基于STM32的触摸屏学习笔记

Posted 2020-07-19 坏坏成不坏

本文共有三个内容：一、电阻触摸屏的原理；二、XPT2046的控制字与数字接口；三、程序源码讲解（参考正点原子的代码）
一、电阻触摸屏的原理，上图：

 

 

图上的文字介绍了触摸的原理，下面总结一下触摸的原理：

触摸屏工作主要是两个电阻屏（上下两层）在工作，如上图，当某一层电级加上电压时，会在该网络上形成电压梯度。如果有外力使得上下两层在某一点接触，则在未加电压的那一层可以测得接触点的电压，从而得出接触点的坐标（X或Y）。举个例子：当我们在上层的电极间（Y+和Y-）加上电压，则会在上层形成电压梯度（这里读者可以想想AD转换的原理），当有外力使得上下两层在某一点接触时，在底层X层就可以测得接触点处的电压（每个点电压都不同），再根据测得电压和电极电压的关系与距离成正比关系（看上图的关系式）就可以得到该点的Y坐标。然后，将电压切换到下层电极（X+和X-）上，并在顶层Y层上测量接触点的电压，从而得到X坐标。

原理说完了，不知道读者注没注意到上一段中提到 ‘要测得接触点的电压’，怎么测得电压还转换为数字呢？那就需要一个AD转换器，AD转换器在哪儿？下面就来介绍一下本文中的触摸屏控制芯片-XPT2046：4导线控制器；内含12位分辨率，125KHz转换速率逐步逼近型A/D转换器；支持从1.5V~5.25V的低电压IO接口。通过两次AD转换查出被按的屏幕位置。除此之外，该芯片还有内部自带2.5V参考电压作为辅助输入，温度测量和电池监测模式，电池监测的范围可以从0V~6V，功耗小等等。XPT2046引脚图如下：

二、XPT2046的控制字与数字接口：

再来看XPT2046的数字接口（传输格式）：

下面详细解释下XPT2046的转换时序：

1、为完成一次电压切换和AD转换，前8个时钟通过DIN引脚往XPT2046发8位控制字节（控制字）；

2、转换器收到有关下次转换的足够信息之后，接着根据获得的信息设置输入多路选择器和参考源输入，并进入采样模式；

3、3个多时钟周期后，控制字节设置完成，转换器进入转换状态；

4、接着12个时钟周期你将完成真正的AD转换；

5、如果是度量比例转换方式（控制字节的第2位）=0，驱动器将一直工作，第13个时钟将输出转换结果的最后一位，剩下3个时钟完成转换器忽略的最后字节。

一次完整的转换需要24个串行同步时钟（DCLK）来完成。

三、程序源码讲解（参考正点原子的代码）

首先我们要知道触摸屏控制器XPT2046的哪些引脚与STM32的IO相连。在上文的XPT2046引脚图中，11,12,13,14,15,16引脚，13引脚（转换状态信号）不用；第二，我们这里不用笔中断（引脚11），而是将笔中断引脚接到了STM32的F10上。

注意：拿万用表测F10引脚，不触摸时输出3.3几V，触摸屏幕时，此引脚会输出低电平（0V）。其实我之前用的是示波器测的，不触摸时输出3.3几V，当触摸时，F10的输出电压会在几百mV到2V之间，不知道咋回事，折腾半天。可能是我不会使示波器。感兴趣的读者可以去测一测

1、通过模拟SPI时序往XPT2046中写一个字节void TP_Write_Byte(u8 num)

和通过模拟SPI时序从XPT2046中读取adc值（AD转换结果）u16 TP_Read_AD(u8 CMD)，

这里说一下，形参CMD是命令控制字，详情第二讲。。这里我们可以CMD_RDX=0xD0和CMD_RDY=0x90传入CMD中，就是读取X方向的AD值时，把控制字的A2~A0配置为101，读取Y方向的AD值时，把控制字的A2~A0配置为001，都是选择12位模式，差分输入，低功率模式。

注意：这里提一下为什么要用差分输入模式：手册说，配置为差分输入模式可有效消除由于驱动开关的寄生电阻及外部的干扰带来的测量误差，提高转换精度。

      一般来说我们要调用多次u16 TP_Read_AD(u8 CMD)这个函数，因为一次转换往往与真实值存在较大误差，故我们设定一个次数：READ_TIMES，多次转换。然后斩头去尾留中间，再取平均值，这样得到的AD转换结果就相当精确了。看函数u16 TP_Read_XOY(u8 xy)。

2、还有u8 TP_Read_XY(u16 *x,u16 *y)就是同时读取X、Y的AD转换值，是上一个函数u16 TP_Read_XOY(u8 xy)的升级版~

而u8 TP_Read_XY2(u16 *x,u16 *y)是连续两次读取X和Y的AD转换值，并将有效的AD值存入*x和*y指向的内存中，这样得到的AD值就很准确了，再通过相应的比例计算就可以转换为实际坐标了。。

———————————————————————          华丽分割线        ———————————————————————————

上面一直在讲AD值的精确获取。。。下面就要把获得的精确AD值转换为实际坐标。譬如我们点了一下触摸屏，返回的AD值为（1600,1200），即触点X方向的AD值为1600，Y方向的AD值为1200，下面就是介绍如何把像1600和1200这种AD值转换为实际坐标。

在转换为实际坐标之前要讲一下一个非常重要的知识点------触摸屏校正，为什么要校正，博主在这里就不给大家列举了，请读者自己查阅相关资料~

校正原理（借鉴了一些网络上的优秀文章）：

因为我们再实际中无法确定TFT屏的原点，那么我们只能在TFT屏上先确定4个点，如图：

这4个点的坐标是我们知道的，然后用笔去触摸这4个点，记录下这4个点的AD值，分别为：（AD_X1，AD_Y1）,（AD_X2，AD_Y2），（AD_X3，AD_Y3），（AD_X4，AD_Y4），根据这四个点，我们计算出四个校准参数（下文会详细介绍）：xfac，yfac，xoff，yoff，我们把得到的所有物理坐标都按这个关系式来计算：

LCDx=xfac*Px+xoff
LCDy=yfac*PY+yoff

其中（LCDx,LCDy）是在LCD上的实际坐标（像素坐标），（Px,Py）是从触摸屏读到的物理坐标。剩下4个参数，下文会介绍
校正代码：

图上画红圈的，请读者注意tp_dev.sta状态位的变化，下面就进入第二个红圈：tp_dev.scan(1)触摸扫描函数中看看，这里scan是函数指针：

这里应该从校准函数中说，应该能好理解。→_→在校准函数中，不断扫描TP_Scan()函数，如果这时候你触摸了一下屏幕，PEN所对应STM32的引脚将会从高电平跳变为低电平，详情看上文第二讲的注意→_→。即Ttp_dev.sta=1100,0000（根据上图第一个方框得出）。不满足校准函数中的if((tp_dev.sta&0xc0)==TP_CATH_PRES)，故不会进行下面的画点。如果之前并没有按下触摸屏，这时同样是不满足上面if的。如果之前按下后松下了，这时Ttp_dev.sta=0111,1111，这时满足校准函数中的if((tp_dev.sta&0xc0)==TP_CATH_PRES)，然后在校准函数中标记下触摸已经被处理了（清除tp_dev.sta），清除第一个点，画第二个点，清除第二个点，画第三个点，清除第三个点，画第四个点，清除第四个点。也就是，触摸屏幕有两个状态：按下和松开。当按下时，程序执行的是将按下的AD值坐标存到两个数组中即上图中的TP_Read_XY2(&tp_dev.x[0],&tp_dev.y[0])；当松开时，清除原来的点，并画一个新点。这样触摸4次。

在校准函数中，由于之前重复触摸了4下屏幕，触摸的4个点的AD值被存入到了pos_temp[4][2]数组中，然后算出（x1，y1），
（x2，y2）之间的距离d1和（x3，y3），（x4，y4）之间的距离d2，把这两个水平距离相除得到一个比值fac1；再计算出（x1，y1），（x3，y3）之间的距离d3和（x2，y2），（x4，y4）之间的距离d4，把这两竖直方向的距离相除，得到一个比值fac2.如果0.95<fac1<1.05且0.95<fac2<1.05则认为校准成功。否则显示触摸的AD值，不断校正。如果校准成功，就计算AD值与实际坐标之间的校准参数，并将这些校准参数存到EEPROM(断点可保存数据)中。每次重新上电系统初始化后再读出来。

xfac、yfac：每个AD点对应的像素点数目。(液晶理论宽度-40)/(x2-x1) 即液晶理论宽度点阵值/AD测量值

xoff、yoff：测量误差值。[液晶理论宽度点阵值 - 每AD值对应多少点阵*(AD测量值)]/2 = 测量误差值(理论值为 20 点阵，实际是有误差的)