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Soluzioni per touch screen resistivi

Una panoramica delle soluzioni di conversione A/D offerte da Analog Devices per la gestione di touch screen resistivi.

Negli ultimi anni, la grande diffusione di smart phones e console di gioco portatili ha determinato una crescita esponenziale del mercato dei touch screen. In grado di operare in un più ampio intervallo di temperatura (da -15°C a +55°C) rispetto alle soluzioni capacitive [1]ed in qualsiasi condizione di umidità, resistenti ad urti e elementi corrosivi come acqua e polveri ma non ad oggetti appuntiti, i touch screen resistivi assicurano ottima visibilità in ambienti chiusi, elevata sensibilità e precisione, costi ridotti; soffrono tuttavia di scarsa visibilità all’aperto a causa di un’eccessiva riflessione della luce e di assenza di supporto per applicazioni multi-touch. Di seguito sono descritte alcune soluzioni offerte tempo fa da Analog Devices [2] per il condizionamento e l’acquisizione di touch screen resistivi.

CARATTERISTICHE GENERALI

I convertitori per touch resistivi si basano tutti su di un ADC [3] ad approssimazioni successive con risoluzione 12 bit. L’AD7843, in particolare, (lo schema a blocchi è mostrato in figura 1), raggiunge una capacità di campionamento di fino a 125 kSPS.

Figura 1: schema a blocchi dell’AD7843 (da [2]).

Figura 1: schema a blocchi dell’AD7843 (da [2]).

Opera con una singola linea di alimentazione VCC compresa tra 2.2V e 5.25V ed un riferimento VREF di tensione tra 1V e VCC; l’LSB del valore convertito equivale evidentemente a VREF/4096. Dispone di due ingressi indipendenti per l’acquisizione delle coordinate X ed Y del touch screen e due altre linee ausiliarie. Integra un multiplexer 4-a-1 per la selezione del l’ingresso da acquisire con circuito di track-and-hold (con capacità di 37 pF). La non-linearità integrale dell’ADC è di ±2 LSB, l’errore di offset di ±6 LSB, quello di guadagno di ±4 LSB; il rapporto di reiezione della tensione di alimentazione è 70 db. L’interfaccia digitale di controllo è a quattro fili seriale full-duplex. Piuttosto simili sono le caratteristiche dell’AD7873, il cui convertitore dispone però di 6 ingressi. Tre sono connessi ai piani dello schermo consentendo la misura non soltanto delle coordinate del punto di contatto (come per l’AD7843) ma anche della pressione esercitata. Due altri ingressi rappresentano invece dei canali accessori per misure di tensione e di questi uno è espressamente dedicato all’acquisizione della tensione di una batteria. L’ultimo è connesso internamente ad un diodo per misure di temperatura nelle modalità di tipo a singola conversione o differenziale. Nel primo caso viene misurata la tensione ai capi del diodo e la temperatura è estrapolata sulla base di una curva di calibrazione di fabbrica; si ottiene una risoluzione di 0,3°C ed una accuratezza (stimata) di ± 3°C. Nel secondo caso, invece, viene misurata la tensione per due valori di corrente di polarizzazione e stimata la temperatura sulla base della differenza misurata; in questo caso si ottiene una migliore accuratezza nella misura della temperatura assoluta (± 2°C) ma una risoluzione inferiore (1,6°C). L’AD7873 integra inoltre un riferimento di tensione a 2.5V che può essere reso disponibile all’esterno (richiede tuttavia l’impiego di un buffer). Nove sono invece gli ingressi disponibili nell’AD7877. Come per l’AD7873, tre di questi sono usati per le misure di posizione e pressione sullo schermo ed un quarto per la misura della temperatura (anche in questo caso con supporto per modalità a singola conversione o differenziale); due sono i canali dedicati alla misura di tensioni di batteria e tre gli ingressi accessori configurabili in alternativa come GPIO. L’AD7877 integra inoltre un convertitore DAC on-chip ad 8-bit, utilizzabile, ad esempio, per il controllo del contrasto o la retroilluminazione dello schermo. Dispone poi di un ingresso digitale di controllo che consente di arrestare la fase di track-and-hold del segnale, precedente alla conversione; la linea può in particolare essere connessa ad uno dei segnali di controllo dell’LCD per evitare di acquisire la posizione sullo schermo quando tale controllo è attivo. In questa fase, infatti, si accoppia del rumore sui piani di misura che introduce un errore talvolta non trascurabile. L’AD7877 può essere programmato per eseguire una singola conversione o conversioni successive di una sequenza configurabile di canali; la conversione può iniziare a comando (modalità slave) o automaticamente quando si riconosca una pressione sullo schermo (modalità master); per ridurre i problemi di settling time del segnale, può inoltre essere programmato un ritardo di fino a 8,19 ms nella prima acquisizione. L’interfaccia di controllo digitale è configurabile come SPI o I2C. Stessa interfaccia presentano pure i convertitori AD7879/7889. Pensati, tuttavia, espressamente per le applicazioni a bassissima potenza, funzionano con una tensione di alimentazione compresa tra 1,6V e 3,6V sostenendo una capacità di conversione di fino a 105 kSPS. Consentono, come gli altri modelli, di misurare la pressione esercitata sullo schermo oltre alla posizione del punto di contatto e integrano un circuito di misura della temperatura (singola conversione o differenziale). Dispongono di un canale accessorio configurabile per misure di tensione di batteria o come GPIO. Integrano sequencer e timer per scansioni automatiche in modalità master o slave e due filtri digitali (mediano e media) per la rimozione del rumore della misura.

ACQUISIZIONE SINGLE ENDED E DIFFERENZIALE

I convertitori per touch screen presentati in precedenza possono operare nelle diverse modalità single ended e differenziale nella misura della posizione del punto di contatto sullo schermo. Nella modalità single ended, il cui schema è mostrato in figura 2 (e che può essere configurata, ad esempio, impostando ad ‘1’ il bit SER/DFR nel registro di controllo del dispositivo AD7843), il convertitore utilizza una tensione di riferimento VREF diversa dalla tensione di alimentazione VCC dello schermo.

Figura 2: configurazione single ended per l’AD7843 (da [2]).

Figura 2: configurazione single ended per l’AD7843 (da [2]).

Il vantaggio principale di questo approccio è che, non appena è terminata la fase di campionamento del segnale, gli switch che alimentano il touch screen possono essere aperti, consentendo un significativo risparmio di potenza. Tuttavia la resistenza di questi switch si ritrova nel circuito di misura introducendo un errore che diventa difficile correggere; per questo, tipicamente l’uso, ad esempio, dell’AD7843 è suggerito con touch screen con resistenza maggiore di 70ohm. Inoltre, se la tensione di alimentazione VCC è maggiore della tensione di riferimento VREF, il convertitore non è in grado di leggere correttamente tutte le posizioni dello schermo (in quanto ci sarebbero dei punti in cui il segnale satura la dinamica del convertitore); se invece, al contrario, la tensione di alimentazione è minore si ha una perdita di risoluzione e dinamica della misura (in realtà trascurabile per molte applicazioni, soprattutto per quelle in cui lo schermo è controllato mediante le dita della mano e non con apposito pennino). Nella figura 3 è mostrata la configurazione alternativa di tipo differenziale.

Figura 3: configurazione differenziale per l’AD7843 (da [2]).

Figura 3: configurazione differenziale per l’AD7843 (da [2]).

In questo caso l’ADC utilizza come tensione di riferimento la stessa tensione di alimentazione dello schermo; ne consegue una misura raziometrica che consente chiaramente di compensare eventuali variazioni dei parametri del circuito (per drift in temperatura, ad esempio) oltre a cancellare l’errore introdotto dalla resistenza non nulla dello switch. Il principale svantaggio di questa configurazione è tuttavia che lo schermo resta alimentato anche durante la fase di conversione del segnale campionato.

SUPPORTO PER APPLICAZIONI POWER SAVE

In  molte applicazioni embedded,  soprattutto per quelle con alimentazione a batteria, il risparmio energetico è una delle caratteristiche irrinunciabili. I convertitori A/D  di  Analog Devices per touch screen presentati in precedenza dispongono, da questo punto di vista, di interessanti funzionalità. L’AD7843, ad esempio, può essere configurato (mediante opportuni pin di controllo) per passare automaticamente in una modalità power down al termine di ogni conversione; in tale modalità, l’assorbimento di corrente è di solo 1 mA. Considerando una frequenza di campionamento di 10 kSPS ed un clock di conversione di 2 MHz, la potenza dissipata si riduce così a soli 45 mW (con una tensione di alimentazione di 2.7V); al massimo delle prestazioni (frequenza di campionamento di 125 kSPS e tensione di alimentazione di 3.3V) sia arriva a 1.37 mW! Il convertitore dispone inoltre di una linea di uscita open collector (vedi figura 4) attiva anche nella modalità power down.

Figura 4: schema funzionale dell’uscita PENIRQ negli AD7843 (da [2]).

Figura 4: schema funzionale dell’uscita PENIRQ negli AD7843 (da [2]).

La linea viene asserita (è necessario un resistore di pull-up esterno) non appena viene rilevata una pressione sul touch screen. Può quindi essere usata come segnale di interruzione verso l’host (microcontrollore, FPGA o DSP) che può, in risposta a questo, iniziare una conversione. L’AD7843 non necessita di un tempo di inizializzazione dopo il ‘risveglio’ dalla modalità power down. Tuttavia, perché l’acquisizione sia corretta, è ovviamente necessario che il segnale del touch screen sia stabile. In alcuni casi, per ridurre il rumore presente (legato ad esempio ai segnali di controllo dello schermo), si utilizza una capacità di filtro sulle linee. Lo svantaggio di questa soluzione è un maggiore settling time del segnale da acquisire; in altri termini, il segnale potrebbe non aver raggiunto il livello finale quando si inizia la conversione. Per risolvere questo tipo di problema è possibile ridurre la frequenza del clock di conversione (eventualmente arrestandolo per un determinato intervallo), dopo aver richiesto l’acquisizione del segnale, per il tempo necessario affinché questo sia stabile. L’alternativa sarebbe rinunciare alla funzionalità che porta il convertitore in modalità power down al termine di ogni conversione, adottare una configurazione di tipo differenziale per il touch screen come descritto in precedenza, eseguire un certo numero di conversioni e considerare come valido soltanto il risultato dell’ultima. Al termine della procedura, l’host dovrebbe infine forzare il convertitore in modalità power down controllando opportunamente i segnali di configurazione. I dispositivi AD7877 e AD7879/7889 dispongono invece, come abbiamo visto in precedenza, di timer integrato che consente di ritardare la fase di campionamento e conversione di un intervallo configurabile in funzione proprio del settling time del circuito di misura.