陳　翎，潘中良

（華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣東廣州510006）

電容觸摸屏測試中的激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器的硬件電路設(shè)計(jì)

陳翎，潘中良

（華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣東廣州510006）

電容式觸摸屏由于它具有響應(yīng)時(shí)間短和透過率高等特點(diǎn)，近年來已成為一種主流的觸摸屏，在智能終端和手機(jī)等產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。首先給出了對(duì)電容觸摸屏進(jìn)行測試的硬件電路結(jié)構(gòu)，它主要包含激勵(lì)信號(hào)模塊、控制模塊、檢測模塊、探針模塊、存儲(chǔ)電路、LCD顯示、鍵盤輸入模塊、接口模塊等多個(gè)模塊；其次，給出了激勵(lì)信號(hào)模塊的實(shí)現(xiàn)方法，采用DDS芯片AD9954來產(chǎn)生多種頻率的信號(hào)波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所給出的硬件電路結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生所需要的多種類型的信號(hào)波形。因此，通過采用FPGA和DDS芯片來對(duì)激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器的硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠較好地滿足實(shí)際的對(duì)電容觸摸屏測試的要求。

電容觸摸屏；激勵(lì)信號(hào)；直接數(shù)字頻率合成；FPGA芯片

觸摸屏作為一種人機(jī)交互的輸入設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于人們的日常生活的各個(gè)領(lǐng)域，例如，手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）、售票終端系統(tǒng)，并在工業(yè)控制、教育培訓(xùn)、信息查詢、公共娛樂等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［1，2］。

觸摸屏分為如下幾類：電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、紅外線式觸摸屏、表面聲波觸摸屏等，其中電容式觸摸屏近年來在手機(jī)和移動(dòng)電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，它的類型主要分為表面式電容觸摸屏和投射式電容觸摸屏［3，4］。電容觸摸屏的基本結(jié)構(gòu)是：以一個(gè)單層玻璃為基板，在基板的內(nèi)外表面上制作一層透明的導(dǎo)電薄膜，并在外表面的導(dǎo)電薄膜的四個(gè)角上設(shè)置四個(gè)電極。當(dāng)手指觸摸到觸摸屏的上表面時(shí)，由于此時(shí)電容觸摸屏通上了高頻信號(hào)，因此人體和觸摸屏的工作面就形成了一個(gè)耦合電容器，手指在觸摸點(diǎn)會(huì)吸去一部分電荷即是形成一個(gè)微小的電流，該電流分別從觸摸屏的四個(gè)電極輸出，通過計(jì)算從這四個(gè)電極輸出電流的比例，就可以獲得觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)位置。

在電容觸摸屏的生產(chǎn)過程中，包括許多生產(chǎn)工序，例如磁控濺射、真空鍍膜、曝光、顯影、蝕刻、貼合、綁定等。為了確保觸摸屏產(chǎn)品的質(zhì)量，必需在生產(chǎn)過程中的多個(gè)工序?qū)λM(jìn)行測試［5］。近年來隨著人們對(duì)電容觸摸屏的可靠性的要求愈來愈高，因此，對(duì)電容觸摸屏在出廠之前必需進(jìn)行充分地檢測。本文給出了在對(duì)電容觸摸屏進(jìn)行性能參數(shù)的測試時(shí)所使用的激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方法。

1　電容觸摸屏測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

電容觸摸屏測試系統(tǒng)主要包含如下模塊：激勵(lì)信號(hào)模塊、控制模塊、檢測模塊、探針模塊、存儲(chǔ)電路、LCD顯示、鍵盤輸入模塊、接口模塊等，如圖1所示。對(duì)激勵(lì)信號(hào)模塊，采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）來進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用專用的DDS芯片AD9954來產(chǎn)生多種頻率的信號(hào)波形。對(duì)AD9954的數(shù)據(jù)傳送與控制，使用Altera公司Cyclone系列FPGA芯片EP1C3T144C8.對(duì)控制模塊，是使用STC90單片機(jī)來作為整個(gè)硬件部分的控制單元。

圖1　電容觸摸屏測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

測試系統(tǒng)的工作流程是：在控制模塊的作用下，由激勵(lì)信號(hào)模塊產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)波形，通過探針模塊將激勵(lì)信號(hào)施加到觸摸屏的掃描線上，由檢測模塊對(duì)掃描線間的電容進(jìn)行檢測，之后把測得的電容值保存到存儲(chǔ)電路模塊，并在LCD顯示屏上進(jìn)行顯示，通過接口模塊傳送到微型計(jì)算機(jī)。對(duì)控制模塊，它是對(duì)各種測試過程進(jìn)行控制、進(jìn)行測試數(shù)據(jù)的采集與處理。

2　激勵(lì)信號(hào)模塊的實(shí)現(xiàn)

對(duì)“激勵(lì)信號(hào)模塊”，采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）來設(shè)計(jì)，是性價(jià)比較好的方法。本文中使用專用的DDS芯片AD9954來產(chǎn)生多種頻率的信號(hào)波形。

（1）DDS芯片。DDS技術(shù)是采用基于數(shù)字存儲(chǔ)器的波形產(chǎn)生，其實(shí)現(xiàn)過程如下：它首先利用可程控的時(shí)鐘信號(hào)作為地址計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘，把地址計(jì)數(shù)器的輸出作為波形存儲(chǔ)器的掃描地址；其次，由波形存儲(chǔ)器輸出相應(yīng)地址所對(duì)應(yīng)的數(shù)字幅度序列，并經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換來生成該序列所對(duì)應(yīng)的模擬波形，最后，使用低通濾波器對(duì)模擬波形進(jìn)行平滑濾波，得到輸出波形。

DDS芯片實(shí)現(xiàn)了直接數(shù)字頻率合成的功能，在DDS芯片中有一個(gè)時(shí)鐘源，它是由一個(gè)晶體振蕩器來產(chǎn)生時(shí)鐘，使用頻率控制字作為相位累加器的輸入，并由此來控制整個(gè)DDS芯片所產(chǎn)生的信號(hào)波形的頻率和相位。相位累加器由一個(gè)累加器和一個(gè)相位寄存器所組成，它的輸出數(shù)據(jù)是以一個(gè)固定步長為基礎(chǔ)的線性遞增序列，以說明所產(chǎn)生信號(hào)波形的相位信息。這里，把相位寄存器的輸出與相位控制字的值相加，其結(jié)果是作為查找表的地址。

在系統(tǒng)時(shí)鐘的控制下，相位累加器不斷地的累加，進(jìn)行查表的操作，把輸入的地址信息轉(zhuǎn)換為信號(hào)波形的幅度信號(hào)，并將該信號(hào)輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端，之后，數(shù)模轉(zhuǎn)換器就將數(shù)字量化形式的波形幅度值轉(zhuǎn)換成一定頻率的模擬信號(hào)，并將所需要的波形合成出來。由于相位累加器會(huì)受到字長的限制，在它累加到一定值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一次累加溢出，為此波形存儲(chǔ)器的地址就要循環(huán)一次，從而使輸出的波形循環(huán)一次，此時(shí)相位累加器的溢出頻率即為所合成的波形信號(hào)的頻率。因此，通過改變相位累加器的溢出時(shí)間，在參考頻率不變的條件下就可以改變所合成的波形信號(hào)的頻率。

使用專用的DDS芯片AD9954來產(chǎn)生信號(hào)波形，AD9954是美國ADI公司生產(chǎn)的一款DDS芯片，由一個(gè)具有400MSPS的DDS核、14位DAC、比較器、參考時(shí)鐘輸入電路、時(shí)鐘與控制電路、用戶接口等六部分組成。其具有相位/幅度可編程、32位頻率控制字、內(nèi)置超高速模擬比較器、內(nèi)部集成有1024字32位RAM、串行I/O控制等多種特性。由于AD9954內(nèi)置了高速的D/A轉(zhuǎn)換器和比較器，因此能產(chǎn)生上百M(fèi)Hz的模擬正弦波信號(hào)；利用AD9954內(nèi)含的靜態(tài)RAM可以實(shí)現(xiàn)對(duì)它的高速調(diào)制，并支持多種掃頻模式；使用AD9954的串行I/O控制字，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)波形頻率的調(diào)整與控制。

（2）FPGA芯片。對(duì)DDS芯片AD9954的數(shù)據(jù)傳送與控制，使用Altera公司Cyclone系列FPGA芯片EP1C3T144C8.該芯片支持多種外部存儲(chǔ)器接口和數(shù)據(jù)輸入與輸出協(xié)議，并且含有豐富的存儲(chǔ)器和嵌入式乘法器，而且該芯片使用1.5 V內(nèi)核電壓，可以降低整個(gè)電路的功耗。該芯片為DDS芯片特別是數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供時(shí)鐘，并為外圍器件提供數(shù)據(jù)總線接口和控制信號(hào)。

關(guān)于對(duì)多個(gè)電路模塊的工作時(shí)鐘的協(xié)調(diào)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的工作時(shí)鐘是由FPGA芯片來提供，而且DDS芯片的系統(tǒng)時(shí)鐘和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘的頻率不相同，此時(shí)采用一個(gè)外部晶振電路給FPGA芯片提供一種時(shí)鐘源信號(hào)，然后通過FPGA芯片的倍頻或分頻再向數(shù)模轉(zhuǎn)換器和DDS芯片提供工作時(shí)鐘。

對(duì)FPGA芯片的下載配置電路，由于Cyclone系列器件是使用SRAM單元來存儲(chǔ)配置信息，而SRAM是一種易失性的存儲(chǔ)器，它在每次掉電之后其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和信息就會(huì)丟失，為此，對(duì)Cyclone系列器件在每次上電時(shí)都必須下載配置數(shù)據(jù)，采用JTAG配置和主動(dòng)配置方式。

（3）控制模塊。對(duì)控制模塊的實(shí)現(xiàn)，是使用STC90單片機(jī)來作為整個(gè)測試系統(tǒng)的控制單元，它具有8 K字節(jié)Flash存儲(chǔ)器，工作頻率最高可達(dá)80 MHz.首先，控制單元與外部晶振電路相連，對(duì)晶振電路輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并通過FPGA芯片為DDS芯片提供工作時(shí)鐘。其次，通過設(shè)計(jì)一個(gè)控制單元與FPGA芯片之間的接口電路，來實(shí)現(xiàn)從控制單元和接口模塊向FPGA芯片和AD9954芯片傳遞相關(guān)的波形參數(shù)。具體地，把控制單元STC90的I/O引腳與FPGA芯片EP1C3T144C8的數(shù)據(jù)總線相連來傳遞波形參數(shù)。

3　激勵(lì)信號(hào)波形的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在對(duì)電容觸摸屏的測試系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)中，是采用單片機(jī)來作為對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，即由它來控制FPGA和AD9954產(chǎn)生信號(hào)波形。同時(shí)，通過在軟件設(shè)計(jì)時(shí)開發(fā)的下位機(jī)和上位機(jī)軟件，使得可以通過使用鍵盤輸入相關(guān)的波形例如頻率與幅度等，來產(chǎn)生具有多種頻率的信號(hào)波形，這里所產(chǎn)生的信號(hào)波形的頻率為100 Hz、1 kHz、10 kHz等，信號(hào)類型為方波、三角波、正弦波等。圖2是使用所設(shè)計(jì)的硬件電路來產(chǎn)生的幾種信號(hào)波形。在圖2中，（a）為1 kHz的方波，（b）為10 kHz的三角波，（c）為100 Hz的正弦波。

圖2　產(chǎn)生的幾種波形

4　結(jié)束語

對(duì)電容觸摸屏的測試系統(tǒng)的硬件電路，激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生是一個(gè)關(guān)鍵部分，它所產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)的質(zhì)量對(duì)整個(gè)測試系統(tǒng)的檢測精度會(huì)產(chǎn)生較大的影響。本文通過采用DDS芯片、FPGA和單片機(jī)來對(duì)激勵(lì)信號(hào)電路模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以產(chǎn)生具有多種頻率的激勵(lì)信號(hào)波形，能夠較好地滿足實(shí)際的對(duì)電容觸摸屏測試的要求。

［1］潘中良.系統(tǒng)芯片SoC的設(shè)計(jì)與測試［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［2］郭瑞，朱沛立.紅外觸摸屏響應(yīng)分析及延時(shí)優(yōu)化［J］.液晶與顯示，2015，30（6）：1057-1062.

［3］L.S.Yu，L.W.Huan，W.Y.Jun.One glass single ITO layer so lution for large size projected-capacitive touch panels［J］. Journal of Display Technology，2015，11（9）：725-729.

［4］K.H.Sik，H.K.Young.High-SNR capacitive multi-touch sensing technique for AMOLED display panels［J］.IEEE Sen sors Journal，2106，16（4）：859-860.

［5］A.Humza，K.Ramakrishna.A methodology for evaluating accuracy of capacitive touch sensing grid patterns［J］.Journal of Display Technology，2014，10（8）：672-682.

Design of the Hardware Circuitof the Excitation Signal Generator in the Testof Capacitive Touch Screen

CHEN Ling，PAN Zhong-liang
（School of Physics and Telecommunication Engineering，South China Normal University，Guangzhou Guangdong 510006，China）

Due to its short response time and high transmission rate，capacitive touch screen has been widely used in the smart terminal and mobile phone.Firstly，the hardware circuit structure is given for the test of capacitive touch screen，itmainly includes the excitation signalmodule，controlmodule，detection module，probe module，storage circuit，LCD display，keyboard inputmodule and interface module.Secondly，the realization method of excitation signals module is given，which uses DDS chip AD9954 to generate signal waveforms with multiple frequency.The experimental results show that the hardware circuit structure can generate multiple types of signal waveforms.Therefore，it can meet the actual test requirements of capacitive touch screen by using FPGA and DDS chips to design the hardware circuit of excitation signal generator.

capacitive touch screen；excitation signal；direct digital frequency synthesis；FPGA chips.

TP334.2

A

1672-545X（2016）06-0004-03

2016-03-24

廣東省自然科學(xué)基金（2014A030313441）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013B090600063，2014B090901005）；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（201510010169）資助。

陳翎（1968-），女，四川成都人，本科，工程師，研究方向：電路與系統(tǒng)。