STM32F4_触摸屏

最新推荐文章于 2025-10-30 11:38:21 发布

原创

最新推荐文章于 2025-10-30 11:38:21 发布 · 4.4k 阅读

78 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#stm32 #嵌入式硬件 #单片机

文章深入解析了触摸屏技术，包括电阻式与电容式触摸屏的工作原理，重点介绍了XPT2046驱动芯片的使用及硬件设计，并提供了详细代码实现触摸检测逻辑。同时，讨论了电容屏初始化、传感器控制及坐标数据处理方法，展现了触摸屏技术的全面应用知识。

1. 触摸屏原理

触摸屏又称为触控面板。它是一种把触摸位置转化成坐标数据的输入设备，根据触摸屏的检测原理，主要可以分为电阻式触摸屏和电容式触摸屏。

相对而言，电阻式触摸屏造价便宜，能够适应较恶劣的环境，但只是支持单点触控（一次只能检测面板上一个触控的位置），触摸时需要一定的压力（通常指甲触摸的屏幕，需要给一定的压力），使用久了容易造成表面磨损，影响寿命。

而电容触摸屏支持多点触控，检测精度高，电容屏通过和导电物体产生的电容效应来检测触摸动作（电容屏可以用手指触摸，因为手指是导电的），只能感应导电物体的触摸，湿度较大或屏幕表面有水珠时会影响电容屏的检测效果。

电阻触摸屏和电容触摸屏两种屏幕，从外观上并没有明显的区别，区分电阻屏和电容屏最直接的方法就是使用绝缘物体点击屏幕。因为电阻式触摸屏是根据压力来检测触摸动作的，绝缘物体点击屏幕会产生压力；而电容式触摸屏是根据触摸物体是否导电来感应物体触摸的，所以绝缘物体触摸屏幕是不会由触摸动作的。

目前的电容式触摸屏被大部分应用在智能手机、平板电脑等电子设备中，而电阻式触摸屏在汽车导航、工控机等设备中仍占主流。

2. 电阻式触摸屏检测原理

电阻式触摸屏的结构如下图所示：

电阻式触摸屏主要由表面硬涂层、两个ITO层、间隔点以及玻璃底层构成，这些结构层都是透明的，整个触摸屏覆盖在液晶面板上，通过触摸屏可以看到液晶面板。首先，表面硬涂层的作用是：保护最外层的触摸屏；最深层的玻璃底层起到承载的作用；两个ITO层是触摸屏的关键结构----是涂有铟锡金属氧化物的导电层。两个ITO层之间通过间隔点使得两层分开，保持一定的间隔。当触摸屏表面受到压力时，表面弯曲使得上层ITO与下层ITO接触，在触点处接通电路。

注：以上的结构层都是透明的，这些结构只是为了保证触摸作用，在这些结构层下是液晶板，透过这些结构层是可以看到液晶板的，液晶屏上显示的汉字，图片等是在液晶板上显示的。

ITO涂层检测原理：

通过观察我们手中的开发板可以发现：LCD触摸屏都是通过四根线引出的触摸屏。仔细观察开发板可以发现，这四根线其实就是两个ITO涂层的两端分别引出的四个电极。

简单理解就是：可以将每个ITO层看做一个矩形，两个ITO层就是两个矩形，每个矩形都有2个长，2个宽。一个矩阵的两个长连接一个电极，两个宽连接一个电极。这样一来，两个ITO层就会引出四个电极。

两个ITO层的两端分别引出X-、X+、Y-、Y+四个电极，这是电阻屏最常见的四线结构，通过这些电极，外部电路向这两个涂层可以施加匀强电场或检测电压。

在上图的基础之上，如果我让X-接GND，X+接3.3V，那么在X方向上就会产生匀强电场；同理，如果我给Y-接GND，Y+接3.3V，那么在Y方向上就会产生匀强电场。明白了这一原理，我们接着往下看：

根据以上的原理，可以计算出触点处的X、Y坐标值。

触点处X、Y的坐标值：

计算X坐标时，在X+电极施加驱动电压 $V_{ref}$ ，X-极接地，所以在X+与X-处形成了匀强电场，此时触点处的电压可以通过Y+电极采集得到，由于ITO层均匀导电，那么触点电压 $V_{Y}$ 与 $V_{ref}$ 之比就等于x坐标比上屏宽度。

$V_{Y}$ / $V_{ref}$ =X / Width X= $\frac{V_{Y}}{V_{ref}}$ * Width

同理，计算Y坐标时，在Y+电极施加驱动电压 $V_{ref}$ ，Y-接地，所以会在Y+与Y-之间形成匀强电场，此时触点处的电压值可以通过X+电极采集得到，由于ITO层均匀导电，那么触电电压 $V_{X}$ 与 $V_{ref}$ 之比就等于y坐标与屏长度之比。

Y= $\frac{V_{Y}}{V_{ref}}$ * Height

由此就可以得到触点处的坐标值（X，Y）。

电阻式触摸屏的原理就是如此：通过ADC不断的在X+、Y+上采集电压值，通过坐标与屏尺寸的比例，计算出X、Y坐标值。进而实现触摸屏触摸。

但是这样不断地进行采集、计算，未免费时费力。

为了方便检测触摸的坐标，为此，一些芯片厂商制作了电阻屏专用的控制芯片，控制上述采集过程、采集电压、外部微控制器直接与触摸控制芯片通讯直接获得触点的电压或坐标。

其中XPT2046芯片就是一种典型的触摸控制芯片，控制4线电阻触摸屏，该芯片通过与STM32进行通讯，获得采集的电压值，然后转换成坐标。

STM32F4的2.8寸和3.5寸的LCD屏是电阻式触摸屏，电阻式触摸屏的驱动芯片是ADS7843、ADS7846、TSC2046、XPT2046 和 AK4182 等：

u8 CMD_RDX=0XD0； //读取X轴坐标命令

u8 CMD_RDY=0X90; //读取Y轴坐标命令

3. 电容式触摸屏检测原理

与电阻式触摸屏不同，电容式触摸屏不需要根据压力使接触点变形，再通过触点处电压值来检验坐标。

电容式触摸屏的基本原理和电容按键类似，都是利用电容的充放电原理，利用充电时间检测电容大小，从而通过检测出电容值的变化来获知触摸信号。

电容屏的最上层是玻璃，所以不会向电阻屏那样通过按压就产生明显的形变。核心层部分也是由ITO材料构成的，这些导电材料在屏幕里构成了人眼看不见的静态网，静态网由多行X轴电极和多列Y轴电极构成。两个电极之间会形成电容。

当触摸屏工作时，X轴电极会发出AC交流信号，而交流信号是能够穿过电容的，也可以说通过Y轴是可以感应出该信号的。当交流电穿越时电容会有充放电过程，检测该充电时间是可以获知电容量的。当手指触摸屏幕时，会影响接触点两端的电极发生耦合，明显改变两个电极之间的电容量，倘若检测到某电容的电容量发生了改变，即可获知该电容处有触摸动作。（所以可以称为电容式触摸屏，并且使用绝缘体触碰时不会产生电容变化）

电容屏的检测原理：

在电容屏的表面之下有X轴电极和Y轴电极，X轴电极发出AC交流信号后，交流信号通过电容会有充放电过程，通过Y轴电极检测这个充放电时间即可获得相应的电容值。当手指触摸屏幕时，触摸点的电容值会发生变化，通过下图具体了解可知，哪里的电容发生变化，即表示哪里发生了触摸现象。

实际上：检测Y轴电极检测的是充电时间，t=RC；其中R是整个电容屏的电阻，C是电容，手指触摸时，C电容会发生变化，进而使得充电时间 t 发生变化。

如上图，电极实际上是由多个菱形导体组成的，生产时使用蚀刻工艺在ITO层生成这样的结构。电极实际上是一连串菱形连在一起的。XY轴电极合并时，如右上图所示：

其扫描规则是这样的：

X轴电极依次扫描，Y轴电极同时扫描；比方说，X轴第一行发出AC交流信号后，由于耦合，会在第一行附近产生相应的电容，Y轴同时扫描，当扫描到哪一列的电容充电时间发生变化时，就意味着这一点产生了触摸信号。在X轴不断循环的过程中，依次扫描，在Y轴检测其触摸信号。右下图是单个XY电极产生的电容单元。

这也解释了为什么电容触摸屏可以同时检测多个信号？

意思就说：5个手指同时触摸电容屏是可以检测到的，而电阻屏不行。

因为X轴是依次循环的，第一根手指触摸读到第一个X；然后就会跳过这个X，读下一个X，用Y检测充电时间；上一个触摸点不会影响下一个触摸点。

STM32F4的4.3寸和7寸的LCD屏是电容式触摸屏，常见的两种电容触摸屏驱动IC：

①：GT9147（采用17*10的驱动结构）

GT9147的IIC地址，可以是0X14或者0X5D，当复位结束后的5ms内，如果INT是高电平，则使用0X14作为地址，否则使用0X5D作为地址。

控制命令寄存器：（0X8040）

该寄存器可以写入不同的值，实现不同的控制，我们一般使用0和2这两个值，写入2，即可软复位GT9147，在硬复位之后，一般要往该寄存器写2，实现软复位。然后，写入0，即可正确的读取坐标数据。

配置寄存器组：（0X8047~0X8100）

共186个寄存器，用于配置GT9147的各个参数。

产品ID寄存器：（0X8140~0X8143）

这总共有四个寄存器组成，用于保存产品ID，对于GT9147，这四个寄存器读出来的就是：9,1,4,7四个字符（ASCLL码值）。因此，可以通过该寄存器判断驱动IC的型号，究竟是GT9147还是OTT2001A。

状态寄存器：（0X814E）

这里关心最高位和低4位：最高位用于表示Buffer的状态，只要有数据存储（坐标/按键），那么Buffer就是1；最低4位用于表示有效触点的个数，范围是：0~5，0，表示没有触点，5表示有5点触摸。（这也是电容触摸屏多点触摸的显示）

坐标数据寄存器（共30个）：

坐标数据寄存器共分成5组（5个点），每组6个寄存器储存数据，以下是第一组的寄存器：

对于第一组触点X Y的坐标，只需要读取0X8150~0X8153的值组合即可得到触点的X Y坐标。

GT9147支持寄存器地址自增，我们只需要发送寄存器组的首地址，然后读取即可，GT9147会自动地址自增，从而提高读取速度。

②：OTT2001A（采用13*8的驱动结构）

它们与MCU连接通过4根线，SDA、SCL、RST、INT，所以显然它们是通过IIC通讯方式与MCU进行通讯的。

4. 硬件配置

我手中拿着的是STM32F4，LCD是3.5寸的电阻式触摸屏。

4.1 XPT2046驱动芯片

XPT2046是一款4导线制触摸屏控制器，内含12位分辨率125KHz转换速率逐步逼近型A/D转换器。XPT2046支持从1.5V到5.25V的低电压I/O接口。XPT2046能通过执行两次A/D转换查出被按的屏幕位置，除此之外，还可以测量加在触摸屏上的压力。内部自带2.5V参考电压可以用作辅助输入、温度测量和电池监测模式之用。XPT2046片内部集成了温度传感器。

X+：X+位置输入端

Y+：Y+位置输入端

X-：X-位置输入端

Y-：Y-位置输入端

$V_{ref}$ ：参考电压输入/输出

DOUT：串行数据输出端

BUSY：忙时信号线。CS为高电平时为高阻状态

DIN：串行数据输入端

CS：片选信号

CLK：时钟

PEN：PEN引脚会在触摸屏被按下的时候产生一个低电平，平时没有触摸的时候是高电平，手指一直按着，会一直是低电平，直到手指松开。

因此可以通过中断来检测PEN引脚是否是低电平，那么则让XPT2046芯片进行模拟和数字的转换。通过中断来检测下降沿。