基于FPGA的触摸屏控制系统设计徐晓巍.docx
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基于FPGA的触摸屏控制系统设计徐晓巍
学位论文
基于「PGA的触摸屏控制系统设计
徐晓巍
指导教师
申请学位级别
专业名称
学位授予单位
董辉副教授
工学硕士
电路与系统
大连海事大学
2008年6月分类号
UDC
密级
单位代码」里51
基于FPGA的触摸屏控制系统设计
徐晓巍
指导教师董辉职称副教授
学位授予单位大连海事大学
申请学位级别工学硕士学科与专业电路与系统
论文完成日期2008年5月论文答辩日期2008年6月
答辩委员会主席拳文此TheDesignofTouchSereenControlSystemBasedonFPGA
AthesiSSUbmittedto
DalianMaritimeUniversity
InPartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeof
MasterofEngineering
by
XuXiaowei
(CireuitsandSystems)
ThesisSuPervisor:
AssoeiateProfessorDongHui
May2008大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重声明:
本论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,
撰写成博士/硕士学位论文“基于FPGA的触摸屏控制系统设计”。
除论文中已经
注明引用的内容外,对论文的研究做出重要贡献的个人和集体,均己在文中以明
确方式标明。
本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表
或未公开发表的成果。
本声明的法律责任由本人承担。
论文作者签名:
徐硬殊·介`月甲日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版
权使用管理办法”,同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文
的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权大连海事大学可以将本学
位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,也可采用影印、缩印或扫描
等复制手段保存和汇编学位论.文。
保密口,在_年解密后适用本授权书。
本学位论文属于:
保密口/
不保密吩戈请在以上方框内打“v,,)
曰兹邵幸知论文作者签名:
除磁基导师签名:
日期:
加,夕年`月
夕_中文摘要
摘要
随着科学技术的发展,触摸屏逐渐取代了传统的输入设备一键盘和鼠标,成为
目前公共场合最主要的人机交流输入设备,并己成为国内外相关领域研究的热点,
触摸屏易使用、坚固、反应速度快、节省空间的许多优点也使其有着非常广阔的
应用前景。
FPGA是用于自行设计、生产数字集成电路的器件,自70年代诞生以
来,得到了迅速发展,FPGA以其不可比拟的灵活性、设计处理的实时性,以及能
够反复可编程等特点广泛应用于电子、通信等领域。
本论文实现了对触摸屏控制的设想。
提出了软硬件相结合,基于FPGA来控
制触摸屏的新思路。
论文首先介绍了触摸屏技术以及发展的现状。
其次,阐述了
FPGA的主要特点、结构原理、编程技术、开发流程和发展趋势,介绍了系统开发
平台lsE和硬件描述语言VHDL并重点对采用的Virtex一nProFPGA器件进行了详
细介绍。
论文后半部分对触摸屏控制系统的开发过程和关键环节进行了研究。
阐
述了不同触摸屏的工作原理,特别是设计中采用的四线电阻式触摸屏进行了重点
分析,介绍了触摸屏控制芯片ADS7843,对其特性、结构、功能以及工作模式进
行'了深入的研究。
最后,根据掌握的知识及查阅相关资料设计了触摸屏控制器,
并在XihnxIsE环境下,对系统的主要模块进行开发设计,对整体进行仿真,并证
明了该系统运行正常。
关键词:
触摸屏;FPGA;触摸屏控制器
夕英文摘要
DesignofTouehSereenControlSystemBasedonFPGA
Abstraet
WiththeraPidlygrowthofseieneeandteehnology,thetouehsereenhasPresently
beeomethemaininPutequiPmentinPublieoeeasions.It15takingPlaeeoftraditional
inPutequiPmentssuchastheke如oardandthemouse,thewayofHuman一ComPuter
interaetionhavebeeomethehotsPotsindomestieandabroad,anditseasytouse,strong,
fastresPonse,asPaee一savingadvantagesmaketouchsereenabroaderaPPlieation
ProsPeet.FPGA15usedtodesignandProductdigitaliniegratedeircuit,ithasbeen
develoPedquieklysinee19705.FPGAhastheeharacteristiesofunParalleledflexibility,
real一timedesignProeessandeanbereProgranuned,50ithasbeenwidely即Pliedinthe
fieldofeleetroniesandcomrnunieations.
ThisPaPerimPlementstheideaoftouehsereeneontrol.Anewideaofeontrolling
touehscreenbyeombininghardwareandsoftwarebasedonFPGA15Provided.Firstly,
thetouehsereenteelinologyanditsdeveloPmentsituationareintrodueed.Seeondly,the
FPGA'5maincharaeteristies,strueturePrineiPle,Programrningteehnology,
develoPmentfiowanddeveloPmenttrendaredeseribed,thentheISEsystem
develoPmentPlatformandhardwaredeseriPtionlanguage(VHDL)areintrodueed,
PartieularizetheVirtex一11ProFPGAdevieeswhieh15usedinthisPaPer.Inthelatter
PartofthePaPer,thedeveloPmeniProeessandkeystePsintouehsereeneontrolsystem
areresearehed.DifferentkindsoftouchsereenPrinciPlesareanalyzed,andmentions
four一resistaneetouehsereeninPartieular.ThentheADS7843ehiPusedtocontroltoueh
sereenanditseharacteristies,strueture,九netionandworkmodearedeseribed.Finally,
aceordingtotherelevantknowledge,thetouchsereeneontroller15designed,thenunder
theXilinxISE,developsthemainmoduleofthesystem,gainstheoverallsystem
simulationandProvesthissystemeanoPeratenormally·
KeyWords:
TouehScreen;FPGA;TouehScreenController
_二`目录
第1章绪论..............................................................................................................……1
1.1课题背景及意义.................................................··..····································……1
1.1.1触摸屏技术概述...............................................·································……1
1.1,2触摸屏在各领域应用......................................................·...·············……1
1.1.3触摸屏产业在我国的发展及存在的问题.......................................……2
1、2作者工作和本文主要内容.,.................................................……,...............……3
1.2.1作者所做工作..............................……,.……,..·.··································……3
1.2.2本文主要内容...........................................········································……4
第2章系统开发环境...................................................·...·.·····································……5
2.1FPGA介绍...................................................................................................……5
2.1.1FPGA的工作方式.............................................................................……5
2.1.2FPGA的结构原理.............................................................................……6
2.1.3FPGA的基本原理...................……,..……,..........................................……7
2.1.4FPGA设计流程....................................................·····························……8
2.1.5FPGA最新发展及趋势..............................……、..............................……11
2.2硬件描述语言一VHDL.............................................................................……12
2.2.1VHDL的设计简述..........................................................................……12
2,22vHDL的特点........................................................................·...······……12
2.2.3VHDL的描述风格..........................................................................……13
2.3系统开发平台一IsE.............................................···.·································……14
2.3.1IsE介绍...................................……,...........................................···.··……14
2.3.2XilinxIsE8.21....................……`.....................................·...··············……巧
2.4virtex一11ProFPGA....................................................···.····························……16
2:
41Virtex一nProFPGA简介.................................................................……16
2.4.2XUPVirtex一nPro开发系统................................................……,...……17
第3章系统整体设计框架....................................················································……22
3.1系统硬件组成...................................................................·...·.·.·..········,····……22
3.2整体设计流程......……`......................................................................·..···.·……23
第4章触摸屏原理及其控制器设计....................................................................……25
4.1触摸屏工作原理...............................................·.······································……25
4.1.1电容式触摸屏..................................................................···············……25目录
4.1.2音波式触摸屏.................................................................................……26
4.1.3红外线式触摸屏.............................................................................……28
4.1.4电阻式触摸屏.................................................................................……29
4.2触摸屏控制器设计...................................................................................……31
4.2.1ADS7843的功能特性及结构...............……,…,.......................……,二,.…31
4.2.2ADS7843工作模式设置.................................................................……33
4.2.3触摸屏控制器的实现.....................................................................……35
4.3触摸屏的校准........................................................................·.·················……36
第5章触摸屏控制功能的实现............................................................................……41
5.1控制模块设计........................................................................................···……41
5.2显示模块设计...........................................................................················……44
5.3整体设计实现........................................................................···················……46
总结与展望..............................................................................................................……50
参考文献............................................................................................................……51
附录..........................................................................................................................……53
致谢........................................................................................................................……57
研究生履历......................................……,,.,.................……,......................................……58基于班心A的触摸屏控制系统设计
第1章绪论
1.1课题背景及意义
1.1.1触摸屏技术概述
在日常的工作和学习中,操作和使用计算机都离不开键盘和鼠标,但在许多场合,
键盘和鼠标用起来并不方便。
例如在公共场合用计算机进行查询时,使用键盘和鼠标既
不方便,也不直观。
所以,在20世纪90年代初,出现了一种新的人机交互作用技术一一
触摸屏技术。
随着信息化社会的发展,触摸屏技术的应用日趋普及。
利用这种技术,使
用者无需再通过键盘和鼠标,仅用手指触摸屏幕上的图形、表格或提示标志,便可从屏
幕上得到其所需的诸种信息。
因此,触摸屏的功能将会直接影响使用者的操作意愿。
触
摸屏输入完全摒弃了键盘的繁琐输入,操作变得更为简单直观,使得人机交互仅需手指
轻轻一触即可。
可以说,所有信息尽在指尖之中。
触摸屏输入可用于取代诸如键盘、光
笔、操纵杆、滚球、鼠标及数字转换器一类的数据输入设备,或取代分立开关与薄膜开
关之类的面板操作装置。
因此,触摸屏技术已成为当前最简便的人机交流的输入设备。
世界各国也对此普遍给予重视,并投入大量的人力物力进行研发,新型触摸屏不断涌
现。
其发展呈现出专业化、多媒体化、立体化和大屏幕化等趋势。
可以预见,随着触摸
屏技术的迅速发展,触摸屏的应用领域会越来越广,性能会越来越好【']l2]。
1.1.2触摸屏在各领域应用
触摸屏作为一种特殊的计算机外设,它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互
方式。
其优点是操作简便直观、图像清晰、坚固耐用及节省空间,它可配用于一切电子
显示器,并可与显示器制成一体,人机交互性佳,操作方便,使用灵活,效率高及输入
速度快。
因而具有广阔的应用领域,如公共信息咨询(电信局、税务局、银行、电力、
邮政、公用电话机与公共问询系统)、金融证券交易市场、商业自动化、办公室自动化
(OA)、翻译机、'家用电器及军事指挥控制系统等众多领域。
夕第1章绪论
在消费领域内,触摸屏输入日趋增多地应用于家用电器、销售终端机(POS)、游
戏机、多媒体教学、房地产预售、餐馆预约、飞机与车船预订和城市导游机等。
在上述
这些应用中,使用方便和经久耐用是至关重要的因素。
在商业应用中,金融业务部门已普遍使用此种触摸屏输入,如银行自动出纳机。
高
档的先进电子测量仪器仪表、医疗器械、医疗信息管理系统及办公室自动化系统亦使用
触摸屏输入。
触摸屏同样应用在在军用产品中,如空中交通管制、全球定位系统(GPS)、各军
兵种武器控制系统、防空系统等。
因此,越来越多的电子设备开始采用触摸屏产品[3]。
如苹果公司的新产品IPHONE电话、东芝的触摸屏笔记本、风靡世界的任天堂游戏机
NDSL等。
如图1.1所示。
图1.
Fig.1.1New
触摸屏的新应用
aPPlieationoftoueh一sereen
1.1.3触摸屏产业在我国的发展及存在的问题
据统计,2007年触摸屏在手持设备中的普及率为7%,总产量为7000万块,预计
2008年将增加到1亿一1.2亿块。
配备触摸屏的MP3的产量将从2007年的200万台,
增加到2008年的1200万台。
随着微软新操作系统WindowsVista的发布与逐步推广,
触摸屏市场市值将会从07年的9亿上升到2008年的15亿,与以往WindowsXP主流
操作系统不同,Vista的大多数版本中都加入了触摸屏支持。
基于即GA的触摸屏控制系统设计
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图1.22007年全球触屏及非触屏手机所占比重对比
Fig.1.2CotrlParisonofglobaltouehPanelandnon.t0uchPanelPhonePr0POrti0nin2007
以市场预估的2007年全球10亿部的手机需求来看,触摸屏应用在智能手机以及其
它机