TSC2200：PDA模擬接口電路的全面解析

在電子設備的設計中，模擬接口電路起著至關重要的作用，它能實現(xiàn)模擬信號與數(shù)字信號的轉換和處理。今天我們要深入探討的是德州儀器（Texas Instruments）的TSC2200，一款專為個人數(shù)字助理（PDA）等設備設計的模擬接口電路。

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一、TSC2200概述

TSC2200是一款功能強大的模擬接口電路，適用于人機交互設備。它采用基于寄存器的架構，通過標準SPI總線與基于微處理器的系統(tǒng)輕松集成。所有外設功能都可通過寄存器和板載狀態(tài)機進行控制。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轉換器。

1.1 特性亮點

• 多接口支持：具備4線觸摸屏接口和4x4鍵盤接口，能滿足不同輸入設備的連接需求。
• 比率轉換：采用比率轉換方式，可實現(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：通過標準SPI串行接口進行通信，方便與主機處理器連接。
• 多種檢測功能：可內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，滿足不同應用場景的需求。

1.2 應用領域

TSC2200廣泛應用于個人數(shù)字助理、手機、MP3播放器等設備，為這些設備提供了可靠的模擬信號處理解決方案。

二、TSC2200的工作原理與關鍵模塊

2.1 觸摸屏操作原理

電阻式觸摸屏通過在電阻網(wǎng)絡上施加電壓，并測量輸入筆、手指觸摸屏幕時矩陣上某一點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坐標來確定觸摸位置，還可測量觸摸壓力（Z）。

2.1.1 坐標測量

對于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，將X + 輸入連接到數(shù)據(jù)轉換器芯片，打開Y + 和Y - 驅動器，對X + 輸入處的電壓進行數(shù)字化處理。同理，測量X位置時，對另一軸施加電壓并進行轉換，從而得到X和Y坐標。

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))計算。

在實際應用中，觸摸屏被觸摸時，面板電壓會出現(xiàn)過沖并逐漸穩(wěn)定，因此需要設置面板電壓穩(wěn)定時間，以確保測量的準確性。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，但這會增加額外的穩(wěn)定時間。TSC2200提供了可編程延遲時間來解決這個問題。

2.2 A/D轉換器

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

2.2.1 獨特配置

通過低導通電阻開關的獨特配置，未選中的A/D轉換器輸入通道可為觸摸屏提供電源，相應引腳提供接地，從而消除驅動開關導通電阻引起的誤差。

2.2.2 控制與模式

A/D轉換器由A/D轉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)、分辨率和轉換速率等。其輸出數(shù)據(jù)采用直二進制格式，結果存儲在相應的結果寄存器中。

2.2.3 參考電壓

TSC2200具有內部電壓參考，可通過參考控制寄存器設置為1.25V或2.5V。內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換，自動在差分模式下進行，以實現(xiàn)最佳性能。此外，還可通過VREF引腳施加外部參考電壓，并關閉內部參考。

2.2.4 可變分辨率

A/D轉換器提供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，可減少轉換時間和功耗。

2.2.5 轉換時鐘和時間

TSC2200內部有一個8MHz時鐘，用于驅動設備內部的狀態(tài)機。該時鐘經(jīng)過分頻后為A/D轉換器提供時鐘，分頻比可在A/D轉換器控制寄存器中設置。不同的分辨率需要不同的轉換時鐘頻率，例如8位分辨率可使用8MHz時鐘，10位分辨率適合4MHz時鐘，12位分辨率則需要1MHz或2MHz時鐘。轉換時間受多種因素影響，包括轉換時鐘速度、面板電壓穩(wěn)定時間等。

2.3 數(shù)字接口與通信協(xié)議

TSC2200通過標準SPI總線進行通信，支持全雙工、同步、串行通信。主機處理器作為主設備，生成同步時鐘并發(fā)起傳輸，TSC2200作為從設備依賴主設備啟動和同步傳輸。

2.3.1 通信過程

傳輸由主SPI發(fā)起，主SPI的字節(jié)在主串行時鐘的控制下從MOSI引腳移入TSC2200，同時TSC2200的字節(jié)從MISO引腳移出到主移位寄存器。串行時鐘的空閑狀態(tài)為低電平（CPOL = 0），時鐘相位位設置為1（CPHA = 1）時，主設備在第一個串行時鐘邊緣開始驅動MOSI引腳，從設備開始驅動MISO引腳。SS引腳在傳輸之間應保持高電平，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)來實現(xiàn)，使用16位命令進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)頁用于存儲轉換結果或鍵盤掃描數(shù)據(jù)，控制頁用于控制設備的各種功能。

2.4.1 A/D轉換器控制寄存器

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

2.4.2 D/A轉換器控制寄存器

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

2.4.3 參考寄存器

用于控制內部參考的操作，包括內部參考模式（INT）、參考上電延遲（DL1、DL0）、參考電源關斷（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充電和檢測時間，包括數(shù)據(jù)可用位（DAVB）、預充電時間選擇（PRE[2:0]）和檢測時間選擇（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A/D轉換結果、鍵盤掃描數(shù)據(jù)或D/A轉換器輸出電流值。除D/A轉換器寄存器初始設置為0080H表示D/A轉換器的中值輸出外，其他寄存器在復位時默認值為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，為主機處理器提供了極大的靈活性。

3.1.1 觸摸檢測時由TSC2200控制的轉換

在這種模式下，TSC2200檢測到觸摸屏被觸摸后，會使PENIRQ線變?yōu)榈碗娖剑觾炔繒r鐘。接著打開Y驅動器，經(jīng)過編程的面板電壓穩(wěn)定時間后，啟動A/D轉換器轉換Y坐標。如果選擇了平均功能，會進行多次轉換。完成Y坐標轉換后，再打開X驅動器，轉換X坐標。如果還需要測量觸摸壓力，則繼續(xù)測量Z1和Z2值。整個過程的時間取決于所選的分辨率、內部轉換時鐘頻率、平均次數(shù)、面板電壓穩(wěn)定時間、預充電時間和檢測時間等因素。

3.1.2 主機響應PENIRQ發(fā)起的由TSC2200控制的轉換

TSC2200檢測到觸摸屏被觸摸并使PENIRQ線變?yōu)榈碗娖胶螅鳈C識別到中斷請求，然后向A/D轉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)的轉換過程與上一種模式類似，但轉換開始的時機由主機決定。

3.1.3 主機控制的轉換

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?，主機需要控制轉換的各個方面。通常，主機接收到中斷請求后，會打開Y驅動器，等待穩(wěn)定時間后，再次訪問TSC2200，請求X坐標轉換，然后重復該過程進行Y和Z坐標的轉換。

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行校準，但只需一次測量即可預測環(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系進行溫度預測。在最終產(chǎn)品測試時，將已知室溫下的二極管電壓存儲在系統(tǒng)內存中進行校準，可實現(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，采用兩次測量（差分）方法，可實現(xiàn)2°C/LSB的精度。通過對不同偏置電流下的電壓差進行測量，利用公式(^{circ} K=frac{q cdot Delta V}{k cdot ln (N)})計算溫度，其中(Delta V=Vleft(I{91}right)-Vleft(I{1}right)) 。

3.3 電池測量

TSC2200可以監(jiān)測電壓調節(jié)器另一側的電池電壓，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轉換器，以簡化多路復用器和控制邏輯。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用。

3.5 端口掃描

如果需要定期對所有模擬輸入（除觸摸屏外）進行測量，可以使用端口掃描模式。在該模式下，TSC2200會對兩個電池輸入和兩個輔助輸入進行采樣和轉換，一次寫入操作即可完成四次不同的測量。

3.6 D/A轉換器操作

TSC2200的板載8位D/A轉換器配置為電流沉（Aout），由連接在ARNG引腳和地之間的電阻值控制。該轉換器有一個控制寄存器，用于控制轉換器是否上電。8位數(shù)據(jù)通過D/A轉換器數(shù)據(jù)寄存器寫入。其輸出電流范圍有限，可通過改變RRNG電阻值進行調整，但實際輸出電流范圍可能會有±20%的變化，并且會隨溫度變化，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置鍵盤掃描速率和去抖動時間，鍵盤掩碼寄存器可屏蔽某些按鍵的檢測。當檢測到按鍵按下時，TSC2200會自動掃描鍵盤并進行去抖動處理，然后將KBIRQ線拉低，掃描結果存儲在鍵盤數(shù)據(jù)寄存器中。

四、布局建議

為了使TSC2200獲得最佳性能，在布局時需要注意以下幾點：

4.1 電源與旁路

• 為TSC2200提供干凈且經(jīng)過良好旁路的電源。在設備附近放置一個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1μF至10μF的電容。
• 由于參考由內部運算放大器緩沖，通常不需要旁路電容。但如果使用外部參考電壓且來自運算放大器，要確保其能驅動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，對噪聲或電壓變化沒有固有的抑制能力。特別是當參考輸入連接到電源時，電源的噪聲和紋波會直接出現(xiàn)在數(shù)字結果中。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引腳應連接到干凈的接地點，通常為“模擬”接地。避免連接到離微控制器或數(shù)字信號處理器接地點太近的地方。如有需要，可從轉換器直接引出接地走線到電源入口或電池連接點。理想的布局應包括一個專門用于轉換器和相關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，要確保連接盡可能短且牢固。因為電阻式觸摸屏的電阻較低，連接松動可能會導致接觸電阻變化，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，但會增加屏幕穩(wěn)定時間和PENIRQ電路的預充電和檢測時間。

五、總結

TSC2200作為一款功能豐富的PDA模擬接口電路，為電子設備的設計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，都能提供準確可靠的性能。在實際設計中，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。你在使用TSC2200或類似模擬接口電路時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。