摘要：觸摸屏作為人機(jī)界面應(yīng)用于氣相色譜儀控制系統(tǒng)，在彩色lcd的配合下可實(shí)現(xiàn)可視化控制。本系統(tǒng)是基于s3c44b0嵌入式開發(fā)平臺(tái)，但是此處理器無(wú)spi總線接口寄存器，只能通過軟件模擬spi，實(shí)現(xiàn)與ads7846通信。文中給出了觸摸屏數(shù)據(jù)采集的流程和用c語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的模擬spi通信程序。
1、引言
氣相色譜儀是應(yīng)用面極廣，數(shù)量較大的分析儀器中zui重要的一大類科學(xué)儀器。在石油、天然氣、精細(xì)化工、冶金、電力、醫(yī)學(xué)、衛(wèi)生、糧油、食品、環(huán)保、氣體、技術(shù)監(jiān)督和國(guó)防科研等領(lǐng)域中，幾乎成為現(xiàn)代分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室*的分析儀器之一。隨著氣相色譜儀的普及，客戶對(duì)系統(tǒng)的要求逐步提高，不僅要求其有良好的運(yùn)轉(zhuǎn)性能，而且需要實(shí)時(shí)、直觀地顯示工作狀態(tài)，要求操作人員根據(jù)實(shí)際情況方便地調(diào)整系統(tǒng)的工作參數(shù)，數(shù)據(jù)的采集、分析、判斷、參數(shù)顯示。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)開發(fā)了可視化的控制系統(tǒng)，能夠可視化地顯示系統(tǒng)狀態(tài)、提供*圖形化的操作方法，而且成本較低。
2、氣相色譜儀原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
色相色譜儀技術(shù)的基本原理是（如圖1）：當(dāng)氣體樣品通過一定的進(jìn)樣方式送入色譜系統(tǒng)后，樣品中混合物的各組分在流動(dòng)相（載氣）的帶動(dòng)下，通過稱為色譜柱的固定相，利用各組分在流動(dòng)相中具有不同的吸附能力，當(dāng)二相作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，樣品中各組分就會(huì)在二相中反復(fù)多次（103～106）受到上述各種作用力的作用，從而使混合物中各組分獲得分離，被分離后的單一組分隨載氣進(jìn)入檢測(cè)器的系統(tǒng)，獲得非電量轉(zhuǎn)換，將化學(xué)成分轉(zhuǎn)變成與其濃度成正比的電信號(hào)，然后通過這些電信號(hào)的不同來分析樣品成分。
圖1氣相色譜儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
如圖1所示，該氣相色譜儀的控制系統(tǒng)主要由嵌入式控制系統(tǒng)（mcu）、一個(gè)溫度檢測(cè)器、一個(gè)載氣流量檢測(cè)控制器和一個(gè)樣品流量檢測(cè)控制、再加一個(gè)高阻抗放大器（帶光電隔離器）組成，其主要特點(diǎn)是mcu外接了帶觸摸屏的彩色lcd作為人機(jī)界面。本系統(tǒng)的工作原理是首先通過觸摸屏上不同的觸點(diǎn)使mcu分別向載氣和樣品流量控制器發(fā)送參數(shù)設(shè)定指令，為了達(dá)到可靠性，此命令通過rs485串口總線發(fā)送;啟動(dòng)這個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)后，可以通過觸摸屏實(shí)時(shí)的發(fā)送查詢各檢測(cè)器狀態(tài)的指令，當(dāng)溫度檢測(cè)器，流量檢測(cè)控制器收到指令后，符合自己的，則把自己的狀態(tài)信息也通過rs485串口總線發(fā)送到mcu，mcu收到數(shù)據(jù)后在彩色lcd顯示相應(yīng)的信息，如溫度曲線、流量曲線等;色譜儀的檢測(cè)器把檢測(cè)到的信息通過高阻抗放大器變化以后把檢測(cè)到的結(jié)果顯示在lcd上，直觀的查看樣品的成分。同時(shí)，mcu通過以太網(wǎng)把收到的數(shù)據(jù)傳到pc機(jī)上，做備份;pc終端也可通過mcu對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。為了協(xié)調(diào)mcu和各檢測(cè)控制器的通信，我們自己制定了一套內(nèi)部通信協(xié)議。整個(gè)系統(tǒng)都是按照l(shuí)cd上的提示，通過觸摸屏來控制的。
3、硬件實(shí)現(xiàn)
我們開發(fā)了arm7開發(fā)板（處理器為samsung公司的arm7tdmi內(nèi)核的s3c44b0，數(shù)據(jù)位寬是32位，主頻可達(dá)66mhz）作為中低端嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。此處理器內(nèi)建了lcd控制器（zui大支持256色stn，使用dma）;2個(gè)異步串口控制器（支持irda1.0，16字節(jié)的fifo）;提供復(fù)合功能的71個(gè)通用i/o端口，供我們外接其他設(shè)備。
本系統(tǒng)的觸摸屏采用了amd公司的電阻式觸摸屏amt9502型，該電阻觸摸屏的屏體部分是一塊與顯示器表面非常配合的多層復(fù)合薄膜，由一層有機(jī)玻璃作為基層，表面涂有一層透明的導(dǎo)電層，上面再蓋有一層外表面硬化處理、光滑防刮的塑料層，它的內(nèi)表面涂有一層透明導(dǎo)電層，在兩層導(dǎo)電層之間有許多細(xì)?。ㄐ∮?/1000英寸）的透明隔離點(diǎn)把它們隔開絕緣。當(dāng)筆觸摸屏幕時(shí)，兩層導(dǎo)電層在觸摸點(diǎn)位置就有了接觸，電阻發(fā)生變化，在x和y兩個(gè)方向上產(chǎn)生信號(hào)，然后送觸摸屏控制器，計(jì)算出（x，y）的位置。
觸摸屏控制芯片采用的是ti公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ads7846，此芯片是一種典型的12位取樣的逐步近似寄存器（sar）a/d轉(zhuǎn)換器。除了基本的觸摸點(diǎn)位置的測(cè)量外，還可進(jìn)行觸摸壓力的測(cè)量。芯片內(nèi)部提供的2.5v參考電壓可用于輔助輸入，電池監(jiān)控器和溫度測(cè)量。其自動(dòng)節(jié)電功能可以保證很低的功率損耗，對(duì)于低功耗的嵌入式系統(tǒng)電路非常適合。本文只應(yīng)用其作為觸摸屏控制器的基本功能。
ads7846經(jīng)過a/d把坐標(biāo)值傳給mcu，mcu經(jīng)過處理后在lcd上顯示相應(yīng)的信息或通過rs485發(fā)出相應(yīng)的指令;ads7846同時(shí)能接收mcu發(fā)來的命令并加以執(zhí)行。ads7846和外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換是使用spi總線，而s3c44b0沒有spi總線接口，所以只能采用通用i/o口軟件模擬spi，詳細(xì)硬件接線如圖2。
圖2.觸摸屏硬件連接圖
4、軟件實(shí)現(xiàn)
為了獲得一個(gè)坐標(biāo)值，ads7846與mcu之間需經(jīng)過3個(gè)spi的時(shí)鐘傳送（見圖4）。*次從din向ads7846發(fā)送測(cè)量命令字（見表1，設(shè)置見表2）。當(dāng)ads7846接收到命令字的前五位后，a/d轉(zhuǎn)換器進(jìn)入采樣階段?？刂谱止?jié)輸入完畢后，等待busy為低后，在每個(gè)dclk的下降沿，a/d轉(zhuǎn)換的坐標(biāo)值從高位到低位逐位從dout引腳向mcu輸出。12位的a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)在第13個(gè)dclk時(shí)鐘傳送完畢。因此，有效數(shù)據(jù)是前12位，后面4位補(bǔ)0。
圖3ads794624個(gè)clock的時(shí)序轉(zhuǎn)換圖
表1ads7846測(cè)量命令字（8bit）
表2差分方式下（ser/dfrlow）命令字與測(cè)量坐標(biāo)值的關(guān)系
1）s3c44b0的初始化處理
由于s3c44b0沒有spi接口，本文采用通用io口模擬spi，具體寄存器設(shè)置如下：
通常ads7846工作在筆中斷模式，ads7846檢測(cè)到筆落下時(shí)，通過發(fā)出中斷信號(hào)，s3c44b0的eint3在下降沿觸發(fā)的情況下，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。我們?cè)诔绦蛑卸x了兩個(gè)全局變量，一個(gè)用來記錄經(jīng)ads7846轉(zhuǎn)換后輸出觸點(diǎn)的x和y坐標(biāo)值，另一個(gè)用來表示筆的當(dāng)前工作狀態(tài)：
staticstructpen_position｛
unsignedshortx;
unsignedshorty;
unsignedcharpen_state;
｝first,second;
其中pen_state的值反映筆的狀態(tài)，為0是表示筆抬起，為1時(shí)筆落下。在對(duì)i/o寄存器的適當(dāng)配置后，首先，s3c44b0通過din向ads7846發(fā)送一個(gè)空命令字0x80（pd1,pd0都為0）來啟動(dòng)中斷功能，使為高,才能響應(yīng)筆中斷的產(chǎn)生。c語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)發(fā)送命令字程序如下：
voidsend_controlbit（intcmd）
｛……
for（i=0;i#lt;8;i）
｛
rpdatf=（cmd#gt;#gt;（7-i））;/＊通過pf0逐位輸出控制比特＊/
delay（20）;//delay20ns
rpdatg|=0x40;/＊使pg6為1，即dclk為高＊/
delay（220）;/＊delay220ns＊/
rpdatg#=0xbf;/＊使pg6為0，即dclk為低＊/
delay（200）;/＊delay200ns＊/
｝
｝
2）數(shù)據(jù)的采集
圖5數(shù)據(jù)采集流程
為了使系統(tǒng)實(shí)時(shí)的響應(yīng)外部中斷處理，在進(jìn)入筆中斷服務(wù)程序以后，把pen_state變?yōu)?，立即跳出中斷，程序隨即進(jìn)入坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換和讀取階段，具體流程見圖5。要完成x、y坐標(biāo)值的轉(zhuǎn)換和讀取，mcu需分別向ads7846發(fā)測(cè)量命令字，x坐標(biāo)測(cè)量命令字（0xd3）、y坐標(biāo)測(cè)量命令字（0x93）。讀取坐標(biāo)值的c程序如下：
inttouch_getxy（）
｛……
for（i=;i#lt;16;i）
｛rpdatg|=0x40;/＊dclk為高＊/
temp=（rpdatf#gt;#gt;7）;
temp#=0x1;/＊通過pf7逐位讀取坐標(biāo)值＊/
data|=temp#lt;#lt;（15-i）;/＊把數(shù)據(jù)暫存在temp1＊/
delay（220）;/＊delay220ns＊/
rpdatg#=0xbf;/＊dclk為低＊/
delay（220）;/＊delay220ns＊/
｝
data#=0xffff;
data=（data#gt;#gt;4）;/＊剔除后面4個(gè)0＊/
return（data）;/＊返回坐標(biāo)值＊/
｝
由于筆與觸摸屏接觸的壓力大小、時(shí)間長(zhǎng)短，會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)的抖動(dòng)，這對(duì)于采集正確的觸點(diǎn)位置值有一定的影響。本文采用兩次采樣的方法來消除觸點(diǎn)的抖動(dòng)，在程序中定義了一個(gè)計(jì)數(shù)器count，計(jì)算采樣次數(shù)，當(dāng)讀取兩次后跳出采樣程序。得到兩次坐標(biāo)值分別為（fisrt.x，first.y）、（second.x，second.y），然后比較其差值，如果小于一定的值，則有效，并取其平均值;否則判為采樣錯(cuò)誤，重新采樣。
通過觸摸屏和lcd的配合，此種方法取得了較好的實(shí)際效果，基本上消除了觸點(diǎn)抖動(dòng)的影響。
5、總結(jié)
本文所介紹的程序已經(jīng)在s3c44b0平臺(tái)上經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，并與彩色lcd相配合，可提供可視化的人機(jī)界面。本系統(tǒng)應(yīng)用到了氣相色譜儀工作站上，操作者可以直觀的查看溫度檢測(cè)器、流量控制器的運(yùn)行狀況，同時(shí)可以實(shí)時(shí)地修改控制參數(shù)，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。