电容触摸屏测试中的激励信号发生器的硬件电路设计

陈　翎，潘中良

（华南师范大学物理与电信工程学院，广东广州510006）

电容触摸屏测试中的激励信号发生器的硬件电路设计

陈翎，潘中良

（华南师范大学物理与电信工程学院，广东广州510006）

电容式触摸屏由于它具有响应时间短和透过率高等特点，近年来已成为一种主流的触摸屏，在智能终端和手机等产品中得到了广泛应用。首先给出了对电容触摸屏进行测试的硬件电路结构，它主要包含激励信号模块、控制模块、检测模块、探针模块、存储电路、LCD显示、键盘输入模块、接口模块等多个模块；其次，给出了激励信号模块的实现方法，采用DDS芯片AD9954来产生多种频率的信号波形。实验结果表明所给出的硬件电路结构可以产生所需要的多种类型的信号波形。因此，通过采用FPGA和DDS芯片来对激励信号发生器的硬件电路进行设计，能够较好地满足实际的对电容触摸屏测试的要求。

电容触摸屏；激励信号；直接数字频率合成；FPGA芯片

触摸屏作为一种人机交互的输入设备，已广泛应用于人们的日常生活的各个领域，例如，手机、数码相机、个人数字助理（PDA）、售票终端系统，并在工业控制、教育培训、信息查询、公共娱乐等领域有着广阔的应用前景［1，2］。

触摸屏分为如下几类：电阻式触摸屏、电容式触摸屏、红外线式触摸屏、表面声波触摸屏等，其中电容式触摸屏近年来在手机和移动电子设备中得到了广泛应用，它的类型主要分为表面式电容触摸屏和投射式电容触摸屏［3，4］。电容触摸屏的基本结构是：以一个单层玻璃为基板，在基板的内外表面上制作一层透明的导电薄膜，并在外表面的导电薄膜的四个角上设置四个电极。当手指触摸到触摸屏的上表面时，由于此时电容触摸屏通上了高频信号，因此人体和触摸屏的工作面就形成了一个耦合电容器，手指在触摸点会吸去一部分电荷即是形成一个微小的电流，该电流分别从触摸屏的四个电极输出，通过计算从这四个电极输出电流的比例，就可以获得触摸点的坐标位置。

在电容触摸屏的生产过程中，包括许多生产工序，例如磁控溅射、真空镀膜、曝光、显影、蚀刻、贴合、绑定等。为了确保触摸屏产品的质量，必需在生产过程中的多个工序对它进行测试［5］。近年来随着人们对电容触摸屏的可靠性的要求愈来愈高，因此，对电容触摸屏在出厂之前必需进行充分地检测。本文给出了在对电容触摸屏进行性能参数的测试时所使用的激励信号发生器的结构与实现方法。

1　电容触摸屏测试系统的结构

电容触摸屏测试系统主要包含如下模块：激励信号模块、控制模块、检测模块、探针模块、存储电路、LCD显示、键盘输入模块、接口模块等，如图1所示。对激励信号模块，采用直接数字频率合成（DDS）来进行设计，使用专用的DDS芯片AD9954来产生多种频率的信号波形。对AD9954的数据传送与控制，使用Altera公司Cyclone系列FPGA芯片EP1C3T144C8.对控制模块，是使用STC90单片机来作为整个硬件部分的控制单元。

图1　电容触摸屏测试系统的硬件结构

测试系统的工作流程是：在控制模块的作用下，由激励信号模块产生激励信号波形，通过探针模块将激励信号施加到触摸屏的扫描线上，由检测模块对扫描线间的电容进行检测，之后把测得的电容值保存到存储电路模块，并在LCD显示屏上进行显示，通过接口模块传送到微型计算机。对控制模块，它是对各种测试过程进行控制、进行测试数据的采集与处理。

2　激励信号模块的实现

对“激励信号模块”，采用直接数字频率合成（DDS）来设计，是性价比较好的方法。本文中使用专用的DDS芯片AD9954来产生多种频率的信号波形。

（1）DDS芯片。DDS技术是采用基于数字存储器的波形产生，其实现过程如下：它首先利用可程控的时钟信号作为地址计数器的计数时钟，把地址计数器的输出作为波形存储器的扫描地址；其次，由波形存储器输出相应地址所对应的数字幅度序列，并经过数模转换来生成该序列所对应的模拟波形，最后，使用低通滤波器对模拟波形进行平滑滤波，得到输出波形。

DDS芯片实现了直接数字频率合成的功能，在DDS芯片中有一个时钟源，它是由一个晶体振荡器来产生时钟，使用频率控制字作为相位累加器的输入，并由此来控制整个DDS芯片所产生的信号波形的频率和相位。相位累加器由一个累加器和一个相位寄存器所组成，它的输出数据是以一个固定步长为基础的线性递增序列，以说明所产生信号波形的相位信息。这里，把相位寄存器的输出与相位控制字的值相加，其结果是作为查找表的地址。

在系统时钟的控制下，相位累加器不断地的累加，进行查表的操作，把输入的地址信息转换为信号波形的幅度信号，并将该信号输出到数模转换器的输入端，之后，数模转换器就将数字量化形式的波形幅度值转换成一定频率的模拟信号，并将所需要的波形合成出来。由于相位累加器会受到字长的限制，在它累加到一定值时，就会产生一次累加溢出，为此波形存储器的地址就要循环一次，从而使输出的波形循环一次，此时相位累加器的溢出频率即为所合成的波形信号的频率。因此，通过改变相位累加器的溢出时间，在参考频率不变的条件下就可以改变所合成的波形信号的频率。

使用专用的DDS芯片AD9954来产生信号波形，AD9954是美国ADI公司生产的一款DDS芯片，由一个具有400MSPS的DDS核、14位DAC、比较器、参考时钟输入电路、时钟与控制电路、用户接口等六部分组成。其具有相位/幅度可编程、32位频率控制字、内置超高速模拟比较器、内部集成有1024字32位RAM、串行I/O控制等多种特性。由于AD9954内置了高速的D/A转换器和比较器，因此能产生上百MHz的模拟正弦波信号；利用AD9954内含的静态RAM可以实现对它的高速调制，并支持多种扫频模式；使用AD9954的串行I/O控制字，可以实现对信号波形频率的调整与控制。

（2）FPGA芯片。对DDS芯片AD9954的数据传送与控制，使用Altera公司Cyclone系列FPGA芯片EP1C3T144C8.该芯片支持多种外部存储器接口和数据输入与输出协议，并且含有丰富的存储器和嵌入式乘法器，而且该芯片使用1.5 V内核电压，可以降低整个电路的功耗。该芯片为DDS芯片特别是数模转换器提供时钟，并为外围器件提供数据总线接口和控制信号。

关于对多个电路模块的工作时钟的协调，数模转换器的工作时钟是由FPGA芯片来提供，而且DDS芯片的系统时钟和数模转换器的时钟的频率不相同，此时采用一个外部晶振电路给FPGA芯片提供一种时钟源信号，然后通过FPGA芯片的倍频或分频再向数模转换器和DDS芯片提供工作时钟。

对FPGA芯片的下载配置电路，由于Cyclone系列器件是使用SRAM单元来存储配置信息，而SRAM是一种易失性的存储器，它在每次掉电之后其存储的数据和信息就会丢失，为此，对Cyclone系列器件在每次上电时都必须下载配置数据，采用JTAG配置和主动配置方式。

（3）控制模块。对控制模块的实现，是使用STC90单片机来作为整个测试系统的控制单元，它具有8 K字节Flash存储器，工作频率最高可达80 MHz.首先，控制单元与外部晶振电路相连，对晶振电路输入信号进行调制，并通过FPGA芯片为DDS芯片提供工作时钟。其次，通过设计一个控制单元与FPGA芯片之间的接口电路，来实现从控制单元和接口模块向FPGA芯片和AD9954芯片传递相关的波形参数。具体地，把控制单元STC90的I/O引脚与FPGA芯片EP1C3T144C8的数据总线相连来传递波形参数。

3　激励信号波形的实验结果

在对电容触摸屏的测试系统的硬件电路设计中，是采用单片机来作为对整个系统的控制，即由它来控制FPGA和AD9954产生信号波形。同时，通过在软件设计时开发的下位机和上位机软件，使得可以通过使用键盘输入相关的波形例如频率与幅度等，来产生具有多种频率的信号波形，这里所产生的信号波形的频率为100 Hz、1 kHz、10 kHz等，信号类型为方波、三角波、正弦波等。图2是使用所设计的硬件电路来产生的几种信号波形。在图2中，（a）为1 kHz的方波，（b）为10 kHz的三角波，（c）为100 Hz的正弦波。

图2　产生的几种波形

4　结束语

对电容触摸屏的测试系统的硬件电路，激励信号的产生是一个关键部分，它所产生的激励信号的质量对整个测试系统的检测精度会产生较大的影响。本文通过采用DDS芯片、FPGA和单片机来对激励信号电路模块进行设计，可以产生具有多种频率的激励信号波形，能够较好地满足实际的对电容触摸屏测试的要求。

［1］潘中良.系统芯片SoC的设计与测试［M］.北京：科学出版社，2009.

［2］郭瑞，朱沛立.红外触摸屏响应分析及延时优化［J］.液晶与显示，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

广东省自然科学基金（2014A030313441）；广东省科技计划项目（2013B090600063，2014B090901005）；广州市科技计划项目（201510010169）资助。

陈翎（1968-），女，四川成都人，本科，工程师，研究方向：电路与系统。