TSC2200：PDA模拟接口电路的全面解析

在电子设备的设计中，模拟接口电路起着至关重要的作用，它能实现模拟信号与数字信号的转换和处理。今天我们要深入探讨的是德州仪器（Texas Instruments）的TSC2200，一款专为个人数字助理（PDA）等设备设计的模拟接口电路。

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一、TSC2200概述

TSC2200是一款功能强大的模拟接口电路，适用于人机交互设备。它采用基于寄存器的架构，通过标准SPI总线与基于微处理器的系统轻松集成。所有外设功能都可通过寄存器和板载状态机进行控制。其主要组成部分包括触摸屏接口、键盘接口、电池监测器、辅助输入、温度监测器和电流输出D/A转换器。

1.1 特性亮点

• 多接口支持：具备4线触摸屏接口和4x4键盘接口，能满足不同输入设备的连接需求。
• 比率转换：采用比率转换方式，可实现更精确的测量。
• 宽电源范围：支持2.7V至3.6V的单电源供电，适用于多种电源环境。
• 串行接口：通过标准SPI串行接口进行通信，方便与主机处理器连接。
• 多种检测功能：可内部检测屏幕触摸和键盘按键操作。
• 可编程特性：分辨率可在8位、10位或12位之间选择，采样率也可编程设置。
• 多功能测量：支持直接电池测量（0.5V至6V）、片上温度测量和触摸压力测量。
• 低功耗控制：具备全功率关断控制功能，可有效降低功耗。
• 多种封装形式：提供TSSOP - 28和QFN - 32两种封装，满足不同应用场景的需求。

1.2 应用领域

TSC2200广泛应用于个人数字助理、手机、MP3播放器等设备，为这些设备提供了可靠的模拟信号处理解决方案。

二、TSC2200的工作原理与关键模块

2.1 触摸屏操作原理

电阻式触摸屏通过在电阻网络上施加电压，并测量输入笔、手指触摸屏幕时矩阵上某一点的电阻变化来确定位置。TSC2200支持4线电阻式触摸屏配置，通过测量X和Y坐标来确定触摸位置，还可测量触摸压力（Z）。

2.1.1 坐标测量

对于4线触摸屏，其由两层透明电阻层通过绝缘垫片隔开组成。测量Y位置时，将X + 输入连接到数据转换器芯片，打开Y + 和Y - 驱动器，对X + 输入处的电压进行数字化处理。同理，测量X位置时，对另一轴施加电压并进行转换，从而得到X和Y坐标。

2.1.2 压力测量

TSC2200支持两种测量触摸压力的方法。第一种方法需要知道X板电阻、测量X位置以及两个额外的交叉面板测量值（Z1和Z2），通过公式(R{TOUCH }=R{X -Plate } cdot frac{X -Position }{4096}left(frac{Z{2}}{Z{1}}-1right))计算触摸电阻。第二种方法需要知道X板和Y板电阻、测量X和Y位置以及Z1，通过公式(R{TOUCH }=R{X -Plate } cdot frac{X - Position }{4096}left(frac{4096}{Z{1}}-1right)-R{Y -Plate } cdotleft(1-frac{Y -Position }{4096}right))计算。

在实际应用中，触摸屏被触摸时，面板电压会出现过冲并逐渐稳定，因此需要设置面板电压稳定时间，以确保测量的准确性。此外，为了减少触摸屏拾取的噪声，可能需要在触摸屏上跨接外部电容，但这会增加额外的稳定时间。TSC2200提供了可编程延迟时间来解决这个问题。

2.2 A/D转换器

TSC2200的A/D转换器是其核心模块之一，模拟输入（如X、Y、Z触摸屏坐标、电池电压监测、芯片温度和辅助输入）通过多路复用器提供给逐次逼近寄存器（SAR）A/D转换器。该转换器基于电容重新分配架构，具有采样和保持功能。

2.2.1 独特配置

通过低导通电阻开关的独特配置，未选中的A/D转换器输入通道可为触摸屏提供电源，相应引脚提供接地，从而消除驱动开关导通电阻引起的误差。

2.2.2 控制与模式

A/D转换器由A/D转换器控制寄存器控制，可通过该寄存器编程选择通道、扫描操作、平均次数、分辨率和转换速率等。其输出数据采用直二进制格式，结果存储在相应的结果寄存器中。

2.2.3 参考电压

TSC2200具有内部电压参考，可通过参考控制寄存器设置为1.25V或2.5V。内部参考电压仅在单端模式下用于电池监测、温度测量和辅助输入。触摸屏测量采用比率转换，自动在差分模式下进行，以实现最佳性能。此外，还可通过VREF引脚施加外部参考电压，并关闭内部参考。

2.2.4 可变分辨率

A/D转换器提供8位、10位或12位三种不同的分辨率。较低的分辨率通常适用于触摸压力等测量，可减少转换时间和功耗。

2.2.5 转换时钟和时间

TSC2200内部有一个8MHz时钟，用于驱动设备内部的状态机。该时钟经过分频后为A/D转换器提供时钟，分频比可在A/D转换器控制寄存器中设置。不同的分辨率需要不同的转换时钟频率，例如8位分辨率可使用8MHz时钟，10位分辨率适合4MHz时钟，12位分辨率则需要1MHz或2MHz时钟。转换时间受多种因素影响，包括转换时钟速度、面板电压稳定时间等。

2.3 数字接口与通信协议

TSC2200通过标准SPI总线进行通信，支持全双工、同步、串行通信。主机处理器作为主设备，生成同步时钟并发起传输，TSC2200作为从设备依赖主设备启动和同步传输。

2.3.1 通信过程

传输由主SPI发起，主SPI的字节在主串行时钟的控制下从MOSI引脚移入TSC2200，同时TSC2200的字节从MISO引脚移出到主移位寄存器。串行时钟的空闲状态为低电平（CPOL = 0），时钟相位位设置为1（CPHA = 1）时，主设备在第一个串行时钟边缘开始驱动MOSI引脚，从设备开始驱动MISO引脚。SS引脚在传输之间应保持高电平，TSC2200仅解释在SS引脚下降沿之后传输的命令字。

2.3.2 命令协议

TSC2200的控制通过向不同寄存器写入数据来实现，使用16位命令进行寄存器的读写操作。命令字的第一位是R/W位，指定数据传输方向；接下来的四位指定内存页面；再接下来的六位指定该页面上的寄存器地址；最后五位保留供未来使用。

2.4 寄存器功能

TSC2200的寄存器分为数据页（Page 0）和控制页（Page 1）。数据页用于存储转换结果或键盘扫描数据，控制页用于控制设备的各种功能。

2.4.1 A/D转换器控制寄存器

该寄存器控制A/D转换器的多个方面，包括笔状态/控制模式（PSM）、A/D转换器状态（STS）、功能选择（AD3 - AD0）、分辨率控制（RS1、RS0）、转换平均控制（AV1、AV0）、转换时钟控制（CL1、CL0）和面板电压稳定时间控制（PV2 - PV0）等。

2.4.2 D/A转换器控制寄存器

该寄存器的单一位控制板载D/A转换器的电源关断状态。当该位为0时，D/A转换器通电并正常工作；当为1时，D/A转换器断电，Aout引脚既不吸收也不提供电流。

2.4.3 参考寄存器

用于控制内部参考的操作，包括内部参考模式（INT）、参考上电延迟（DL1、DL0）、参考电源关断（PDN）和参考电压控制（RFV）等。

2.4.4 配置控制寄存器

控制触摸检测电路的预充电和检测时间，包括数据可用位（DAVB）、预充电时间选择（PRE[2:0]）和检测时间选择（SNS[2:0]）。

2.4.5 键盘寄存器

包括键盘控制寄存器和键盘掩码寄存器。键盘控制寄存器控制键盘扫描和去抖动等功能，键盘掩码寄存器可屏蔽某些按键的检测。

2.4.6 数据寄存器

用于存储A/D转换结果、键盘扫描数据或D/A转换器输出电流值。除D/A转换器寄存器初始设置为0080H表示D/A转换器的中值输出外，其他寄存器在复位时默认值为0000H。

三、操作模式与测量方法

3.1 触摸屏测量操作模式

TSC2200在触摸屏测量方面提供了多种操作模式，为主机处理器提供了极大的灵活性。

3.1.1 触摸检测时由TSC2200控制的转换

在这种模式下，TSC2200检测到触摸屏被触摸后，会使PENIRQ线变为低电平，并启动内部时钟。接着打开Y驱动器，经过编程的面板电压稳定时间后，启动A/D转换器转换Y坐标。如果选择了平均功能，会进行多次转换。完成Y坐标转换后，再打开X驱动器，转换X坐标。如果还需要测量触摸压力，则继续测量Z1和Z2值。整个过程的时间取决于所选的分辨率、内部转换时钟频率、平均次数、面板电压稳定时间、预充电时间和检测时间等因素。

3.1.2 主机响应PENIRQ发起的由TSC2200控制的转换

TSC2200检测到触摸屏被触摸并使PENIRQ线变为低电平后，主机识别到中断请求，然后向A/D转换器控制寄存器写入数据，选择触摸屏扫描功能。后续的转换过程与上一种模式类似，但转换开始的时机由主机决定。

3.1.3 主机控制的转换

在这种模式下，TSC2200检测到触摸屏被触摸并使PENIRQ线变为低电平后，主机需要控制转换的各个方面。通常，主机接收到中断请求后，会打开Y驱动器，等待稳定时间后，再次访问TSC2200，请求X坐标转换，然后重复该过程进行Y和Z坐标的转换。

3.2 温度测量

TSC2200提供两种温度测量模式。

3.2.1 单温度测量模式

该模式需要在已知温度下进行校准，但只需一次测量即可预测环境温度。通过测量二极管的正向电压，利用其与温度的特性关系进行温度预测。在最终产品测试时，将已知室温下的二极管电压存储在系统内存中进行校准，可实现0.3°C/LSB的等效温度测量分辨率。

3.2.2 差分温度测量模式

该模式无需测试温度校准，采用两次测量（差分）方法，可实现2°C/LSB的精度。通过对不同偏置电流下的电压差进行测量，利用公式(^{circ} K=frac{q cdot Delta V}{k cdot ln (N)})计算温度，其中(Delta V=Vleft(I{91}right)-Vleft(I{1}right)) 。

3.3 电池测量

TSC2200可以监测电压调节器另一侧的电池电压，电池电压范围为0.5V至6V。输入电压通过4分频后提供给A/D转换器，以简化多路复用器和控制逻辑。为了最小化功耗，分频器仅在电池输入采样期间开启。

3.4 辅助测量

两个辅助电压输入的测量方法与电池输入类似，可用于外部温度传感、环境光监测以控制背光或检测电池电流等应用。

3.5 端口扫描

如果需要定期对所有模拟输入（除触摸屏外）进行测量，可以使用端口扫描模式。在该模式下，TSC2200会对两个电池输入和两个辅助输入进行采样和转换，一次写入操作即可完成四次不同的测量。

3.6 D/A转换器操作

TSC2200的板载8位D/A转换器配置为电流沉（Aout），由连接在ARNG引脚和地之间的电阻值控制。该转换器有一个控制寄存器，用于控制转换器是否上电。8位数据通过D/A转换器数据寄存器写入。其输出电流范围有限，可通过改变RRNG电阻值进行调整，但实际输出电流范围可能会有±20%的变化，并且会随温度变化，温度系数约为 - 2µA/°C。

3.7 键盘接口操作

TSC2200的键盘接口适用于最多4x4键的矩阵键盘。通过键盘控制寄存器设置键盘扫描速率和去抖动时间，键盘掩码寄存器可屏蔽某些按键的检测。当检测到按键按下时，TSC2200会自动扫描键盘并进行去抖动处理，然后将KBIRQ线拉低，扫描结果存储在键盘数据寄存器中。

四、布局建议

为了使TSC2200获得最佳性能，在布局时需要注意以下几点：

4.1 电源与旁路

• 为TSC2200提供干净且经过良好旁路的电源。在设备附近放置一个0.1µF的陶瓷旁路电容，若+VDD与电源之间的连接阻抗较高，可能还需要一个1µF至10µF的电容。
• 由于参考由内部运算放大器缓冲，通常不需要旁路电容。但如果使用外部参考电压且来自运算放大器，要确保其能驱动所使用的旁路电容而不产生振荡。

4.2 参考输入

TSC2200在使用外部参考输入时，对噪声或电压变化没有固有的抑制能力。特别是当参考输入连接到电源时，电源的噪声和纹波会直接出现在数字结果中。虽然高频噪声可以通过滤波去除，但由于线频率（50Hz或60Hz）引起的电压变化较难消除。

4.3 接地

GND引脚应连接到干净的接地点，通常为“模拟”接地。避免连接到离微控制器或数字信号处理器接地点太近的地方。如有需要，可从转换器直接引出接地走线到电源入口或电池连接点。理想的布局应包括一个专门用于转换器和相关模拟电路的模拟接地平面。

4.4 触摸屏连接

在与电阻式触摸屏连接时，要确保连接尽可能短且牢固。因为电阻式触摸屏的电阻较低，连接松动可能会导致接触电阻变化，从而产生误差。

4.5 噪声处理

在触摸屏应用中，噪声可能是误差的主要来源，例如需要背光LCD面板的应用。可以使用底部带有金属层并接地的触摸屏，将大部分噪声耦合到地。此外，在Y + 、Y - 、X + 和X - 到地之间添加滤波电容也有助于减少噪声，但会增加屏幕稳定时间和PENIRQ电路的预充电和检测时间。

五、总结

TSC2200作为一款功能丰富的PDA模拟接口电路，为电子设备的设计提供了全面的解决方案。它的多种特性和灵活的操作模式使其适用于各种应用场景，无论是触摸屏操作、电池监测、温度测量还是键盘接口，都能提供准确可靠的性能。在实际设计中，我们需要根据具体需求合理配置寄存器，选择合适的操作模式，并注意布局和噪声处理等问题，以充分发挥TSC2200的优势。你在使用TSC2200或类似模拟接口电路时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。