XPT2046觸摸屏實驗過程詳解與STM32代碼解析

ID:161768 · 發表于 2017-8-19 00:09

學習目標：

1.復習 STM32 的硬件 SPI

2.學習觸摸屏的原理

觸摸屏實驗

16.1 觸摸屏的簡介

現在的液晶屏大部分都帶觸摸了，一般我們使用比較多的是電阻式觸摸屏（多點觸摸屬于電容式觸摸屏，比如幾乎所有智能機都支持多點觸摸，它們所用的屏就是電容式的觸摸屏）我們彩屏上面帶的也是電阻式的觸摸屏。

電阻觸摸屏的主要部分是一塊與顯示器表面非常配合的電阻薄膜屏，它是一種多層的復合薄膜，它以一層玻璃或硬塑料平板作為基層，表面涂有一層透明氧化金屬（透明的導電電阻）導電層，上面再蓋有一層外表面硬化處理、光滑防擦的塑料層、它的內表面也涂有一層涂層、在他們之間有許多細小的（小于1/1000 英寸）的透明隔離點把兩層導電層隔開絕緣。

當手指觸摸屏幕時，兩層導電層在觸摸點位置就有了接觸，電阻發生變化，在 X 和 Y 兩個方向上的電壓發生變化，產生信號，然后控制器讀取信號，并計算出手指觸摸的位置，這就是電阻式觸摸屏的原理。

16.2觸摸屏的控制 XPT2046芯片簡介

從上面的簡介，我們知道觸摸屏都需要一個 AD 轉換器，也就是要將電壓變化讀取出來，供主機求出觸摸的位置。而我們彩屏上面使用的觸摸芯片是XPT2046。

XPT2046 的特點主要有

1) 一款 4 導線制觸摸屏控制器，采用 SPI 模式進行通信。

2) 內含 12 位分辨率 125KHz 轉換速率逐步逼近型 A/D 轉換器。

3) 支持從 1.5V 到 5.25V 的低電壓 I/O 接口。

XPT2046 應該有 16 個引腳，如圖：

其引腳說明如下：

從上面的引腳圖，我們知道，XPT2046 跟單片機的主要引腳主要有：BUSY、DIN（單片機 SPI 輸出端）、CS、DCLK（單片機 SPI 時鐘端）、PEN（筆觸中斷）、DOUT(單片機 SPI 輸入端)

16.3PZ6808L觸摸屏的原理圖

16.4XPT2046的操作

1. XPT2046 的初始化

XPT2046 說起來其實就是一個 AD 轉換器，所以它適合不需要什么初始化設置的，而具體的初始化其實也就是單片機 IO 的初始化和 SPI 的初始化。

這次 STM32 是使用 SPI1 來進行操作，SPI 的設置其實在前幾節課已經講過了，這里就不重復講了，初始化的具體代碼如下：

/**********************************************************************
* Function Name : TOUCH_Init
* Description : 初始化觸摸屏
* Input : None
* Output : None
* Return : None
**********************************************************************/
void TOUCH_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
/* SPI 的 IO 口和 SPI 外設打開時鐘 */ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOD, ENABLE);
/* TOUCH-CS 的 IO 口設置 */ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode =GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);
/* TOUCH-PEN 的 IO 口設置 */ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode =GPIO_Mode_IPU;
GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure); SPI1_Config();
/* 要使用 FLASH 來存儲校正參數，所以注意之前要初始化 */
/* 檢測是否有校正參數 */
FLASH_ReadData(&TouchAdj.posState, TOUCH_ADJ_ADDR, sizeof(TouchAdj));
if(TouchAdj.posState != TOUCH_ADJ_OK)
{
TOUCH_Adjust(); //校正
}
}

復制代碼

在這個函數中，調用了 SPI1 的初始化函數，和觸摸屏的校正程序，下面是 SPI1 的

初始化程序，校正原理我們在后面在講述。

/**********************************************************************
* Function Name : SPI1_Config
* Description : 初始化 SPI2
* Input : None
* Output : None
* Return : None
*********************************************************************/
void SPI1_Config(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
/* SPI 的 IO 口和 SPI 外設打開時鐘 */ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);
/* SPI 的 IO 口設置 */
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7); //PA5.6.7 上拉
/********************************************************************/
/******************* 設置 SPI 的參數 ***********************************/
/*********************************************************************/ SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;//選擇全雙
工 SPI 模式
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; //主機模式 SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; //8 位 SPI SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High; //時鐘懸空高電平 SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge; //在第二個時鐘采集數據 SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //Nss 使用軟件控制
/* 選擇波特率預分頻為 256 */
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256; SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;//從最高位開始傳輸
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;
SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
}

復制代碼

2. XPT2046 讀取 X、Y 值

我們知道，觸摸屏根據方向，分為 X 軸和 Y 軸兩個部分，通過讀取 X 軸和 Y 軸的數據，我們就可以知道觸摸屏觸摸的位置了，就像數學上面的，知道了 x 坐標和 y 坐標，那么就可以確定在坐標軸上面一個點的位置。

如何讀取 XPT2046 的數據呢？接下來我們來看一個時序圖：

8 位總線接口，無 DCLK 時鐘延遲，24 時鐘周期轉換時序

XPT2046 完成一個完整的轉換需要 24 個串行時鐘，也就是需要 3 個字節的 SPI 時鐘。對照上圖，XPT2046 前 8 個串行時鐘，是接收 1 個字節的轉換命令，接收到轉換命令了之后，然后使用 1 個串行時鐘的時間來完成數據轉換（當然在編寫程序的時候，為了得到精確的數據，你可以適當的延時一下），然后返回 12 個字節長度（12 個字節長度也計時 12 個串行時鐘）的轉換結果。然后最后 3 個串行時鐘返回三個無效數據。

所以讀取一個完整轉換過程為：

1) 發送 1 個 8 字節的控制命令

2) 在這里可以小延時一下，如果你 SPI 時鐘周期比 XPT2046 轉換周期慢許多，不用延時也可以。

3) 讀取 2 個字節的返回數據。

4) 進行數據處理。也就是丟棄最后讀取到的 3 位數據。我們需要讀取兩個數據，一個 X 軸數據和一個 Y 軸數據，所以我們這里需要兩個控

制命令。一個完整的控制命令的結構為：

從上圖，我們可以得到兩個命令，讀取 X 軸的命令為：0xD0。而讀取 Y 軸的命令為：0x90。

程序實現為：

/**************************************************************************
* Function Name : TOUCH_ReadData
* Description : 采樣物理坐標值
* Input : cmd：選擇要讀取是 X 軸還是 Y 軸的命令
* Output : None
* Return : 讀取到的物理坐標值
**************************************************************************/
static uint16_t TOUCH_ReadData(uint8_t cmd)
{
uint8_t i, j;
uint16_t readValue[TOUCH_READ_TIMES], value;
uint32_t totalValue;
/* SPI 的速度不宜過快 */ SPI2_SetSpeed(SPI_BaudRatePrescaler_16);
/* 讀取 TOUCH_READ_TIMES 次觸摸值 */
for(i=0; i<touch_read_times; i++)
{ /* 打開片選 */ TOUCH_CS_CLR;
/* 在差分模式下，XPT2046 轉換需要 24 個時鐘，8 個時鐘輸入命令，之后 1
個時鐘去除 */
/* 忙信號，接著輸出 12 位轉換結果，剩下 3 個時鐘是忽略位 */ SPI1_WriteReadData(cmd); // 發送命令，選擇 X 軸或者 Y 軸
/* 讀取數據 */
readValue[i] = SPI1_WriteReadData(0xFF);
readValue[i] <<= 8;
readValue[i] |= SPI1_WriteReadData(0xFF);

復制代碼

讀取數據部分

/* 將數據處理，讀取到的 AD 值的只有 12 位，最低三位無用 */
readValue[i] >>= 3; TOUCH_CS_SET;
}
/* 濾波處理 */
/* 首先從大到小排序 */
for(i=0; i<(TOUCH_READ_TIMES - 1); i++)
{
for(j=i+1; j<touch_read_times; j++)
{
/* 采樣值從大到小排序排序 */
if(readValue[i] < readValue[j])
{
value = readValue[i]; readValue[i] = readValue[j]; readValue[j] = value;
}
}
}
/* 去掉最大值，去掉最小值，求平均值 */
j = TOUCH_READ_TIMES - 1;
totalValue = 0;
for(i=1; i<j; i++)="" 求="" y="" 的全部值
{
totalValue += readValue[i];
}
value = totalValue / (TOUCH_READ_TIMES - 2);
return value;
}

復制代碼

在這個讀取函數的程序中，為了獲取數據值的準確性，進行多次讀取，然后除去最大最小值，求出平均值。這個就是所謂的程序濾波，接下來，再詳細講述程序濾波。

3. 物理坐標值的數據處理

在讀取 X 軸和 Y 軸的物理坐標值，也就是 AD 值的時候，需要進行一些必要的數據處理，這也是為了獲取更準確的數據值，否則就會出現飛點等誤差。

比較常用的程序濾波的方法為平均值法。也就是多次讀取結果，然后去掉它們的最大值和最小值，最后求取它們的平均值。這種方法讀取的次數越多，得到的數據就更準確。而上面我們讀取數據程序里面使用的濾波方法也是這種方法。

不過為了更好的濾波，還使用了另外一種方式進行濾波。也就是當讀取到兩次數據之后，然后檢查兩個數據之間的差值，如果超過理想的誤差，那么丟棄數據。這種方法也是很多的處理飛點的程序方法。

我們來看一下我例程中的程序數據處理：

/**************************************************************************
* Function Name : TOUCH_ReadXY
* Description : 讀取觸摸屏的 X 軸 Y 軸的物理坐標值
* Input : *xValue：保存讀取到 X 軸物理坐標值的地址
* * *yValue：保存讀取到 Y 軸物理坐標值的地址
* Output : None
* Return : 0：讀取成功；0xFF：讀取失敗
**************************************************************************/
static uint8_t TOUCH_ReadXY(uint16_t *xValue, uint16_t *yValue)
{
uint16_t xValue1, yValue1, xValue2, yValue2;
xValue1 = TOUCH_ReadData(TOUCH_X_CMD); yValue1 = TOUCH_ReadData(TOUCH_Y_CMD); xValue2 = TOUCH_ReadData(TOUCH_X_CMD); yValue2 = TOUCH_ReadData(TOUCH_Y_CMD);
/* 查看兩個點之間的只采樣值差距 */
if(xValue1 > xValue2)
{
}
else
{
}
*xValue = xValue1 - xValue2;
*xValue = xValue2 - xValue1;
if(yValue1 > yValue2)
{
}
else
{
}
*yValue = yValue1 - yValue2;
*yValue = yValue2 - yValue1;
/* 判斷采樣差值是否在可控范圍內 */
if((*xValue > TOUCH_MAX) || (*yValue > TOUCH_MAX))
{
return 0xFF;
}
/* 求平均值 */
*xValue = (xValue1 + xValue2) / 2;
*yValue = (yValue1 + yValue2) / 2;
/* 判斷得到的值，是否在取值范圍之內 */
if((*xValue > TOUCH_X_MAX) || (*xValue < TOUCH_X_MIN)
|| (*yValue > TOUCH_Y_MAX) || (*yValue < TOUCH_Y_MIN))
{
return 0xFF;
}
return 0;
}

復制代碼

該程序就如上述所說，調用上一小節的 TOUCH_ReadData()讀兩次 X 軸和 Y 軸（如果把 XY 軸，交叉來讀，效果更好）。然后求取它們差值（求平均值在TOUCH_ReadData()函數中已經使用了），判斷是否超過理想誤差，然后求出它們兩個的平均值，最后查看是否超過 X 軸和 Y 軸的數據上限和數據下限。

4. 觸摸物理坐標值轉換成 LCD 彩屏坐標

我們使用 XPT2046 讀取到了觸摸屏的觸摸位置之后，想要在 LCD 屏相對應的位置上進行操作，我們還要將它轉換成 LCD 屏的坐標值。比如說，我們在LCD 屏（0, 0）坐標位置按下，而讀取到的物理坐標值(也就是 AD 值)為（100，200），那么我們想要在 LCD 屏（0, 0）位置進行處理，將要將物理坐標（100,200）轉換成 LCD 屏坐標。

那如何轉換呢？我們知道，XPT2046 的分辨率為 12 位，也就是說我們讀取 X 軸的物理坐標值（這里我們假設為：Px）和 Y 軸的物理坐標值（這里我們假設為：Py）的值肯定是在 0~4096 之間。但是我們 LCD 彩屏 X 軸和 Y 軸的像素坐標確是 240X400。（這個值是 PZ6908L 開發板配的 3.5 寸彩屏像素，不過不管多少，我們明白原理就行，為了更好的表示，在這里我們 LCD 彩屏 X 軸像素坐標我們假設為：Lcdx， LCD 彩屏 Y 軸像素坐標我們假設為：Lcdy。）那么我們假設當(Px, Py) = (0, 0)時，正好 LCD 彩屏像素坐標的起始坐標（0, 0），當(Px, Py) = (4096, 4096)時，正好 LCD 彩屏像素坐標的終止坐標（239, 399）。難么我們不難看出觸摸屏的物理坐標跟 LCD 彩屏像素坐標的對應關系為：

Factorx = Lcdx / Px；

Factory = Lcdy / Py；

那么我們就可以求出 Factorx 和 Factory，然后每次讀取到 Px 和 Py 之后就可以講它很輕松的轉換為 Lcdx 和 Lcdy。這是一個很簡單的數學關系。

不過呢，事情沒有那么理想化，我們在 LCD 像素坐標為（0, 0）讀取的觸摸屏物理坐標值不一定是（0，0）,在 LCD 像素坐標為最大時，也不一定讀取到的是觸摸屏的物理坐標最大值。所以我們要進行一些數據校正，這也是屏幕校正的原因。

什么意思呢？那我們在來解一個數學問題：我們都知道每個觸摸屏物理坐標值都能一一對應一個 LCD 彩屏上面的像素坐標值，也

就是它們是成比例關系的。現在我們知道 LCD 彩屏的 X 軸像素坐標最小值為 Lcdx1，我們能顯示的 LCD 彩屏的 X 軸像素坐標最大值為 Lcdx2。而我們在LCD 彩屏像素坐標 X 軸最小值處讀取的觸摸屏 X 軸物理坐標為 Px1，在 LCD 彩屏 X 軸像素坐標最大值處讀取的觸摸屏 X 軸的物理坐標為 Px2。那么現在我們知道有一個觸摸屏物理坐標值在 Px1 到 Px2 之間的坐標值為 Px，那么和它對應的 Lcdx 的值是多少呢？

那么我們可以這么解：

Factorx = (Lcdx2 – Lcdx1) / (Px2 – Px1)； Lcdx = (Px – Px1) * Factorx；那么就求得出 Lcdx 是多少了，對吧？現在我們把它分解出來：

Lcdx = Px * Factorx – Px1 * Factorx；

然后將 Px1*Factorx 替換成一個變量 Offsetx。那么我們現在就可以得到 Lcdx 和 Px 之間的對應關系式了。而關于 Y 軸也是同理，所以它們從物理坐標到像素坐標的轉換關系式：

Lcdx = Px * Factorx – Offsetx；

Lcdy = Py * Factory – Offsety；

而求出 Factor 和 Offset 這兩個數的過程就是校正程序應該做的工作了。現在我們理解了

屏幕校正的原因和原理，并懂得了物理坐標轉換成像素坐標之后，我們來看一下我們例程的校正程序和觸摸屏讀取像素坐標程序。

/**************************************************************************
* Function Name : TOUCH_Adjust
* Description : 檢測屏幕是否校正，沒有的話進行校正，將校正值放置到 FLASH 中
* Input : None
* Output : None
* Return : None
**************************************************************************/
static void TOUCH_Adjust(void)
{
uint16_t px[2], py[2], xPot[4], yPot[4];
float xFactor, yFactor;
/* 讀取第一個點 */
if(TOUCH_ReadAdjust(LCD_ADJX_MIN, LCD_ADJY_MIN, &xPot[0], &yPot[0]))
{
return;
}
TOUCH_AdjDelay500ms();
/* 讀取第二個點 */
if(TOUCH_ReadAdjust(LCD_ADJX_MIN, LCD_ADJY_MAX, &xPot[1], &yPot[1]))
{
return;
}
TOUCH_AdjDelay500ms();
/* 讀取第三個點 */
if(TOUCH_ReadAdjust(LCD_ADJX_MAX, LCD_ADJY_MIN, &xPot[2], &yPot[2]))
{
return;
}
TOUCH_AdjDelay500ms();
/* 讀取第四個點 */
if(TOUCH_ReadAdjust(LCD_ADJX_MAX, LCD_ADJY_MAX, &xPot[3], &yPot[3]))
{
return;
}
TOUCH_AdjDelay500ms();
/* 處理讀取到的四個點的數據，整合成對角的兩個點 */
px[0] = (xPot[0] + xPot[1]) / 2; py[0] = (yPot[0] + yPot[2]) / 2; px[1] = (xPot[3] + xPot[2]) / 2; py[1] =(yPot[3] + yPot[1]) / 2;
/* 求出比例因數 */
xFactor = (float)LCD_ADJ_X / (px[1] - px[0]);
yFactor = (float)LCD_ADJ_Y / (py[1] - py[0]);
/* 求出偏移量 */
TouchAdj.xOffset = (int16_t)LCD_ADJX_MAX - ((float)px[1] * xFactor); TouchAdj.yOffset = (int16_t)LCD_ADJY_MAX - ((float)py[1] *yFactor);
/* 將比例因數進行數據處理，然后保存 */ TouchAdj.xFactor = xFactor ;
TouchAdj.yFactor = yFactor ;
TouchAdj.posState = TOUCH_ADJ_OK;
FLASH_WriteData(&TouchAdj.posState, TOUCH_ADJ_ADDR, sizeof(TouchAdj));
}
/*************************************************************************
* Function Name : TOUCH_Scan
* Description : 掃描是否有觸摸按下
* Input : None
* Output : TouchData：讀取到的物理坐標值和對應的彩屏坐標值
* Return : 0：讀取成功；0xFF：沒有觸摸
**************************************************************************/
uint8_t TOUCH_Scan(void)
{
if(TOUCH_PEN == 0) //查看是否有觸摸
{
if(TOUCH_ReadXY(&TouchData.x, &TouchData.y)) //沒有觸摸
{
return 0xFF;
}
/* 根據物理坐標值，計算出彩屏坐標值 */
TouchData.lcdx = TouchData.x * TouchAdj.xFactor + TouchAdj.xOffset; TouchData.lcdy = TouchData.y * TouchAdj.yFactor +TouchAdj.yOffset;
/* 查看彩屏坐標值是否超過彩屏大小 */
if(TouchData.lcdx > TFT_XMAX)
{
TouchData.lcdx = TFT_XMAX;
}
if(TouchData.lcdy > TFT_YMAX)
{
TouchData.lcdy = TFT_YMAX;
}
return 0;
}
return 0xFF;
}

復制代碼

完整源碼+資料等內容下載地址：
http://www.zg4o1577.cn/bbs/dpj-92931-1.html

ID:371460 · 發表于 2018-7-14 14:37

學習了，謝謝！

ID:427437 · 發表于 2018-11-16 13:42

本帖最后由 linppp000 于 2018-11-16 13:50 編輯

   /* 在差分模式下，XPT2046 轉換需要 24 個時鐘，8 個時鐘輸入命令，之后 1
   個時鐘去除 */
   /* 忙信號，接著輸出 12 位轉換結果，剩下 3 個時鐘是忽略位 */
   SPI1_WriteReadData(cmd); // 發送命令，選擇 X 軸或者 Y 軸

   /* 讀取數據 */
   readValue = SPI1_WriteReadData(0xFF);
   readValue <<= 8;
   readValue |= SPI1_WriteReadData(0xFF);

這里如果發送SPI1_WriteReadData(0xFF);接收到的數據異常，SPI1_WriteReadData(0);才正常，不知道其他人有沒有遇到這種情況。

ID:91445 · 發表于 2019-3-10 10:25

講得很清楚，感謝分享

ID:493925 · 發表于 2019-3-19 14:24

感謝分享

ID:98985 · 發表于 2019-4-16 09:31

多謝分享，好東西

ID:384489 · 發表于 2019-6-10 17:03

很有參考意義，感謝分享。

ID:490991 · 發表于 2019-7-25 16:43

linppp000 發表于 2018-11-16 13:42
/* 在差分模式下，XPT2046 轉換需要 24 個時鐘，8 個時鐘輸入命令，之后 1
個時鐘去除 */
...

是的，最近剛調試了XPT2046，這兒連續讀兩個數據，要發送SPI1_WriteReadData(0x00);，這樣才能多讀取幾組數據；SPI1_WriteReadData(0xff);會讓XPT2046關閉AD轉換，后面就讀不到數據了

ID:412641 · 發表于 2019-9-25 15:39

時序講解的很好理解，測試一下看效果如何，多謝。

ID:229407 · 發表于 2019-10-25 15:19

多謝分享！

ID:403336 · 發表于 2020-2-14 22:25

謝謝，非常好的資料

ID:290373 · 發表于 2020-2-15 10:10

正好最近在做一個帶有XPT2046的項目，很有參考價值，感謝經驗分享

ID:561907 · 發表于 2020-3-5 11:26

不錯，學習了。

ID:399799 · 發表于 2022-11-6 18:29

論壇就是個寶庫，每次逛都有收獲

ID:1062719 · 發表于 2023-3-20 16:24

為什么是配置時鐘高電平，第二個時鐘采集？不是低電平，第一個采集嗎

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