MXB7846型4线触摸屏数据转换器的原理及应用

1 概述  

随着家用电子设备和智能仪器的广泛应用，人们对其人机接口的要求越来越高，人性化的人机接口能大大提高人们的操作水平，更好地发挥装置性能。触摸屏因此而被大量应用于家用电子、检测仪器、通讯设备等装置的人机接口部分。


  
MXB7846是Maxim公司的一款集成了%26;#177;15kV ESD保护的4线工业标准触摸屏数据转换器，广泛应用于电阻式触摸屏输入系统中。它集成了一个12位的同步采样模数转换器，可以采用内部集成的+2.5V参考电源，也可以采用外接参考电源。还集成了片上温度传感器、电源监测通道和辅助AD转换器。电路的所有模拟输入通道都处于ESD保护之中，因此使用时不需要额外的静电保护装置。  

2 引脚排列及引脚功能  

MXB7846采用16脚QSOP和TSSOP封装。其引脚排列如图1所示，各引脚功能如下所述。  

VDD：电源输入，电压范围为+2.375V～+5.25V。采用内部参考电源时，参考电源大小由此引脚决定。工作时采用1μF电容器旁路滤波。  
GND：地。  
X+、X-、Y+、Y-：横纵坐标输入，其中X+、Y+为ADC输入的第1、2通道。  
BAT：电源监测输入端，为ADC的第3通道。  
AUX：辅助模拟输入端，为ADC的第4通道。  
REF：参考电压输入/输出通道，为AD转换提供参考电压。当采用内部参考电源时，该引脚提供2.5V的参考电压输出；采用外部参考电源时，参考电压由此输入，可输入1V～VDD的电压。工作时采用0.1μF电容器旁路滤波。
PENIRQ：触摸中断引脚，工作时通过10kΩ～100kΩ电阻器上拉。触摸屏被触摸时引起中断，ADC开始转换。  
DIN：串行数据输入，DCLK的上升沿读入数据。  
DOUT：串行数据输出，DCLK的下降沿输出数据，CS为高时，DOUT为高阻状态。  
BUSY：忙输出标志，在数据转换时持续一个时钟周期的高状态，CS为高时，BUSY为高阻状态。  
CS：片选信号，只有当CS为低时，串行数据才可以从DIN读入。  
DCLK：时钟信号输入，输入时钟信号决定电路的转换速度，其占空比必须为40%～60%。


      
3 工作原理  

MXB7846采用逐次逼近型技术来实现模拟信号到12位数字信号的转换。其内部结构如图2所示。当电路工作于单输入模式时，ADC将REF做为参考输入；电路工作于差分输入模式时，ADC的REF+连接到X+或Y+，REF-连接到X-或Y-。具体的连续方式如表1所示。

表1 MXB7846控制字格式  

BIT7
BIT6
BIT5
NIT4

START
A2
A1
A0

BIT3
BIT2
BIT1
BIT0

MODE
SER/DFR
PD1
PD0

MXB7846的控制字格式如表1所列，其中START为数据传输起始标志位，该位必为“1”。A2-A0进行通道选择（见表2）。MODE用来选择AD转换的精度，“1”表示8位“0”表示12位。SER/DFR选择参考电压的输入模式，“1”为单输入模式，“0”为差分输入模式。PD1、PD0选择省电模式：“00”表示省电模式允许，在二次A/D转换之间掉电，且中断允许；“01”同“00”，只是不允许中断；“10”为保留；“11”表示禁止省电模式。

表2 MXB7846的控制及工作方式  

A2
A1
A0
测量值
ADC输入
ADC连接

0
0
0
Temp0
Temp0
-

0
0
1
Y坐标
X+
Y+、Y-

0
1
0
BAT
BAT
-

1
0
1
X坐标
Y+
X+、X-

1
1
0
AUX
AUX
-

1
1
1
Temp1
Temp1
-

4 典型应用  

MXB7846用于控制电阻式触摸屏的典型电路原理如图3所示。  

触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络，如图3所示。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，从而知道触点处的坐标。比如，在顶层的电极（X+，Y-）上加电压，则会在顶层导体导上形成电压梯度，当有外力使得上下两层在某一点接触，就可以在底层测得接触点处的电压，再根据该电压与电极（X+）之间的距离关系算出该处的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处的电压，从而知道Y坐标。  

为了完成一次电极电压切换和A/D转换，首先应通过串口向MXB7846发送控制字，转换完成后再通过串口读出电压转换值。标准的一次转换需要24个时钟周期。由于串口支持双向同时传送，并且在一次读数与下一次发控制字之间可以重叠，所以转换速率可以提高到每次16个时钟周期。如果条件允许，即CPU可以产生15个时钟周期（比如FPGAs和ASICs），转换速率还可以提高到每次15个时钟周期，其转换时序如图4所示。



本文采用Altera公司的EPM7128LC84-6型CPLD生产MXB7846所需的控制逻辑，以使其工作在较高的转换效率。用Verilog语言编制的控制程序如下：  

module max(DATAIN,CLK,DOUT,BUSY,CS,DCLK,DIN,DATAOUT,FLAG);  
input [7:0]DATAIN;  
input BUSY,CLK,DOUT;  
output[11:0]DATAOUT;  
output CS,DCLK,DIN,FLAG;  
reg [11:0]DATAOUT;  
reg [11:0]yiwei;  
reg [5:0]count;  
reg [4:0]jishu;  
reg shizhong,CS,DCLK,DIN,FLAG;  
always @(negedge CLK)  
begin  
count=count+1;  
if(count==6"d2)  
begin  
shizhong=～shizhong;  
count=0;  
end  
end  
always@(negedge shizhong)  
begin  
if (DATAIN==8"hff)  
CS=1;  
Else  
Begin  
CS=0;  
jishu=jishu+1;  
DCLK=～DCLK;  
if(jishu==30)  
jishu=0;  
case(jishu)  
5"b00000:begin DIN=DATAIN ;yiwei =DOUT;end  
5"b00010:begin DIN=DATAIN ; yiwei =DOUT;end  
5"b00100:begin DIN=DATAIN ; yiwei =DOUT;end  
5"b01000:begin DIN=DATAIN ;yiwei [11]=DOUT;DATAOUT=yiwei;FLAG=1;end  
5"b01010:begin DIN=DATAIN;FLAG=0;end  
5"b01100:DIN=DATAIN;  
5"b01110:DIN=DATAIN[0];  
5"b10000:if(BUSY==0)yiwei[0]=DOUT;  
5"b10010:yiwei=DOUT;  
5"b10100:yiwei=DOUT;  
5"b10110:yiwei=DOUT;  
5"b11000:yiwei=DOUT;  
5"b11010:yiwei=DOUT;  
5"b11100:yiwei=DOUT;  
endcase  
end  
end  
endmodule

本程序为CPLD模块中MXB7846的控制模块，其主要作用是通过CPLD时钟进行分频（分频数可设定）生产MXB7846的时钟，以及通过DATAIN给定MXB7846的控制字。其CS、DOUT、DCLK、DIN、BUSY分别与MXB7846的对应管脚相连以对其进行控制。当MXB7846完成一次转换后，CPLD读取其中的串行数据并转化为并行数据，待FLAG为高以后就可以从DATAOUT读取数据了。  

5 结束语  

MXB7846易于与目前各种常用的CPU接口，其低功耗特性使得非常适用于电源供电的系统，在个人掌上电脑、手机、医用仪器、测量仪表等各种便携式装置中具有广阔的应用前景。