TSC2200：PDA模擬接口電路的全面解析

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，模擬接口電路起著至關(guān)重要的作用，它能實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換和處理。今天我們要深入探討的是德州儀器（Texas Instruments）的TSC2200，一款專為個(gè)人數(shù)字助理（PDA）等設(shè)備設(shè)計(jì)的模擬接口電路。

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一、TSC2200概述

TSC2200是一款功能強(qiáng)大的模擬接口電路，適用于人機(jī)交互設(shè)備。它采用基于寄存器的架構(gòu)，通過標(biāo)準(zhǔn)SPI總線與基于微處理器的系統(tǒng)輕松集成。所有外設(shè)功能都可通過寄存器和板載狀態(tài)機(jī)進(jìn)行控制。其主要組成部分包括觸摸屏接口、鍵盤接口、電池監(jiān)測器、輔助輸入、溫度監(jiān)測器和電流輸出D/A轉(zhuǎn)換器。

1.1 特性亮點(diǎn)

• 多接口支持：具備4線觸摸屏接口和4x4鍵盤接口，能滿足不同輸入設(shè)備的連接需求。
• 比率轉(zhuǎn)換：采用比率轉(zhuǎn)換方式，可實(shí)現(xiàn)更精確的測量。
• 寬電源范圍：支持2.7V至3.6V的單電源供電，適用于多種電源環(huán)境。
• 串行接口：通過標(biāo)準(zhǔn)SPI串行接口進(jìn)行通信，方便與主機(jī)處理器連接。
• 多種檢測功能：可內(nèi)部檢測屏幕觸摸和鍵盤按鍵操作。
• 可編程特性：分辨率可在8位、10位或12位之間選擇，采樣率也可編程設(shè)置。
• 多功能測量：支持直接電池測量（0.5V至6V）、片上溫度測量和觸摸壓力測量。
• 低功耗控制：具備全功率關(guān)斷控制功能，可有效降低功耗。
• 多種封裝形式：提供TSSOP - 28和QFN - 32兩種封裝，滿足不同應(yīng)用場景的需求。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

TSC2200廣泛應(yīng)用于個(gè)人數(shù)字助理、手機(jī)、MP3播放器等設(shè)備，為這些設(shè)備提供了可靠的模擬信號(hào)處理解決方案。

二、TSC2200的工作原理與關(guān)鍵模塊

2.1 觸摸屏操作原理

電阻式觸摸屏通過在電阻網(wǎng)絡(luò)上施加電壓，并測量輸入筆、手指觸摸屏幕時(shí)矩陣上某一點(diǎn)的電阻變化來確定位置。TSC2200支持4線電阻式觸摸屏配置，通過測量X和Y坐標(biāo)來確定觸摸位置，還可測量觸摸壓力（Z）。

2.1.1 坐標(biāo)測量

對(duì)于4線觸摸屏，其由兩層透明電阻層通過絕緣墊片隔開組成。測量Y位置時(shí)，將X + 輸入連接到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器芯片，打開Y + 和Y - 驅(qū)動(dòng)器，對(duì)X + 輸入處的電壓進(jìn)行數(shù)字化處理。同理，測量X位置時(shí)，對(duì)另一軸施加電壓并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而得到X和Y坐標(biāo)。

2.1.2 壓力測量

TSC2200支持兩種測量觸摸壓力的方法。第一種方法需要知道X板電阻、測量X位置以及兩個(gè)額外的交叉面板測量值（Z1和Z2），通過公式(R{TOUCH }=R{X -Plate } cdot frac{X -Position }{4096}left(frac{Z{2}}{Z{1}}-1right))計(jì)算觸摸電阻。第二種方法需要知道X板和Y板電阻、測量X和Y位置以及Z1，通過公式(R{TOUCH }=R{X -Plate } cdot frac{X - Position }{4096}left(frac{4096}{Z{1}}-1right)-R{Y -Plate } cdotleft(1-frac{Y -Position }{4096}right))計(jì)算。

在實(shí)際應(yīng)用中，觸摸屏被觸摸時(shí)，面板電壓會(huì)出現(xiàn)過沖并逐漸穩(wěn)定，因此需要設(shè)置面板電壓穩(wěn)定時(shí)間，以確保測量的準(zhǔn)確性。此外，為了減少觸摸屏拾取的噪聲，可能需要在觸摸屏上跨接外部電容，但這會(huì)增加額外的穩(wěn)定時(shí)間。TSC2200提供了可編程延遲時(shí)間來解決這個(gè)問題。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換器

TSC2200的A/D轉(zhuǎn)換器是其核心模塊之一，模擬輸入（如X、Y、Z觸摸屏坐標(biāo)、電池電壓監(jiān)測、芯片溫度和輔助輸入）通過多路復(fù)用器提供給逐次逼近寄存器（SAR）A/D轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器基于電容重新分配架構(gòu)，具有采樣和保持功能。

2.2.1 獨(dú)特配置

通過低導(dǎo)通電阻開關(guān)的獨(dú)特配置，未選中的A/D轉(zhuǎn)換器輸入通道可為觸摸屏提供電源，相應(yīng)引腳提供接地，從而消除驅(qū)動(dòng)開關(guān)導(dǎo)通電阻引起的誤差。

2.2.2 控制與模式

A/D轉(zhuǎn)換器由A/D轉(zhuǎn)換器控制寄存器控制，可通過該寄存器編程選擇通道、掃描操作、平均次數(shù)、分辨率和轉(zhuǎn)換速率等。其輸出數(shù)據(jù)采用直二進(jìn)制格式，結(jié)果存儲(chǔ)在相應(yīng)的結(jié)果寄存器中。

2.2.3 參考電壓

TSC2200具有內(nèi)部電壓參考，可通過參考控制寄存器設(shè)置為1.25V或2.5V。內(nèi)部參考電壓僅在單端模式下用于電池監(jiān)測、溫度測量和輔助輸入。觸摸屏測量采用比率轉(zhuǎn)換，自動(dòng)在差分模式下進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)最佳性能。此外，還可通過VREF引腳施加外部參考電壓，并關(guān)閉內(nèi)部參考。

2.2.4 可變分辨率

A/D轉(zhuǎn)換器提供8位、10位或12位三種不同的分辨率。較低的分辨率通常適用于觸摸壓力等測量，可減少轉(zhuǎn)換時(shí)間和功耗。

2.2.5 轉(zhuǎn)換時(shí)鐘和時(shí)間

TSC2200內(nèi)部有一個(gè)8MHz時(shí)鐘，用于驅(qū)動(dòng)設(shè)備內(nèi)部的狀態(tài)機(jī)。該時(shí)鐘經(jīng)過分頻后為A/D轉(zhuǎn)換器提供時(shí)鐘，分頻比可在A/D轉(zhuǎn)換器控制寄存器中設(shè)置。不同的分辨率需要不同的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率，例如8位分辨率可使用8MHz時(shí)鐘，10位分辨率適合4MHz時(shí)鐘，12位分辨率則需要1MHz或2MHz時(shí)鐘。轉(zhuǎn)換時(shí)間受多種因素影響，包括轉(zhuǎn)換時(shí)鐘速度、面板電壓穩(wěn)定時(shí)間等。

2.3 數(shù)字接口與通信協(xié)議

TSC2200通過標(biāo)準(zhǔn)SPI總線進(jìn)行通信，支持全雙工、同步、串行通信。主機(jī)處理器作為主設(shè)備，生成同步時(shí)鐘并發(fā)起傳輸，TSC2200作為從設(shè)備依賴主設(shè)備啟動(dòng)和同步傳輸。

2.3.1 通信過程

傳輸由主SPI發(fā)起，主SPI的字節(jié)在主串行時(shí)鐘的控制下從MOSI引腳移入TSC2200，同時(shí)TSC2200的字節(jié)從MISO引腳移出到主移位寄存器。串行時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為低電平（CPOL = 0），時(shí)鐘相位位設(shè)置為1（CPHA = 1）時(shí)，主設(shè)備在第一個(gè)串行時(shí)鐘邊緣開始驅(qū)動(dòng)MOSI引腳，從設(shè)備開始驅(qū)動(dòng)MISO引腳。SS引腳在傳輸之間應(yīng)保持高電平，TSC2200僅解釋在SS引腳下降沿之后傳輸?shù)拿钭帧?/p>

2.3.2 命令協(xié)議

TSC2200的控制通過向不同寄存器寫入數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)，使用16位命令進(jìn)行寄存器的讀寫操作。命令字的第一位是R/W位，指定數(shù)據(jù)傳輸方向；接下來的四位指定內(nèi)存頁面；再接下來的六位指定該頁面上的寄存器地址；最后五位保留供未來使用。

2.4 寄存器功能

TSC2200的寄存器分為數(shù)據(jù)頁（Page 0）和控制頁（Page 1）。數(shù)據(jù)頁用于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果或鍵盤掃描數(shù)據(jù)，控制頁用于控制設(shè)備的各種功能。

2.4.1 A/D轉(zhuǎn)換器控制寄存器

該寄存器控制A/D轉(zhuǎn)換器的多個(gè)方面，包括筆狀態(tài)/控制模式（PSM）、A/D轉(zhuǎn)換器狀態(tài)（STS）、功能選擇（AD3 - AD0）、分辨率控制（RS1、RS0）、轉(zhuǎn)換平均控制（AV1、AV0）、轉(zhuǎn)換時(shí)鐘控制（CL1、CL0）和面板電壓穩(wěn)定時(shí)間控制（PV2 - PV0）等。

2.4.2 D/A轉(zhuǎn)換器控制寄存器

該寄存器的單一位控制板載D/A轉(zhuǎn)換器的電源關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)該位為0時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器通電并正常工作；當(dāng)為1時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器斷電，Aout引腳既不吸收也不提供電流。

2.4.3 參考寄存器

用于控制內(nèi)部參考的操作，包括內(nèi)部參考模式（INT）、參考上電延遲（DL1、DL0）、參考電源關(guān)斷（PDN）和參考電壓控制（RFV）等。

2.4.4 配置控制寄存器

控制觸摸檢測電路的預(yù)充電和檢測時(shí)間，包括數(shù)據(jù)可用位（DAVB）、預(yù)充電時(shí)間選擇（PRE[2:0]）和檢測時(shí)間選擇（SNS[2:0]）。

2.4.5 鍵盤寄存器

包括鍵盤控制寄存器和鍵盤掩碼寄存器。鍵盤控制寄存器控制鍵盤掃描和去抖動(dòng)等功能，鍵盤掩碼寄存器可屏蔽某些按鍵的檢測。

2.4.6 數(shù)據(jù)寄存器

用于存儲(chǔ)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果、鍵盤掃描數(shù)據(jù)或D/A轉(zhuǎn)換器輸出電流值。除D/A轉(zhuǎn)換器寄存器初始設(shè)置為0080H表示D/A轉(zhuǎn)換器的中值輸出外，其他寄存器在復(fù)位時(shí)默認(rèn)值為0000H。

三、操作模式與測量方法

3.1 觸摸屏測量操作模式

TSC2200在觸摸屏測量方面提供了多種操作模式，為主機(jī)處理器提供了極大的靈活性。

3.1.1 觸摸檢測時(shí)由TSC2200控制的轉(zhuǎn)換

在這種模式下，TSC2200檢測到觸摸屏被觸摸后，會(huì)使PENIRQ線變?yōu)榈碗娖?，并啟?dòng)內(nèi)部時(shí)鐘。接著打開Y驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)過編程的面板電壓穩(wěn)定時(shí)間后，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換Y坐標(biāo)。如果選擇了平均功能，會(huì)進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換。完成Y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，再打開X驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)換X坐標(biāo)。如果還需要測量觸摸壓力，則繼續(xù)測量Z1和Z2值。整個(gè)過程的時(shí)間取決于所選的分辨率、內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率、平均次數(shù)、面板電壓穩(wěn)定時(shí)間、預(yù)充電時(shí)間和檢測時(shí)間等因素。

3.1.2 主機(jī)響應(yīng)PENIRQ發(fā)起的由TSC2200控制的轉(zhuǎn)換

TSC2200檢測到觸摸屏被觸摸并使PENIRQ線變?yōu)榈碗娖胶?，主機(jī)識(shí)別到中斷請(qǐng)求，然后向A/D轉(zhuǎn)換器控制寄存器寫入數(shù)據(jù)，選擇觸摸屏掃描功能。后續(xù)的轉(zhuǎn)換過程與上一種模式類似，但轉(zhuǎn)換開始的時(shí)機(jī)由主機(jī)決定。

3.1.3 主機(jī)控制的轉(zhuǎn)換

在這種模式下，TSC2200檢測到觸摸屏被觸摸并使PENIRQ線變?yōu)榈碗娖胶?，主機(jī)需要控制轉(zhuǎn)換的各個(gè)方面。通常，主機(jī)接收到中斷請(qǐng)求后，會(huì)打開Y驅(qū)動(dòng)器，等待穩(wěn)定時(shí)間后，再次訪問TSC2200，請(qǐng)求X坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，然后重復(fù)該過程進(jìn)行Y和Z坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

3.2 溫度測量

TSC2200提供兩種溫度測量模式。

3.2.1 單溫度測量模式

該模式需要在已知溫度下進(jìn)行校準(zhǔn)，但只需一次測量即可預(yù)測環(huán)境溫度。通過測量二極管的正向電壓，利用其與溫度的特性關(guān)系進(jìn)行溫度預(yù)測。在最終產(chǎn)品測試時(shí)，將已知室溫下的二極管電壓存儲(chǔ)在系統(tǒng)內(nèi)存中進(jìn)行校準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)0.3°C/LSB的等效溫度測量分辨率。

3.2.2 差分溫度測量模式

該模式無需測試溫度校準(zhǔn)，采用兩次測量（差分）方法，可實(shí)現(xiàn)2°C/LSB的精度。通過對(duì)不同偏置電流下的電壓差進(jìn)行測量，利用公式(^{circ} K=frac{q cdot Delta V}{k cdot ln (N)})計(jì)算溫度，其中(Delta V=Vleft(I{91}right)-Vleft(I{1}right)) 。

3.3 電池測量

TSC2200可以監(jiān)測電壓調(diào)節(jié)器另一側(cè)的電池電壓，電池電壓范圍為0.5V至6V。輸入電壓通過4分頻后提供給A/D轉(zhuǎn)換器，以簡化多路復(fù)用器和控制邏輯。為了最小化功耗，分頻器僅在電池輸入采樣期間開啟。

3.4 輔助測量

兩個(gè)輔助電壓輸入的測量方法與電池輸入類似，可用于外部溫度傳感、環(huán)境光監(jiān)測以控制背光或檢測電池電流等應(yīng)用。

3.5 端口掃描

如果需要定期對(duì)所有模擬輸入（除觸摸屏外）進(jìn)行測量，可以使用端口掃描模式。在該模式下，TSC2200會(huì)對(duì)兩個(gè)電池輸入和兩個(gè)輔助輸入進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，一次寫入操作即可完成四次不同的測量。

3.6 D/A轉(zhuǎn)換器操作

TSC2200的板載8位D/A轉(zhuǎn)換器配置為電流沉（Aout），由連接在ARNG引腳和地之間的電阻值控制。該轉(zhuǎn)換器有一個(gè)控制寄存器，用于控制轉(zhuǎn)換器是否上電。8位數(shù)據(jù)通過D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)寄存器寫入。其輸出電流范圍有限，可通過改變RRNG電阻值進(jìn)行調(diào)整，但實(shí)際輸出電流范圍可能會(huì)有±20%的變化，并且會(huì)隨溫度變化，溫度系數(shù)約為 - 2μA/°C。

3.7 鍵盤接口操作

TSC2200的鍵盤接口適用于最多4x4鍵的矩陣鍵盤。通過鍵盤控制寄存器設(shè)置鍵盤掃描速率和去抖動(dòng)時(shí)間，鍵盤掩碼寄存器可屏蔽某些按鍵的檢測。當(dāng)檢測到按鍵按下時(shí)，TSC2200會(huì)自動(dòng)掃描鍵盤并進(jìn)行去抖動(dòng)處理，然后將KBIRQ線拉低，掃描結(jié)果存儲(chǔ)在鍵盤數(shù)據(jù)寄存器中。

四、布局建議

為了使TSC2200獲得最佳性能，在布局時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：

4.1 電源與旁路

• 為TSC2200提供干凈且經(jīng)過良好旁路的電源。在設(shè)備附近放置一個(gè)0.1μF的陶瓷旁路電容，若+VDD與電源之間的連接阻抗較高，可能還需要一個(gè)1μF至10μF的電容。
• 由于參考由內(nèi)部運(yùn)算放大器緩沖，通常不需要旁路電容。但如果使用外部參考電壓且來自運(yùn)算放大器，要確保其能驅(qū)動(dòng)所使用的旁路電容而不產(chǎn)生振蕩。

4.2 參考輸入

TSC2200在使用外部參考輸入時(shí)，對(duì)噪聲或電壓變化沒有固有的抑制能力。特別是當(dāng)參考輸入連接到電源時(shí)，電源的噪聲和紋波會(huì)直接出現(xiàn)在數(shù)字結(jié)果中。雖然高頻噪聲可以通過濾波去除，但由于線頻率（50Hz或60Hz）引起的電壓變化較難消除。

4.3 接地

GND引腳應(yīng)連接到干凈的接地點(diǎn)，通常為“模擬”接地。避免連接到離微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器接地點(diǎn)太近的地方。如有需要，可從轉(zhuǎn)換器直接引出接地走線到電源入口或電池連接點(diǎn)。理想的布局應(yīng)包括一個(gè)專門用于轉(zhuǎn)換器和相關(guān)模擬電路的模擬接地平面。

4.4 觸摸屏連接

在與電阻式觸摸屏連接時(shí)，要確保連接盡可能短且牢固。因?yàn)殡娮枋接|摸屏的電阻較低，連接松動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致接觸電阻變化，從而產(chǎn)生誤差。

4.5 噪聲處理

在觸摸屏應(yīng)用中，噪聲可能是誤差的主要來源，例如需要背光LCD面板的應(yīng)用?？梢允褂玫撞繋в薪饘賹硬⒔拥氐挠|摸屏，將大部分噪聲耦合到地。此外，在Y + 、Y - 、X + 和X - 到地之間添加濾波電容也有助于減少噪聲，但會(huì)增加屏幕穩(wěn)定時(shí)間和PENIRQ電路的預(yù)充電和檢測時(shí)間。

五、總結(jié)

TSC2200作為一款功能豐富的PDA模擬接口電路，為電子設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了全面的解決方案。它的多種特性和靈活的操作模式使其適用于各種應(yīng)用場景，無論是觸摸屏操作、電池監(jiān)測、溫度測量還是鍵盤接口，都能提供準(zhǔn)確可靠的性能。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體需求合理配置寄存器，選擇合適的操作模式，并注意布局和噪聲處理等問題，以充分發(fā)揮TSC2200的優(yōu)勢(shì)。你在使用TSC2200或類似模擬接口電路時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。