XPT2046觸摸晶元詳解

一、基本介紹

XPT2046是一種四線SPI介面、集成了複位電路和充電電路的電容式觸摸屏晶元，廣泛應用於各種移動智能終端、嵌入式系統和工業控制設備中。

XPT2046可以支持多種觸摸模式，包括電容式單點觸摸、電容式多點觸摸和壓力觸摸，支持多種傳輸模式和數據格式。

作為一個外圍設備，XPT2046並不會通過SPI主機發送請求，而是在XPT2046內部集成了一個循環掃描控制器，自主進行掃描以獲得觸摸數據，並將觸摸數據通過SPI介面發送到主機。

二、連接電路

XPT2046可以使用4條SPI線來與主控晶元通訊，包括SCK、MISO、MOSI和CS（Chip Select）。其中，SCK是時鐘線，MISO是主機的數據輸入線，MOSI是主機的數據輸出線，CS是片選線用於選中XPT2046晶元。

除了四根SPI線，XPT2046還需要一個複位電路和一個充電電路。複位電路可以使用一個複位IC或一個RC電路實現，充電電路可以使用一個限流二極體和一個電容器實現。

// 假設連接方式如下：
// CS - GPIO33
// SCK - GPIO32
// MISO - GPIO35
// MOSI - GPIO34
// INT - GPIO26
// RST - GPIO27

#include 

#define CS_PIN 33
#define SCK_PIN 32
#define MISO_PIN 35
#define MOSI_PIN 34
#define INT_PIN 26
#define RST_PIN 27

void setup() {
  pinMode(CS_PIN, OUTPUT); // 設置CS為輸出模式
  digitalWrite(CS_PIN, HIGH); // 默認禁止片選
  
  SPI.begin(SCK_PIN, MISO_PIN, MOSI_PIN); // 初始化SPI
  SPI.setFrequency(4000000); // 設置SPI時鐘頻率為4MHz
  
  pinMode(INT_PIN, INPUT_PULLUP); // 設置INT為上拉輸入，便於檢測觸摸事件
  pinMode(RST_PIN, OUTPUT); // 設置RST為輸出模式
  digitalWrite(RST_PIN, HIGH); // 默認複位禁止
}

void loop() {
  // 待實現的代碼
}

三、讀取觸摸數據

XPT2046晶元內部集成了一個寄存器數組，用於記錄當前觸摸狀態、掃描計數、觸摸坐標等信息。在讀取觸摸數據之前，需要向XPT2046晶元發送一個0x80指令，表示讀取一個事件。XPT2046會自主掃描觸摸屏，並將觸摸數據通過SPI介面發送到主機。

在讀取觸摸數據時，需要注意到XPT2046可能會傳輸多個命令，因此需要不斷地接收數據並解析，直到讀取到一個有效的觸摸事件。一旦讀取到有效的觸摸事件，就可以從XPT2046晶元內部的寄存器數組中讀取觸摸坐標。

#define CMD_READ 0x80 // 讀取一個事件
#define CMD_X 0x90 // 讀取X坐標值
#define CMD_Y 0xd0 // 讀取Y坐標值

int readTouchX() {
  int xRaw = 0;
  digitalWrite(CS_PIN, LOW);
  SPI.transfer(CMD_X);
  xRaw = SPI.transfer16(0) >> 3;
  digitalWrite(CS_PIN, HIGH);
  return xRaw;
}

int readTouchY() {
  int yRaw = 0;
  digitalWrite(CS_PIN, LOW);
  SPI.transfer(CMD_Y);
  yRaw = SPI.transfer16(0) >>3;
  digitalWrite(CS_PIN, HIGH);
  return yRaw;
}

bool readTouchPoint(int &x, int &y) {
  if (digitalRead(INT_PIN) == LOW) { // 檢測觸摸事件
    digitalWrite(RST_PIN, LOW); // 啟用複位
    digitalWrite(CS_PIN, LOW); // 允許片選
    SPI.transfer(CMD_READ); // 發送讀取事件指令
    x = readTouchX(); // 讀取X坐標
    y = readTouchY(); // 讀取Y坐標
    digitalWrite(CS_PIN, HIGH); // 禁止片選
    digitalWrite(RST_PIN, HIGH); // 禁用複位
    return true;
  } else {
    return false;
  }
}

四、觸摸坐標轉換

由於觸摸屏的尺寸和解析度各異，因此需要將XPT2046晶元讀取出來的原始觸摸坐標轉換為實際屏幕坐標。觸摸坐標轉換可以通過一組公式實現。

其中，觸摸坐標Xc和Yc是從XPT2046晶元內部寄存器中讀取到的原始坐標，觸摸屏尺寸為W和H，觸摸坐標X和Y是實際屏幕坐標：

X = ((Xc * a + Yc * b + c) / d) * W

Y = ((Xc * e + Yc * f + g) / h) * H

其中，a、b、c、d、e、f、g和h均是校準係數，根據實際觸摸屏進行調整。校準係數可以通過在不同位置嘗試觸摸，記錄下相應的觸摸坐標和實際屏幕坐標，然後通過線性方程組求解得到。

#define TOUCH_WIDTH 240
#define TOUCH_HEIGHT 320

float calA = 0.012367262544294;
float calB = -0.001709139042816;
float calC = -19.316064986921131;
float calD = 1.838251825135559;
float calE = -0.000992525359333;
float calF = 0.195498693029731;
float calG = -46.090023031789299;
float calH = 2.038698937062327;

bool readTouchPoint(int &x, int &y) {
  if (digitalRead(INT_PIN) == LOW) { // 檢測觸摸事件
    digitalWrite(RST_PIN, LOW); // 啟用複位
    digitalWrite(CS_PIN, LOW); // 允許片選
    SPI.transfer(CMD_READ); // 發送讀取事件指令
    int xRaw = readTouchX(); // 讀取X坐標
    int yRaw = readTouchY(); // 讀取Y坐標
    digitalWrite(CS_PIN, HIGH); // 禁止片選
    digitalWrite(RST_PIN, HIGH); // 禁用複位
    
    x = ((xRaw * calA + yRaw * calB + calC) / calD) * TOUCH_WIDTH;
    y = ((xRaw * calE + yRaw * calF + calG) / calH) * TOUCH_HEIGHT;
    return true;
  } else {
    return false;
  }
}

五、觸摸應用示例

XPT2046可以廣泛應用於各種移動智能終端、嵌入式系統和工業控制設備中。下面是一個簡單的觸摸應用示例，通過讀取觸摸數據，控制LED的亮滅。

在這個示例中，將在屏幕上劃分出四個區域，分別對應四個LED。當用戶觸摸到各個區域時，相應的LED會亮起或熄滅。

int LED_1 = 12;
int LED_2 = 13;
int LED_3 = 14;
int LED_4 = 15;

void setup() {
  // 初始化IO
  pinMode(LED_1, OUTPUT);
  pinMode(LED_2, OUTPUT);
  pinMode(LED_3, OUTPUT);
  pinMode(LED_4, OUTPUT);
}

void loop() {
  int x, y;
  if (readTouchPoint(x, y)) {
    if (x < 120 && y = 120 && y < 160) {
      digitalWrite(LED_2, HIGH);
    } else {
      digitalWrite(LED_2, LOW);
    }
    if (x = 160) {
      digitalWrite(LED_3, HIGH);
    } else {
      digitalWrite(LED_3, LOW);
    }
    if (x >= 120 && y >= 160) {
      digitalWrite(LED_4, HIGH);
    } else {
      digitalWrite(LED_4, LOW);
    }
  }
}

六、總結

XPT2046是一款成熟的電容式觸摸晶元，具有靈敏度高、讀取精度高等優點，可以廣泛應用於各種移動智能終端、嵌入式系統和工業控制設備中。使用XPT2046需要注意到連接電路、讀取觸摸數據、觸摸坐標轉換等問題，並可以使用校準係數來調整觸摸坐標的精度。