換速率提高2倍。

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