触摸屏技术方便了人们对计算机的操作使用，是一种极具发展前途的交互式输入技术，受到各国的普遍重视，并投入大量的人力、物力对其进行研发，使得新型触摸屏不断涌现。特别是四线电阻式触摸屏具有制造工艺简单、成本低廉、使用方便等特点，已经被广泛应用于不同的电子设备。
随着嵌入式技术的高速发展，尤其是CPLD/FPGA的出现，其基于SoPC技术的IP核的使用给开发人员带来了诸多方便。但在SoPC中并没有彩色触摸屏的IP核，因此需要自己编写硬件的时序控制。本文提出一种基于FPGA的彩色触摸屏控制器的设计方案，通过单片FPGA芯片可以实现彩色触摸屏的驱动逻辑，从而实现硬件上时序控制，在此控制器的基础上可以进一步开发彩色触摸屏的IP核。
1 彩色触摸屏控制器的设计
1.1 总体结构及其工作原理
彩色触摸屏控制器的总体结构如图1所示。
该彩色触摸屏的控制器主要由TFT-LCD控制器和ADS7843芯片控制器两部分组成。由图1可以看出，TFT-LCD控制器的作用是将图像数据采集后，通过SDRAM进行缓冲，然后将图像数据输出给TFT-LCD。它的主要功能是完成图像数据的采集和缓冲、TFT-LCD的时序控制及最终数据在TFT-LCD上的显示。
1.2 TFT-LCD控制器的设计
图像数据经采集和缓冲之后，通过TFT-LCD的时序控制可以将数据按如图2所示时序图进行输出。本设计中采用的TFT-LCD的分辨率为480×272，其RGB数据位均为8 bit，可以显示16 777 216种颜色。其中，PCLK为LCD像素时钟信号，HSYNC为行同步信号,VSYNC为帧同步信号，VDEN为数据使能信号，VD[23:0]为LCD像素数据输出端口，tvpw、tvp、tvbp、tvfp分别为垂直同步脉冲、垂直扫描时间、垂直后回归、垂直前回归，thpw、thp、thbp、thfp分别为水平同步脉冲、水平扫描时间、水平后回归、水平前回归。
从图2所示的时序图可以看出，当HSYNC电平由低变高，再经过水平回归时间之后，开始进行水平扫描。在水平扫描中，像素的显示受PCLK控制，一个PCLK周期决定了一个像素点的显示。在HSYNC的高电平的驱动下，PCLK将产生480个时钟周期，使图像的像素点在屏幕上从左向右依次逐点输出，完成一行共480个像素点的显示。用Verilog HDL编写的水平同步扫描的时序程序如下：
always@(posedge CLK or negedge RST_n) begin
if (RST_n) begin
x_cnt <= 11'd0;
hd <= 1'd0;
end
else if (x_cnt ==479) begin
x_cnt <= 11'd0;
hd <= 1'd0;
end
else begin
x_cnt <= x_cnt + 11'd1;
hd <= 1'd1;
end
end
同理，当VSYNC电平由低变高，再经过垂直回归时间之后，进入垂直扫描。在VSYNC的高电平驱动下，HSYNC将产生272个时钟周期，像素点在屏幕上从上到下依次逐行输出，完成整个图像数据在彩色显示器上的显示。用Verilog HDL编写的同步扫描的时序程序如下：
always@(posedge CLK or negedge RST_n) begin
if (iRST_n)
y_cnt <= 10'd0;
else if (x_cnt == 479) begin
if (y_cnt == 271)
y_cnt <= 10'd0;
else
y_cnt <= y_cnt + 10'd1;
end
end
1.3 ADS7843 芯片控制器的设计
ADS7843 芯片控制器用于将触摸的位置进行数据转换。ADS7843 的时序图如图3 所示。其中，CS 为片选信号, 低电平有效;BUSY 为忙指示信号， 同样低电平有效。
由图3 可看出，ADS7843 标准的一次数据转换需要24 个时钟周期， 每次的数据转换以8 个时钟周期为一次通信， 需要与控制器进行3 次通信。第一次通信是触摸控制模块的DIN 端口通过串口向ADS7843 发送控制字， 同时对X、Y 的电压值进行采集。控制字如表1 所示， 其中,S 为数据传输起始标志位；A2～A0 为通道选择；MODE 为A/D 转换精度控制位；SER/DFR 为参考电压的输入模式。
将控制字以串行的方式写入到内部寄存器的Verilog HDL代码如下所示：
if (dclk)
data_in <= {data_in[6:0],1'b0};
第二、三次通信则是ADS7843 将触摸后的X、Y的电压值转换为16 bit数据赋值给DOUT端口，然后芯片采集其高12 bit数据，低4 bit自动补零。本设计将采集到的串行的12 bit数据转化为并行的12 bit数据，其Verilog HDL代码如下：
if (!dclk)
begin
if(rd_cd_strob)
begin
if(y_cde_config)
y_cde<={y_cde[10:0],adc_out};
else
x_cde<={x_cde[10:0],adc_out};
end
end
2 实验结果
2.1 仿真验证
整个控制器是在Quartus II 8.0中设计并仿真的。仿真分为两个部分,包括TFT-LCD控制器的时序波形和ADS7843芯片控制器的时序波形。仿真结果分别如图4、图5所示。
由图4可以得出，在一帧的数据(oVD的一个时钟周期内的数据)中，前1/3帧显示红色(oLCD_R对应255)，中间1/3帧显示绿色(oLCD_G对应255)，后1/3帧显示蓝色(oLCD_B对应255)；则相应的屏幕上1～90行显示为红色、91～180行为绿色,180～272行为蓝色,如图6所示。
下面分析X坐标值。由图5可以看到，当产生触摸时笔中断信号PENIRQ变为低电平，此时片选信号CS变为低电平，其低电平维持时间为24个DCLK时钟周期，在前8个时钟周期DIN端口写入控制字为10010010，在第10个时钟DOUT端口开始接收转化的12 bit数据,其值为011110001000。同理可分析Y坐标值。在DOUT端口接收X、Y坐标值之后，通过串并转换最终得到并行输出的X、Y的坐标值，如图5中的oX和oY端口所示。
2.2 最终显示效果
FPGA采用Altera公司的EP2C70F896C6；彩色液晶触摸屏采用台湾东华公司的WXCAT43-TG3#001R。最终的显示效果如图6所示。
使用Verilog HDL编写触摸界面过于复杂，通过软件设计触摸屏操作界面则需要编写彩色触摸屏的IP核，本设计基于FPGA的彩色触摸屏控制器能够实现颜色深度为24 bit,分辨率为480×272的TFT-LCD控制和ADS7843芯片的时序控制，为后续IP核的编写工作打下了基础。