便攜式檢測設備的觸摸屏人機界面設計

趙漢武，趙會珍，楊 佳

（1.空軍第一航空學院，河南 信陽 464000；2.河南省鎮平縣教師進修學校，河南 南陽 474250）

0 引言

小型化專用檢測設備廣泛應用于工業生產設備與軍事裝備的性能檢測，如對于某工業控制系統的檢測，需要下達模擬指令，同時觀察或者采集其響應；再如某型飛機供油閥選擇控制盒，對其進行完全的檢測需要模擬下達多達八種不同的指令。檢測項目越多，傳統的人機界面上需要布置的元件也就越多。例如上述的供油閥選擇控制盒，其原有檢查儀上一共設有八個選擇開關，幾十種選擇位，另有顯示屏、指示燈若干。操作元件越多，操作步驟也就越復雜，操作使用者面臨的困難也就越大，誤操作的可能性也會變高。因此，傳統檢測界面上的人機交互方式已經難以適應現代化生產以及信息化作戰對于檢測與保障效率提高的要求，迫切需要一種能夠簡化界面、提高友好程度的交互方式。

隨著消費電子產業的發展，觸摸屏技術近年來得到了飛速的發展。使用觸摸屏作為檢測設備的界面具有顯著的優點：面板簡捷、操作友好，因為取消了很多機械式的開關、旋鈕或者鍵盤，成本還有可能降低。近年來的一些行業檢測設備開始逐漸采用觸摸屏作為顯控交互的界面[1,5]，也反映了這一新型交互方式的發展潛力。

1 工業用觸摸屏

觸摸屏又稱為觸控面板，是可接收觸頭等輸入訊號的感應式液晶顯示裝置，當接觸了屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺反饋系統可根據預先編程的程序驅動各種連接裝置，可用以取代機械式的按鈕面板，并借由液晶屏顯示出豐富的畫面效果。

1.1 觸摸屏組成

觸摸屏的本質是傳感器加上控制器。作為傳感器的檢測部件安裝在觸摸屏顯示器屏幕的前面，用于檢測用戶的觸摸位置，然后將信息送至觸摸屏控制器。觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點檢測裝置接收觸摸信息，并將它轉化為觸點坐標并發送給上位機處理器，同時接收處理器送來的指令并執行。

1.2 常用觸摸屏分類及工作原理

從技術原理來區分觸摸屏，可分為四個基本種類[3]：電阻技術觸摸屏、電容技術觸摸屏、紅外線技術觸摸屏和表面聲波技術觸摸屏。目前在工業上最常用的是電阻技術觸摸屏和電容技術觸摸屏，下面簡單介紹這兩類觸摸屏的工作原理。

電阻式觸摸屏利用壓力感應進行控制。其主要部分是一塊與顯示器表面非常貼合的電阻薄膜屏，這層薄膜是一種多層的復合薄膜，以一層玻璃或硬塑料平板作為基層，表面涂有一層透明氧化金屬導電層，上面再蓋有一層外表面硬化處理、光滑防擦的塑料層，塑料層的內表面也涂有一個涂層，該涂層與導電層之間有許多細小的透明隔離點把兩層隔開絕緣。當手指觸摸屏幕時，兩導電層在觸摸點位置就有了接觸，因而電阻發生變化，在觸摸點位置就產生了信號，該信號再送到觸摸屏控制器。

和電阻式觸摸屏不同，電容式觸摸屏利用人體的電流感應進行工作。電容式觸摸屏是一塊四層復合玻璃屏，玻璃屏的內表面和夾層各涂有一層ITO，最外層是一薄層矽土玻璃保護層，夾層ITO 涂層作為工作面，四個角上引出四個電極，內層ITO為屏蔽層，以保護良好的工作環境。當手指觸摸在金屬層上時，由于人體電場，用戶和觸摸屏表面形成一個耦合電容，對于高頻電流來說，電容是直接導體，于是手指從接觸點吸走一個很小的電流。這個電流分別從觸摸屏四個角的電極中流出，并且流經這四個電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過對這四個電流比例的精確計算，就可以得到觸摸點的位置。

1.3 觸摸屏控制器

觸摸屏控制器是觸摸屏控制的核心。常見的四線電阻 屏 控 制 芯 片 包 括 ADS7843、XPT2046、AD7146、AD5003、TS9638 等，芯片內還具有控制通信接口，容易實現數據接口的連接[2,4]。除控制芯片外，控制器內往往還使用了片上系統，如基于FPGA 或者ARM 等設計的控制系統，具備資源豐富、設計靈活、可以重復編程等優點。使用片上系統可以預先存儲大量的界面圖片到存儲器中，同時構建與上位機處理器之間更為簡單、友好的交互方式。因此，這種控制器得到了越來越廣泛的應用。

2 人機界面控制方式

因為觸摸屏控制器的功能越來越豐富，人機界面交互的方式也越來越靈活。此處以深圳新雁飛科技開發的XFS80480T070-TP 型7 英寸觸摸屏為例，介紹此類觸摸屏交互界面的開發流程和方法。

2.1 通信數據類型

XFS80480T070-TP 是一種串口控制觸摸屏，簡單來說，用戶只需要掌握UART 通信的知識，即可開發觸摸屏作為其交互界面。觸摸屏串口接收和發送的數據模式為8n1，每個數據的傳送采用10位：1個起始位，8個數據位（LSB，低位在前），1個停止位。每個數據幀包含有多個數據，每幀包括四類數據塊，如表1所示，分別為幀頭、指令代碼、數據、幀結束。

該型觸摸屏的控制器內有一個高達4096 字節的通信幀緩沖區，通信幀緩沖區為FIFO（先進先出寄存器）結構，只要通信緩沖不溢出，用戶就可以連續傳送數據給觸摸屏控制器。

表1 數據幀結構說明Tab.1 Introduction of data frame

如果所需刷新的屏幕數據量較大，則需要判斷通信是否繁忙。該觸摸屏控制器有一個硬件引腳（用戶接口中的 “BUSY”引腳）指示了FIFO 緩沖區的狀態，正常時，BUSY 引腳為高電平（RS232 接口為負電平），當FIFO 緩沖區可用空間小于256 字節時，BUSY 引腳會立即變成低電平（RS232 接口為正電平）。建議使用BUSY 信號來控制串口發送，當BUSY 信號為低電平時，就不用發送數據給觸摸屏控制器。不過，對于一般數據量不是很大的應用，由于控制器的處理速度非常快，緩沖區又相對很大，用戶可以不判斷BUSY 信號的狀態。

2.2 預設界面圖片

開發過程中，利用廠家提供的客戶端軟件，將相關界面顯示圖片下載到觸摸屏控制器的存儲器內。該款觸摸屏的圖片下載界面如圖1所示。圖片可利用Photoshop 等編輯軟件按照屏幕分辨率預先制好。每幅圖片都有一個獨一無二的編號，該編號在交互時可通過上位機程序調用。該型觸摸屏控制器的存儲容量可達64M 字節，能夠滿足一般的檢測需求。

另外，還需要劃定好按鍵位置，指定按鍵的響應代碼。這樣，在執行過程中，如果按壓了觸摸屏上的某個按鍵位置，則觸摸屏控制器就會自動將此按鍵對應的鍵碼發送到上位機，便于上位機程序做出響應。

2.3 界面顯示交互

圖1 界面圖片預設示意圖Fig.1 Preset of interface pictures

圖2 單片機與觸摸屏連接Fig.2 Communication between MCU and touch screen

圖片、鍵碼設定完畢后，觸摸屏就可以投入到各種便攜式檢測設備內，作為交互的界面。如某型檢測設備使用了C8051F040 單片機作為核心電路，可利用該單片機的UART 接口與觸摸屏直接相連，如圖2所示。圖中單片機的P2.0 口用作空閑/繁忙的標志位。

該型觸摸屏的一大優勢是可以選擇 “自動”或者 “手動”的方式切換顯示內容。所謂 “自動”，是指用戶在配置圖片內容時，已經按順序指定了圖片切換的方式，則在連接檢測設備工作時，即可按照指定的方式自動切換。比如，按壓了按鍵1，屏上顯示圖片1，按壓按鍵2，顯示圖片2 及文本3 等，這些自動切換是設置在觸摸屏的控制器內的，不需要用戶再在上位機微處理器主程序中設置。而 “手動”方式則指嚴格按照上位機的程序指令，一步一步顯示各圖片。顯然，采用自動方式可減輕上位機軟件開發的壓力，使得用戶在開發過程中，集中精力于檢測的流程，而不需過多分心于顯示什么界面。

3 結束語

觸摸屏是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式，具有堅固耐用、反應速度快、節省空間、易于交流等許多優點。將觸摸屏應用于小型化檢測設備作為與操作人員交互的界面，可作為改造老舊檢測設備的一種途徑，簡化交互方式，方便操作維護，是一種具有長遠發展潛力的升級手段。

[1]陳鵬，鄭豐隆，等.基于C8051F310 和觸摸屏的煤礦通風機后備保護儀設計[J].煤礦機電，2013，3.

[2]劉艷彬，雒作濤，等.PIC 單片機與eView 觸摸屏串行通信的實現[J].自動化應用，2013，6.

[3]王闊.指尖上的技術——德普特工程師談觸摸屏技術與發展[J].微型計算機，2013，3～4.

[4]魏安琪.淺析基于單片機的液晶觸摸屏控制系統[J].信息系統工程，2013，4.

[5]李漢，葉偉強.基于觸摸屏的控制裝置及其應用[J].自動化技術與應用，2013，3.