盡管觸摸屏正在迅速普及開來，但大多數(shù)開發(fā)人員以前從來沒有開發(fā)過觸摸屏產(chǎn)品。本文詳細介紹了觸摸屏產(chǎn)品的設計步驟，指導讀者了解使觸摸屏首次工作需要的軟硬件細節(jié)。
觸摸屏如今隨處可見。工業(yè)控制系統(tǒng)、消費電子產(chǎn)品，甚至醫(yī)療設備上很多都裝備了觸摸屏輸入裝置。我們平時不經(jīng)意間都會用到觸摸屏。在ATM機上取款、簽署包裹，辦理登機手續(xù)或查找電話號碼時都可能會用到觸摸屏。
本文介紹了二種較新的CPU，它們都內(nèi)建了對觸摸屏輸入的支持。本文將介紹如何編寫軟件驅(qū)動程序，從而能夠使用這些微處理器配置、校準觸摸屏以及對觸摸屏輸入持續(xù)響應。最終將提供可免費下載和使用的工作代碼，作為讀者進一步設計的基礎。
觸摸屏作為輸入手段的優(yōu)點和缺點
沒有一種輸入方式是十全十美的，對某些特定的應用和產(chǎn)品類型來說，觸摸屏不是最好的輸入手段。為了讓讀者清楚的了解觸摸屏的特性，下面先概括使用觸摸屏作為輸入手段的優(yōu)點和缺點。
首先是優(yōu)點：觸摸屏不可否認的具有酷的感覺，立刻就能使產(chǎn)品的使用變得更有樂趣。同時觸摸屏也非常直觀。當用戶想要選擇A選項時，他伸出手指碰一下A選項就可以了。這還不夠直觀嗎？連兩歲的嬰兒都知道怎樣伸手去觸摸他(或她)想要的東西。
最后要說的是，觸摸屏作為輸入裝置和系統(tǒng)固定在了一起。如果用戶忘記遙控器或鼠標放的位置，就會無法進行輸入。而如果具有觸摸屏的設備放在用戶前面，用戶馬上就可以用觸摸屏進行輸入。
再說缺點，觸摸屏可能會在不合適的場合下被錯誤的使用。這里我是指對安全性要求嚴格的設備，對于這些設備，如果沒有適當?shù)念A防措施，使用觸摸屏會非常危險。下面我將概括一些最明顯的潛在的問題，如果讀者想作更進一步的了解，可以參考更多的資料。
第一個問題是視差，即屏幕上看到的對象的位置與其在觸摸面板上的實際有效位置之間的差異。圖1說明了這個問題。我能想到的最佳例子是典型的 “免下車”ATM機。這種ATM機不會根據(jù)汽車的高度升高或降低自己的高度，因此如果你坐在較高的SUV或卡車里，那么你就會從抬高的位置俯視顯示屏。為了保護昂貴的顯示器件免受惡意破壞，ATM機都會在用戶和顯示屏之間放置幾層強化玻璃。
觸摸屏是不能這樣保護的。如果真這樣做的話，用戶就無法進行觸摸了。因此觸摸屏放在表層上，而顯示屏放在表層下的幾層玻璃后面。這就造成了觸摸層和顯示層之間的物理隔離。如果用戶以某個角度觀看屏幕，就意味著用戶按壓觸摸屏進行選擇的位置會與用戶接口軟件預期的輸入位置之間存在一定的距離偏差。
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圖1：視差(橫截面圖)。 |
人們能很快適應這種偏差。經(jīng)過幾次嘗試和錯誤，使用者學習在觸摸屏的表面找到顯示信息的映射位置，然后觸摸到正確的位置。ATM設計師也認識到這一點，他們會采用大面積的按鍵，并盡量使它們相互遠離，因此有助于防止錯誤按鍵的誤觸發(fā)。當然，不小心按下錯誤的ATM按鍵不會使你得癌癥或使你失明。但如果這樣的失誤發(fā)生在醫(yī)療控制設備上，并且系統(tǒng)設計師沒有在系統(tǒng)內(nèi)置足夠的安全預防措施，那么以上兩種后果確實都有可能發(fā)生。
通過縮短顯示層和觸摸層之間的物理距離可以盡量減少視差。在CRT或LCD前面總會有玻璃存在。最好的方法是將對觸摸敏感的電子元件嵌入到玻璃里，并且這層玻璃做得盡可能薄。這樣就減少了觸摸輸入層和顯示層之間的相隔距離。像Palm這樣的手持設備就可以采用這樣的策略，因為它們不必太擔心機械強度不夠或者遭受惡意破壞。隨著相隔距離的縮小(用戶覺得真的觸摸到了圖形元件)，精度會大大提高。
第二個明顯的問題是，在用戶觸摸屏幕的過程中，觸摸屏幕的物體(觸控筆、手指)至少會遮擋屏幕上的一小部分面積，從而影響用戶的觀察。在工廠自動化應用中這種情況更容易發(fā)生，因為用戶很可能使用手指或手套而非觸控筆，即使是使用觸控筆，在屏幕上做選擇動作也會不時遮擋住一部分你給用戶展示的信息。例如，想象一下你想展示一個滑動控制條給用戶調(diào)節(jié)數(shù)值（如速度或音量），并且你將用戶選擇的數(shù)值以數(shù)字形式顯示在滑動控制條的左邊。這樣做一般工作情況會很好，但當左撇子用戶操作你的系統(tǒng)時，只有移開他的手指他才能看到所選的值。因此你必須在你的用戶界面設計中考慮這類因素。
觸摸屏硬件原理簡介
我們在開始編寫觸摸屏驅(qū)動程序之前，必須對硬件的工作原理有個基本的了解。許多不同的觸摸技術(shù)會把屏幕某個位置的壓力或接觸轉(zhuǎn)換成有意義的數(shù)字坐標。典型的觸摸技術(shù)包括電阻觸摸屏、聲表面波觸摸屏、紅外線觸摸屏和電容觸摸屏。如果想詳細了解這些技術(shù)，你可以登錄 www.elotouch.com或www.apollodisplays.com網(wǎng)站。
這里側(cè)重介紹電阻觸摸屏。電阻觸摸屏非常普及，你會發(fā)現(xiàn)許多評估板和開發(fā)套件中都集成了電阻觸摸屏。電阻觸摸屏普及的主要原因是價格便宜，而且在電氣上可以直接接入用戶的系統(tǒng)中。
之所以叫電阻觸摸屏，是因為它們本質(zhì)上就是電阻分壓器。它們由兩個電阻薄層組成，這兩個薄層被非常薄的絕緣層隔開，絕緣層通常以塑料微粒子的形式存在。當你觸摸屏幕時，會使兩個電阻薄層變形到足以使它們之間發(fā)生電氣連接。然后由軟件通過檢測分壓器上產(chǎn)生的電壓計算出兩層的短接位置，并最終確定觸摸位置。
電阻觸摸屏分為幾種類型，比如"四線"，"五線"和"八線"。線越多，精度就越高，溫度漂移也越少，但基本的操作是一樣的。在最簡單的四線設計中，有一層稱為"X軸"的電阻層，上面加有一定的電壓，另一個稱為"Y軸"的電阻層作為接受層測量對應X軸位置的電壓值。這一過程再反過來執(zhí)行一遍，即Y軸層加電，X軸層用于電壓檢測。
圖2是電阻觸摸屏的簡單等效電路。注意必須獲取二個完全獨立的讀數(shù)，即X軸位置和Y軸位置數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在四線或五線電阻觸摸屏中是無法同時讀取的。軟件必須先讀一個軸，然后再讀另外一個軸。讀取的順序則無關(guān)緊要。
將電阻觸摸屏產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字需要用到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。直到不久前這個ADC幾乎一直是主CPU的外圍器件。Burr Brown NS7843或NS7846就是這種ADC控制器。該器件為12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)嵌的邏輯電路通過交替給一個薄層加電，再從另外一層轉(zhuǎn)換來控制觸摸屏。雖然可以使用諸如GPIO之類的信號線來完成薄層加電的切換，但該器件能夠分擔許多任務，還能提供產(chǎn)生觸摸或筆壓中斷的方式。
最近有幾家CPU制造商開始在主CPU中集成ADC模塊和專用的觸摸屏控制電路。在消費類設備、遠程信息通信或一些面向其它市場的產(chǎn)品中，LCD顯示屏和觸摸屏非常普遍，當想把CPU用于這類產(chǎn)品中時，在CPU中集成ADC和觸摸屏控制電路的做法會非常有意義。
基于兩種CPU的參考板
本文設計兩種集成了觸摸屏控制功能的CPU的參考板。這二種CPU都基于ARM處理器架構(gòu)。
第一塊板是飛思卡爾的MX9823ADS評估板，采用了飛思卡爾的MC9328MX1處理器。該評估板可以直接從飛思卡爾的分銷商處定購。評估套件包括QVGA(240x320)彩色LCD和觸摸屏。
第二塊板采用了夏普LH79524 ARM處理器。這塊夏普的參考板以及集成的顯示和觸摸套件都可以從LogicPD公司處定購。有幾種可更換的顯示套件供選擇，分辨率范圍從QVGA到800x600像素不等。
本文中不提供每個驅(qū)動程序的詳細代碼，而是介紹驅(qū)動程序的設計和流程，并重點介紹其中的重要部分。讀者可以從ftp://ftp.embedded.com/pub/2005/07maxwell下載每個驅(qū)動程序的全部源代碼。總的來看，軟件提供的功能完成以下這些步驟：
1. 配置控制器硬件
2. 判斷屏幕是否被觸摸
3. 獲得穩(wěn)定的、去抖動的位置測量數(shù)據(jù)
4. 校準觸摸屏
5. 將觸摸狀態(tài)和位置變化信息發(fā)送給更高層的圖形軟件
下面開始詳細介紹每個步驟。
硬件配置
觸摸驅(qū)動程序要做的第一件事是配置硬件。對這些集成控制器來說，這意味著通過向映射到存儲器的寄存器中寫入數(shù)據(jù)將控制器配置成某個確定狀態(tài)。這一過程是由每個驅(qū)動程序中的TouchConfigureHardware()函數(shù)完成的。
為了配置硬件，需要事先做好某些決定。例如，驅(qū)動程序應該使用中斷驅(qū)動嗎？為了獲得能夠響應并且精確的觸摸位置信息需要什么樣的轉(zhuǎn)換速率？讓我們看看做出這些決定的具體過程吧。
