基于触摸传感器QTll01的触摸屏设计与实现

l 引言
    传统的人机交流是通过键盘或鼠标来实现的，信息交换的速度比较慢，而且要求操作者具有一定的专业知识，这将使信息交流的目的大打折扣，因此需要一种非键盘、非鼠标的方式来沟通，其中最具有应用价值的就是触摸屏技术。
    触摸屏技术是20世纪90年代初出现的一种新的人机交互作用技术，主要分为电阻式、电容式、红外线式和表面声波式。基本原理是用手指或其他物体触摸时，触摸屏控制器检测到触摸位置，并通过接口送到CPU，从而确定输入信息。触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、操作灵活、使用方便等优点，应用范围非常广阔，主要用于多媒体公共信息的查询，如电信局、银行等部门的业务查询，机场、车站、宾馆、旅游景点等的信息查询及商场、超市导购等；其次还可应用于领导办公、工业控制、军事指挥、电子游戏、多媒体教学等，此外，触摸屏正在走入家庭，如触摸屏电话机、智能电脑电话等。本文提出了一种基于触摸传感器QT1101的触摸屏设计方法，并详细叙述了其基本原理。

2 触摸屏设计
    触摸屏的设计原理很简单，其主要器件是QTl101和单片机，QT1101完成按键的检测和确认，然后把检测到的按键信息送入单片机，单片机根据接收到的数据进行相应的处理。基本框图如图1所示。

    该设计的核心部分是触摸传感器QTll01，因此了解其工作原理对设计有很大的帮助。

3 QTll01基本原理
    QTl101电荷转移器件是一款独立的专利型数字控制器，它可以检测接近或触摸多达10个独立按键时的信号，QTl101的电极能发射穿透任何电介质(如玻璃或塑料)的独立感应场，并具有连续自校准功能，无需进行调整。它是专为诸如控制面板、控制设备、游戏设备、照明控制或者任何有机械开关或按钮的人机接口而设计的，还可以用于材料传感和控制应用，每一个信道可相对其他信道独立操作，通过调节相应的外部电容Cs，每个信道可以调整到一个特定的灵敏度电平，从而实现高度的灵活性。

    Quantum的邻近按键抑制(AKS)专利技术能够抑制来自微弱信号的触摸，只允许检测到一个主要的按键触摸，避免由于手指覆盖到其他相邻的空键而影响使用。当使用小控制面板时这个功能尤其重要，因为手指可能接触不止一个按键。
    扩频突发脉冲技术可以提供很好的噪声抑制。该器件的SYNC/LP引脚可以接类似器件或者外部信息同步，或者选择LP模式来节省功耗。
    QTll01具有以下特点：
    复位或重启后需要450 ms的校准初始化；
    电荷转移(QT)设计的专利技术；
    10个独立的QT传感通道(按键)；
    2.8 V～5.5 V的单电压供电；
    在360 ms低功耗模式(LP)下，3 V电压消耗电流的典型值为40 μA；
    100％全自动，不需要调整；
    自动波特率的串行1线或2线接口完全无抖动；
    扩频突发脉冲模式进行噪声抑制；
    引脚能很好地抑制低频噪声；
    滑动式应用中的“快速模式”；
    32-QFN或48-SSOP无铅封装。
    图2为QTll01的引脚排列(以32-QFN封装为例)，表1为各个引脚的功能。

3.1 QTll01的引脚介绍
3.1.1 DETECT引脚
    DETECT为10个按键的功能逻辑或，当触摸它时，可用于唤醒一个电池供电的产品。其输出极性和该引脚的驱动模式如表2所示。

3.1.2 CHANGE引脚
    该引脚可以告知主机已经检测到了触摸状态的变化(如按键被触摸或断开)，然后主机通过串行接口读取新的按键状态。当一个按键状态改变时，CHANGE变低，可以阻止传送重复数据，如果CHANGE未用，既使没有触摸的变化主机也要一直查询QT1l01。当检测到按键按下时，CHANGE变低并一直持续到主机通过串口查询到该按键，然后CHANGE被释放变为高，一直持续到按键状态的下一个变化(任何键变高或变低)。
    CHANGE为漏极开路，需要通过一个100 kΩ的上拉电阻连接到VDD。
3.1.3 SYNC/LP引脚
    如表3所示，SYNC/LP引脚的功能是根据SL_0和SL_l连接VDD还是VSS设定的。

    (1)Sync模式
    Sync模式允许调整突发脉冲与外部信号源(如主频率50/60 Hz)同步，抑制干扰，还可以使在相近地方工作的两个QT器件同步，这样当两个器件的2个或多个按键距离比较近时不会相互干扰。
    SYNC输入是正脉冲触发，如果SYNC的输入没有改变，该器件将在150 ms之后以自激频率工作。当SYNC有触发脉冲时，器件则以A-B-C的顺序激活三个突发脉冲：
    突发脉冲A：按键O，1，4，5
    突发脉冲B：按键2,3,6，7
    突发脉冲C：按键8，9
    (2)低功耗(LP)模式
    在该模式下，功耗器件进入慢速模式，具有较低的功耗，三种标称的响应时间为：120ms，200ms和360ms。
    当SYNC/LP引脚上有正脉冲时即进入LP模式，一旦检测到LP脉冲，器件就进入并维持这种微安模式直至感应到并确认了一次触摸之后，这时将自动转换为正常(全速)模式，其响应时间典型值一般小于40 ms(与突发脉冲时间有关)。当SYNC/LP维持为高或者收到另一个LP脉冲时，器件将重新进入LP模式。
    响应时间的设置是由可选电阻SL_l和SL_2来决定的，较短的相应时间将具有较低的功耗。SYNC/LP的脉冲持续时间应大于150μs，如果SYNC/LP引脚被永久地置为高电平，器件在一个按键触摸时进入正常模式，而当按键状态检测完毕并被主机读取后又返回低电流模式。如果SYNC/LP被永久地置为低电平，器件将一直维持正常全速模式工作。
3.1.4 OSC引脚
    QT1101在全选模式下的电路连接图如图3所示，QTll01的内部振荡器是通过连接在OSC和SS引脚上的外部网络实现的，所给出的推荐值是由标称工作电压和扩频模式来决定，如表4和表5所示。如果没用扩频时，只用电阻Rb1，无需电容CSS，SS引脚通过100 kΩ的电阻连到VSS。

3.2 QTll01的特殊功能介绍
3.2.1 AKSTM功能
    QT1l01的邻近键抑制(AKSTM)功能特性有两种模式，可通过可选电阻来控制。AKS可被禁止，这样允许同一时刻任何组合的按键有效，当AKS工作时，两种模式如表6和表7所示。

    全局：AKS功能同时对全部的lO个按键工作，也就是说在任何一个时刻只有一个按键有效。
    分组：AKS功能对三组按键工作(O-1-4-5，2-3-6-7和8-9)，也就是说，在任何时刻最多可以有三个按键有效。
    在分组模式下，一组中的按键对其他组的按键没有AKS相互作用。
    注意：在快速检测模式下，AKS只能被禁止。
3.2.2 MOD_0和MOD_1输入
    在全选模式下，MOD_0和MOD_1用来设置最大持续时间的重新校准超时。如果一个按键被持续按下的时间过长而超过设定的时间时，将会对该特定按键自动重新校准，设定值为10 s、60 s和无穷大。
    最大持续时间特性的工作是以单个按键为基础的，当一个按键被持续按下时，它的重新校准对其他按键没有影响。
    MOD可选引脚的逻辑组合设置超时延迟，如表8所列。

    在简化模式中，最大持续时间固定为60 s。
3.2.3 快速检测功能
    在很多设备中，需要以较快的速度感应触摸，这样的例子包括卷动滑动带或者断开按钮。这时可以使器件工作在快速检测模式，该模式通常只需要小于15 ms的反应时间。在LP模式下，快速检测不能加速初始延迟(根据可选设置其典型值可以高达360 ms)，但是，一旦检测到按键，器件就被强制返回正常速度模式。在另一个LP脉冲到来之前器件会一直处于快速模式。在滑动应用中，按键工作时最好不用AKS。
    在正常和快速模式下，处理一个按键释放的时间是相同的，也就是需要6个时序确认才能关掉一个按键。
    快速检测模式可由表6和表7所示的组合来激活。
3.2.4 简化模式
    简化模式不需要大量的可选电阻，该模式是通过在引脚SNS6K和SNS7之间连接电阻进行设置的，在该模式下，只有一种选择是可用的——AKS使能或禁止。当AKS禁止时，可工作在快速检测模式，而当AKS使能时，不能工作在快速检测模式。而且AKS在该模式下只能是全局方式工作，也就是作用在全部的功能按键上。
    其他的可选特性如下：
    DETECT引脚：推挽式，高有效；
    SYNC/LP：LP模式，200 ms的响应时间；
    最大持续时间：60 s。
3.3 QTll01的串行通信
    QTll01的串行通信模式有两种：1线模式(1W)和2线模式(2W)，下面分别介绍各个部分的基本原理。
3.3.1 串行1线(1W)接口
    串行1W接口是基于RS-232的自动波特率串行异步接口，它只需要主机MCU和QTll01之间的一根接线，串行数据短并且容易理解。1W总线是双向的，其串行工作的基本时序如图4(a)所示。

    在传送中，主机可以通过漏极开路或者推挽式驱动器来驱动1W总线，但是，如果主机使用推挽式驱动，当处理完停止位后就要释放1W总线以免在QTll01发送应答时有驱动冲突。如果主机使用开漏极传送，上拉电阻的值应与期望的波特率保持最优化，快速率要求小电阻防止出现上升时间过快的问题，在19 200 kb/s波特率时对应的典型阻值为100 kΩ。
    图4(b)为主机请求位(“Pt”)的形式(RS-232格式)，8位数据位，无奇偶校验位，波特率为8 000 b/s~38 400 b/s，其中第一个“S”是起始位，后一个“S”就是停止位，这种位格式不能改变，QT1101响应的波特率与接收的“P”字符相同，图4(c)给出了QTll01上的应答字节格式。
    当发送“P”字符后，主机应立即使1 W信号悬空，防止主机和QTll01之间的驱动冲突。从接收停止位到OT1101驱动1W引脚的延迟时间为1~3位周期，因此，主机应该在一个位周期内悬空该引脚来防止驱动冲突。
3.3.2 2W工作
    如上所述，1W总线工作中，当等待QTll01的应答时，主机应悬空1W总线，但是，这样一般是不可能实现的。为了解决这个问题，QTll01也可以从主机通过RX引脚来接收字符“P”，而与1W引脚分离开来，如图5所示。由于QTll01从不驱动RX，主机不用悬空RX。

    RX上接收“P”后，QT1l01将像单纯的1W模式时一样通过1W总线发送相同的响应格式。

4 结束语
    本文给出了一种触摸屏的设计方法，并介绍了触摸传感器QT1l01的基本原理，该器件具有性能高、费用低的特点，可广泛应用于MP3播放器、移动式电话、PC外围设备、电视机控制，定点设备，远距离控制等领域。而基于QTll01设计的触摸屏可用于多媒体公共信息查询等一些需要快速人机交互的场合。