红外线触摸屏范文

红外线触摸屏范文（精选4篇）

红外线触摸屏 第1篇

关键词：红外线触摸屏,工作原理,稳定性

1 硬件平台及主要工作原理

红外触摸屏主要基于在屏幕四周放置红外发射管和红外接收管, 发射管和接收管是一一对应的关系。本系统中的微处理器是核心元件, 它控制红外对管以扫描方式工作, 由左右方向的对管进行逐行扫描, 上下方向的对管进行逐列扫描, 这样在整个触摸屏的框内形成了一个由水平检测光栅与垂直检测光栅组成的红外检测区, 平常没有手指或其它物体进入这个检测区时, 每对红外对管之间没有遮挡物, 红外接收管能够顺利接收到由红外发射管发射的红外线, 这时每个红外接收管的输出电平均较低, 微处理器扫描不到触摸物, 触摸屏处于非触摸的状态。当有手指或其它物体触摸到触摸屏, 由于触摸物的遮挡, 在水平和垂直方向必然会有一或几条光栅被挡, 位于这些光栅上的红外接收管就会收不到相应的红外线, 该红外接收管的输出电平就会升高, 微处理器采样到的信号就会发生变化, 根据这个变化即可检测出触摸点的坐标。触摸屏的整个工作过程就是在微处理器的控制下, 不停的扫描红外检测区, 确认触摸点的坐标, 按照主机的要求, 以一定的方式把坐标报告给主机。控制原理如图1所示:

从上图可以看出, 微处理器主要采用ATMEL公司的XMEGA32, 本机芯使用的主芯片是ATMEL的高集成度芯片ATMEL XMEGA32, 该芯片是一款高性能、低功耗的8位微处理器, 微处理器电路如图2所示:

微处理器XMEGA32输出的逻辑电平Y*-SLT1/SLT2/SLT3分别控制Y方向信号接收端的8选1模拟开关74HC4051和信号发射端的8路分配器74HC238, 保证X方向发射端和接收端的收发时序完全保持一致。X*-SLT1/SLT2/SLT3是控制X方向信号接收端的8选1模拟开关74HC4051和信号发射端的8路分配器74HC238, 保证Y方向发射端和接收端的收发时序完全保持一致。

微处理器XMEGA32输出的同步脉冲Y1-SYN, Y2-SYN和时钟频率Y1-CLK分别控制接收端和发射端的移位寄存器74AC164。在主控制IC发出的时钟信号上有两个不同频率的时钟, 如图5里面的通道1所示, 我们称最前面的时钟为移位时钟, 后面的时钟为存储时钟, 通过SYN端发送的数据写入写入移位寄存器后, 在移位时钟的上升沿即可将数据置入锁存器中。利用移位锁存的这一特点, 可在移位时钟的上升沿将将脉冲移至发射管和接收管, 并在存储时钟的上升沿点亮发射管和接收管。

微处理器XMEGA32的数据采集端口为AD-X*, AD-Y*, 该端口主要接收经过处理的红外接收信号。

由于我们开发的是大尺寸的触摸屏, 红外发射管和红外接收管的距离比较远, 这就要考虑发射管的驱动电流的问题, 驱动电流小, 接收管接收到的红外信号会很弱, 这样会影响整个系统的性能。为了提高驱动电流, 我们从两个方面进行了改善。

1) 选用发射波长为850nm的红外发射管, 目前市面上用的红外二极管主要有850nm和940nm两种, 850nm的二极管相对940nm的二极管发射灵敏度要高很多。这样在发射二极管和接收二极管一对一的情况下接收信号要更强。

2) 在红外驱动电路中采用调制的方式, 同时在红外管驱动过程中采用电流放大的器件。对红外管进行调制驱动的优点是发射距离远, 能提高发射效率, 同时抗干扰能力强。

针对红外接收管接收到的红外信号, 在进微处理器进行AD转换之前, 为了使得处理器采样精准, 我们对采样信号做了一系列的处理, 包括滤波电路、放大电路、整流电路、积分电路很自动增益电路。信号处理的的电路框图为:红外信号带通滤波器一级放大滤波放大整流电路积分电路自动增益电路A/D采样。

2 软件控制部分

红外线触摸屏的软件实际上可分为两部分:1) 控制部分, 该部分的软件程序主要存于ATMELXMEGA32的内部RAM中, 主要作用是对X和Y轴的红外发射管和红外接收管进行扫描, 捕捉进入的触摸点并计算坐标。2) 上位机部分, 即PC部分。上位机部分实际为一套基于WINDOWS操作系统的一个驱动程序, 主要目的是使触摸屏能够作为电脑的一种输入设备 (类似于鼠标) 进行工作。

3 小结

基于MCU的红外多点触摸屏设计 第2篇

1 系统原型

1.1 系统结构

该文基于22英寸的LCD监视器实现了红外多点触摸屏的设计方案,如图1所示,该方案首先沿LCD监视器四周安置红外发射管和红外接收管,红外发射管和红外接收管一一对应放置,红外发射光发射红外光线,对应的红外接收管收到光信号,形成一个虚拟的矩形坐标系统。当用户的手指或触摸笔点击屏幕时,则会阻挡红外线发射管的发射线路,对应红外接收管则无法接收光信号,系统根据此种现象对触摸点进行定位,并通过usb口与PC相连接,将定位结果显示在PC屏幕上。

如图2所示,该方案主要有以下几部分组成:

1)控制模块:由红外接收管、红外发射管,红外管发射和接收控制模块、红外光信号处理模块和红外光信号放大模块等部分组成,主要负责处理驱动红外发射管发射红外接收、红外接收管收到的光信号的放大、AD转换和信号分析,将数据发送到操作模块。

2)操作模块:由触摸点数据存储模块、触摸点数据计算模块、多点触摸辨别模块组成,负责处理从控制模块发送过来的触摸到数据并对单点触摸和多点触摸进行识别,并将其显示在LCD屏幕上。

3)通讯模块:完成PC上层软件与下面模块的数据通讯。

4)触摸屏驱动模块:负责接收红外多点触摸屏的触摸点相关信息与数据,并显示在PC屏幕上。

1.2 多点触摸识别坐标系统

该文提出的多点触摸识别系统由以下几部分组成(图3、图4):

1)第一坐标多点触摸识别模块(A)分别由红外光发射管和红外接收管沿水平方向和垂直方向对应安置在电路印刷板的正面。

2)第二坐标多点触摸识别模块(B)将水平方向和垂直方向的红外发射管和红外接收管旋转一定角度(如35°)安置,形成与水平X轴和垂直Y轴不同的坐标体系,该模块放置在系统电路板的背面。

3)MCU模块负责连接两个多点触摸识别系统,对发射管进行驱动和接收管进行A/D转换。

4)触摸点显示模块接收MCU发送的触摸点的坐标数据,并根据坐标数据将触摸点显示在屏幕上。

第一坐标识别模块由红外发射管和红外接收管组成,发射管和接收管沿水平和垂直方向相对布置(图3),本方案将红外接收管安置在屏幕上边框,有效降低了外界光线对本模块的影响。该模块由安置底部的红外发射接收对管形成X轴坐标,如X1,X2,X3,,Xn,由垂直布置的红外发射接收对管构成Y轴坐标,如,如Y1,Y2,Y3,,Yn。当用户的手指或触摸笔触摸屏幕时,从红外发射管发射出的红外线会被手指或触摸笔阻挡,此时MCU扫描水平方向和垂直方向的接收管,即可计算出触摸点的二维坐标。但该触摸识别模块接收到两个点以上的触摸时,如图5中Z1和Z2点为真实触摸点,当系统扫描红外接收管的光信号变化,由于Z1和Z2点为同时触摸,系统会识别出Z1(x1,y1),Z2(x2,y2),Z3(x1,y2)和Z4(x2,y1)四个点,而Z3和Z4为伪触摸点,该现象导致多点触摸识别错误,降低了红外多点触摸屏的可靠性。有些红外触摸屏设计方案提出利用两个触摸点的触摸时间差来进行伪触摸点的剔除,还有提出在红外触摸屏外增加复杂辅助电路进行识别。上述方法都不能从根本上解决红外触摸屏识别多点触摸的可靠性问题[9,10,11]。

为解决伪触摸点识别问题,我们提出第二坐标多点触摸识别模块,该模块将原来在水平和垂直两个方向上的红外发射和红外接收对管旋转一定角度安装,形成新的定位坐标轴X’轴和Y’轴,X’轴和Y’轴分别与水平方向及垂直方向形成一定的夹角,同一触摸点在两个坐标体系中具有不同的坐标值,从而可以区分图3描述的触摸点和伪触摸点,提高触摸点识别率。

1.3 多点触摸识别算法

本方案提出的算法是首先MCU驱动第一坐标多点触摸识别模块,对触摸点进行定位,在用户单击触摸屏时,该模块可以准确识别触摸点,当有两个以上触摸点需要识别时,如图6所示,识别模块检测到Z1(x1,y1),Z2(x1,yn)两点,Z1和Z2在Y轴坐标上由于相距较远,Y轴坐标分别为y1和yn。在X轴坐标上,由于距离非常近两点具有相同坐标x1。此时,系统扫描红外接收管得到的触摸点的坐标数值为(x1,y1,yn),系统无法确定两个触摸点的坐标值,造成红外触摸屏的多点触摸识别错误。

在本方案中,MCU驱动第二坐标多点触摸识别模块的红外发射管和红外接收管,在第一坐标多点触摸识别模块中Z1和Z2点,在新坐标系统中其坐标为(k2,l1)和(kn,l2),将新坐标系统与已有坐标系统融合,我们即可得出触摸点的新坐标为(xn,yn,kn,ln)。如图7、8所示。

在新的坐标系统中图5中所出现的Z1和Z2点的不能正确识别的问题,由于两点在新坐标中具有不同的(kn,ln),即在系统中Z1点的坐标为(x1,y1,k2,l1),Z2点的坐标为(x1,yn,kn,l2),从而可以被正确识别。

2 实验及数据分析

我们针对该文提出红外多点触摸屏设计方案原型与普通红外触摸屏对多点触摸识别错误率进行了测试比较,测试路径如图中虚线所示。

在实验中,我们演测试路径一共测试170个点,在普通红外触摸屏中测试时约68个点无法识别,识别错误率在40%左右,而在该文系统原型中,错误率仅为5%(如图8所示)。通过实验测试,该文所提出的红外多点触摸屏方案原型可以解决红外触摸屏在日常使用时出现的多点触摸识别困难的问题。

3 结论

该文描述了一种新红外多点触摸屏设计方案,并基于STM32芯片实现了该方案原型平台,通过多点触摸实验表明该文设计方案与普通红外触摸屏相比,多点触摸识别错误率低,具有较高的多点触摸识别率。该文系统原型在结构复杂性、成本及透光率等方面都优于普通电容屏和基于机器视觉的多点触摸屏,而多点触摸识别错误率方面接近普通电容屏的指标。

摘要：近年来,多点触摸技术成为人机交互领域研究与应用的热点。与其他触摸屏相比,红外触摸屏具有应用成本低、维护简单、适应性强等特点,得到了广泛的应用。该文提出一种新的红外多点触摸屏的设计方案,该方案沿四个坐标轴方向安置红外发射管和红外接收管,利用MCU进行光信号处理和触摸点定位,通过四维坐标体系定位算法提高了红外触摸屏的多点触摸识别的正确率。

关键词：红外,触摸屏,多点触摸,四轴,MCU

参考文献

[1]Nichols S J V.New Interfaces at the Touch of a Fingertip[J].Computer,2007,40:12-15.

[2]Shneiderman B.Touch screens now offer compelling uses[J].Software,IEEE,1991(8):93-94,107.

[3]Rekimoto.SmartSkin:an infrastructure for freehand manipulation on interactive surfaces[J].Proceedings of the SIGCHI conference on Hu man factors in computing systems:Changing our world,changing ourselves,ACM,2002:113-120.

[4]李谦升.基于计算机视觉的多点触摸系统的设计与实现[D].上海:上海大学,2008.

[5]龚丽娟,陆以勤,吕锦.触摸屏数据处理算法及研究[J].微计算机信息,2006,22:37-41.

[6]顾召辉,刘志恒,王正为.一个多点触摸系统软件体系框架[J].计算机与现代化,2011(9):199-204.

[7]孙杨,张永栋,朱燕林.单层ITO多点电容触摸屏的设计[J].液晶与显示,2010,25(4):551-553.

[8]白石,王延峰,黄敏,等.LCD触控感应技术发展趋势[J].液晶与显示,2010,25(4):572-575.

[9]张明,黄子强.基于I2C总线的高分辨率红外式触摸屏设计[J].电子设计应用,2008(7):96-97.

[10]张明.抗强光干扰的高精度红外触摸屏设计与实现[D].成都:电子科技大学光电信息学院,2008.

一种新型抗阳光干扰红外多点触摸屏 第3篇

随着计算机技术的发展,触摸屏在人机交互领域扮演着越来越重要的角色。它不仅简化了用户对计算机的操作方式,同时赋予了多媒体系统以崭新的面貌。目前触摸屏主要分为四大类:电阻触摸屏、电容触摸屏、表面声波触摸屏和红外触摸屏。除了红外触摸屏外,其它的触摸屏都存在透光率低、容易受损、维护复杂等缺点,很难在恶劣的环境下长期稳定的工作。

红外触摸屏利用红外光矩阵对触摸区域进行扫描,通过触摸物对光线的遮挡定位触摸坐标[1]。相比其它类 型的触摸 屏,红外触摸 屏光透过 率为100%,不受电流、电压和静电干扰,适宜恶劣的环境条件,且易于安装和维护。但红外触摸屏本身也有易受阳光干扰,分辨率低及多点识别困难的缺陷。针对这些缺陷,已有多种技术被提出,但很多方法在一定程度上解决问题的同时也带来了各种负面因素。

本文通过采用在红外触摸屏的左右两侧及上下两侧同时都排布红外发射管和红外 接收管的 方式[2],解决了全角度阳光直射而影响触摸屏工作的问题。利用恒流驱动芯片和数字电位器对硬件电路进行改进,进而提高了触摸检测精度。同时还给出了通用低复杂度的有效算法进行单点和双点坐标的定位识别。结合以上工作,设计出的红外触摸屏具有良好的抗光干扰性能,分辨率高,响应速度快,可以在恶劣环境下稳定工作。

1硬件设计

1.1系统架构

本文设计的红外触摸屏主要由两大部分组成: 触摸检测框和主控板。系统总体结构如图1所示。

红外发射管和红外接收管分别安放在触摸检测框的两组对边上,当触摸屏上电工作后将在框中间的触摸区域形成红外线栅格,任何不透明的物体进入触摸区域后将阻断红外线,此时光电接收电路的信号将发生改变,该信号通过放大电路被MCU的ADC接收并识别其变化,据此计算出触摸坐标位置,然后分析触摸点数和触摸状态,将这些数据整合发送给上位机。

1.2抗阳光干扰电路设计

太阳光中红外光约占50%,在有太阳光的环境使用红外触摸屏会受到极大干扰,在光照变化较大时会引起误动作。现有的技术中采用两种方式:一种是电气防光;另一种是物理防光。常用的方案有[3]:

(1)在红外接收管上加装滤光或进行环氧封装以滤除部分光干扰;

(2)采用脉冲方式,使红外发射管发射固定频率信号,接收管只对相同频率信号进行扫描。

第一种方案只能滤除部分的杂光干扰,当阳光直射时,接收管仍会饱和,触摸屏就无法在这种情况下继续使用。而第二种方案抗干扰效果虽然较好, 但其硬件电路较为复杂,且当触摸屏尺寸较大时,触摸过程的响应时间将会很长,影响用户的正常使用。

本文采用如图2所示的红外对管的排布方式来解决阳光的干扰问题。

在红外触摸屏的左右及上下两侧同时都排布红外发射管和红外接收管,两者交叉排列,根据正在工作的某一侧的红外接收管检测到的强阳光干扰信号强度判定受到阳光干扰的程度,在认定阳光干扰影响触摸屏正常工作时,自动切换到另一组扫描电路以避开阳光的直射。该方案不需复杂电路检测处理技术,在阳光的直射和环境光散射情况下,不会导致红外触摸屏的失效或误操作[2]。

1.3红外发射电路设计

驱动红外发射管发光是触摸屏工作的基础,尤其要保证红外发射管发光强度的一致性和稳定性。发射管发光强度保持一致可以减小个别发射管老化坏损的概率,从而延长了触摸屏的使用寿命;如果发光不稳定则会在坐标定位时产生抖动或跳变,影响到触摸检测的准确性。

目前在红外触摸屏设计中对红外发射管的驱动主要分为恒压驱动和恒流驱动两种方式,这两种方式驱动红外发射管所产生的信号波形图如图3所示。

根据实验结果可知,恒流驱动相比于恒压驱动可以更好的保持红外发射管发光强度的一致性和稳定性。本文采用东芝TB62726来驱动红外发射管, 该芯片内建COMS移位寄存器和锁存功能,提供16个恒流输出通道。如图4所示,设计电路时可选用不同阻值的外接电阻(REXT)来调节各端口的电流大小,以此精确控制LED发光强度,使得红外发射管工作在合适的电流范围内,将多个TB62726芯片级联来驱动红外发射管,控制器只需要使用四个管脚来控制扫描,降低了软硬件的复杂度。

1.4可编程放大电路设计

可编程放大电路主要由光电转换电路、数字电位器、轨到轨运算放大器和2.5V基准电压源组成。其等效电路图如图5所示。

光电转换电路中的电阻R0接在光电三极管VT的下端,该连接方式输出的信号线性度较好,稳定性较高[3]。其中电阻R0的取值决定了放大电路输入信号U0的大小。在R0的阻值较大情况下,光电转换电路的灵敏度较高,但电路的光强接收范围将缩小,特别的,当光线稍强时,较大的电阻值会使得U0到达饱和值,致使触摸屏无法正常工作,因此这里的电阻R0取较小值,产生的小电压通过放大电路后再进行AD转换。

运放A和与其连接的电阻组成减法电路,该电路的输入输出的关系为:

设计时取四个电阻阻值相同,可得:

由2.5V基准电压源经过数字电位器分压产生,在发射管未选时先选通接收管得到环境光产生的电压,通过MCU调节数字电位器A使得Vout2为0,此时的Vref便为环境光照射产生的电压值,将发射管选通后所得的电压值减去Vref,就能很大程度上去除环境光变化产生的干扰。

运放B和数字电位器B组成可变增益电路:数字电位器由8位串行输入来控制W端口的阻值,W端口相当于可变电阻的中心抽头,与运算放大器的反相输入端连接,组成可编程放大电路。增益公式为:

其中,RH/RW=255/DIN。由此可得串行输入数字电位器B的数据应为:

Av 的大小在触摸屏工作时依据处理器接收的信号值进行调整,使得接收的信号接近参考电压,提高AD转换的精度。

在红外触摸屏中使用该可编程放大电路的优点总结如下:

(1)使用减法电路去除环境光照射电压值,避免了环境光变化影响触摸检测;

(2)依据接收信号强度调节增益,实现最大精度的AD转换,提高分辨率;

(3)在LED老化而发光效率下降时,通过提高增益增强信号,延长触摸屏使用寿命。

2软件设计

2.1总体流程

软件部分主要包括初始化模块,数据采集模块, 坐标获取模块和数据通信模块。主函数的总体流程如图6所示。其中对于坐标数据的准确获取和两点触摸的识别是红外触摸屏软件算法的关键部分。

2.2坐标计算

触摸物体对红外对管的遮挡情况如图7所示,红外接收管接收到的红外光强度与触摸物在横向的遮挡面积可建立近似线性的关系,因此可以对红外接收信号的强度进行量化分级处理,以提高触摸检测的分辨率[1]。

假设被遮挡的管子序号从M到N,为了计算触摸物的中心位置,需要计算其边界的坐标,也就是要求出M管和N管上的偏移量。为了提高准确性, 在检测开始阶段分别获取了自然光的强度值数组Data0[]和无遮挡情况下的红外发光强度值数组Data1[],当前扫描获得的强度值数组为Data[],则可得出遮挡偏移量计算公式为:

根据图7可得出触摸坐标公式为:

其中Scale为量化级数,结合式(5)与式(6)就可计算出当前触摸的位置坐标。

2.3两点触摸的识别

由于红外触摸屏本身扫描方式的限制,当两点触摸发生时检测判断会产生虚触点,针对这个问题现有的解决方案主要有:

(1)增加摄像头作为辅助判断区分多个触摸点[4];

(2)使用两套扫描电路进行多点的识别[5];

(3)使用一对多扫描方式增加数据去除虚触点[6]。

这些方法要么增加了成本或电路的复杂度,要么耗费了扫描时间降低了响应速度。本文提出了可识别两点且低复杂度的扫描策略:首先进行常规的X,Y两个方向扫描,然后对所得数据进行分析,如果判断为多于一点触摸时则进入两点识别过程,具体识别算法如图8所示。在这个过程中,我们只需对长边进行斜向的扫描,即第i只红外发射管发光时,对应选通第i+j只接收管进行接收,这里要求两只管子的连线与垂直方向的角度差要使得红外发射管发光强度的衰减量α>0.8。当扫描到第一个被遮挡管时,便停止扫描并进行数据分析。这样的方法对于两点识别行之有效,且不会耗费大量的扫描时间,不影响到用户多点触摸的体验。

3验证测试

本文设计的 红外触摸 屏的主控 制器选用STM32f103系列处理器,其工作频率为72MHz,拥有12位的高速模数转换器,满足触摸屏对响应速度和分辨率的要求。同时STM32兼具USART和USB接口,这丰富了开发和应用过程中与上位机的通信手段。程序算法在uVision3开发环境下使用C语言编写实现。分别在室内和室外阳光照射下进行了单点和两点触摸的测试,主要参数的测试结果为:

(1)响应速度:单点触摸小于10ms,两点触摸小于18ms;

(2)抗阳光干扰:良好;

(3)移动平滑度:良好;

(4)触摸物要求:尺寸大于3mm不透明物均可。

4结语

本文在系统设计过程中考虑到目前红外触摸屏所存在的分辨率低、易受光干扰问题,采用在红外触摸屏双倍交叉排布红外对管的方式消除阳光照射的干扰,利用恒流驱动芯片和可编程放大电路优化了传统的硬件电路,以配合所提出的坐标定位和两点识别算法,最终基于STM32处理器设计出一种响应速度快,分辨率高,不易受阳光干扰的红外多点触摸屏,经测试触摸屏性能稳定,可在恶劣的环境中正常工作,具有较为广泛的应用价值。

摘要：为了满足恶劣环境对触摸设备的特殊要求,本文设计了一款新型红外触摸屏,采用四边均排布红外发射、接收管方案,并根据阳光照射情况自动选择接收边的方法消除阳光照射干扰,利用恒流驱动芯片和数字电位器提升了工作稳定性和使用寿命,在此基础上提出了坐标定位和两点识别的算法,实现了红外触摸屏在阳光照射条件下对两点触摸的较高精度识别。

程控增益在红外触摸屏中的应用 第4篇

红外触摸屏主要依靠分布在X方向和Y方向的红外线矩阵工作,由于红外对管的特性参数不可能完全一样,管子长时间工作也会老化,再加上焊接时管与管之间完全对齐也是不可能的,因此一个红外触摸屏的接收管接收到的信号幅度也不可能完全一致,可能有些幅度很高,有些幅度很低,以至于不能正确检测出该触摸点。如果单纯靠整体提高放大器的放大倍数来达到每只管子都能被检测到的目的,此时红外触摸屏抗环境光干扰的能力又会减弱,因为太阳光中大约有50%是红外光[2],而红外触摸屏的接收部分采用的是红外三极管,它对红外光极其敏感,在放大发射管发射红外信号时,同时也将接收到的环境中的红外干扰信号也放大了,而这种干扰信号往往又强于红外发射管发射的信号,因此放大倍数越高,这种影响作用越强,以至于有用信号很容易被淹没掉。为了解决这一问题,传统的方式有:选择特性参数尽量一致的红外对管;采用精度高的机器焊接;采用发射功率较大的发射管;信号处理时保证在不受一定程度环境光影响的情况下尽量的提高放大倍数等。而本文则提出了利用程控增益的方法来解决这一问题,既简便又可靠。

1 系统设计思想

红外触摸屏的系统框图如图1所示,它主要包括红外发射与红外接收电路、数字电位器、运算放大器、A/D转换电路、MCU主控制器以及USB通信电路。

本系统的主控制器采用具有低功耗、高性能、低成本以及接口丰富的STM32芯片,该芯片自带2个12位的ADC,3个USART和1个USB。因此它不仅能提高模拟信号采集的精度,进而提高红外触摸屏的分辨率,而且自带的串口与USB口也使红外触摸屏与上位机的通信更加灵活、方便。在MCU的控制下依次扫描红外对管,被扫描到的红外接收管处将检测到微弱的信号变化,将采集到的此微弱信号经过放大器放大,然后再通过A/D转换后送到MCU进行处理计算,如果有触摸则采集的A/D值发生变化,通过比较计算则可确定该触摸点的位置,最后将计算得到的坐标值通过USB发送给上位机,从而实现了触摸定位功能。

由于各种原因的影响可能导致红外接收管接收到的信号幅度不一致。如果某些管子的幅度太低,可能就不能检测到该信号,因此也不能实现准确触摸;如果某些管子幅度太高,那么它们很容易达到饱和,因此又很易受到外界干扰光的影响,这些都大大降低了红外触摸屏的稳定性。为解决这一问题,本文在传统的电路基础上增加了一个数字电位器,与放大器构成了增益可调的放大电路,通过检测每只管子的信号幅度,根据这些幅度确定一个阈值,再通过程序控制数字电位器,根据阈值对不同幅度的管子进行不同倍数的放大,最后实现检测到的信号幅度基本一致,降低了生产过程中造成的各种影响,同时也能改善因管子老化造成的发射功率降低而导致接收到的信号幅度值偏低的影响,提高了红外触摸屏的寿命。

2 硬件实现

2.1 程控增益放大器

图2为基本的放大电路,其闭环电压增益[3]为

Avf =1+R3/R2 (1)

从式(1)中可以看出,若要改变放大器的增益,可以通过调节电阻R3或R2的阻值来实现。图3用一个可调电位器来代替图2中的R2,此时的闭环电压增益为

Avf =1+(R2+R12)/R23 (2)

但即便如此,也不能实现自动控制电压增益的目的,于是考虑采用数字电位器来代替图3中的可变电阻,即图4所示的带数字电位器的增益可调放大器。其中INC、U/D和CS为控制端口,由STM32主控芯片控制,RH和RL分别相当于图3中可调电阻的1端和3端,RW相当于可调电阻的中心抽头。

2.2 数字电位器的应用

X9C104是美国Xicor公司推出的X系列固体非易失性数字电位器,它是一个含有99个电阻单元的电阻阵列,其总阻值为100 kΩ,每个电阻单元之间和两个端点都有可以被滑动端访问的抽头,滑动单元的位置由INC、U/D和CS 3个输入端控制,滑动端的位置可以被储存在非易失性存储器中[4]。如图4所示,INC、U/D和CS分别连接到STM32F103的I/O口PB12,PB13和PB14,而电阻两端及抽头则连接到放大器的负输入端,其闭环电压增益为

Avf =1+(R2+RH-RW)/(RW-RL) (3)

其基本控制原理为:当CS为低电平时,若U/D为高电平,此时若给INC一个低电平脉冲信号,则电阻滑动抽头向上移动,Avf变小;若U/D为低电平时,此时若给INC一个低电平脉冲信号,则电阻滑动抽头向下移动,Avf变大,其控制时序如图5所示。

其中tCI在纳秒级而tIW的典型时间也只有100 μs,因此使其能够适用于对时间有一定要求的红外触摸屏,再加上其低功耗、低电压供电,对于目前采用USB供电的红外触摸屏来说也是非常好的选择。

3 软件实现

MCU控制数字电位器调节放大器的增益,进而调节每只接收管接收到的信号幅度值,其程序流程图如图6所示。初始化过程中首先采集每只管子的信号幅度值,并以列表的形式存储,再通过冒泡法找出幅度最大的10个值并求出其平均值,将此平均值作为阈值。将每次扫描得到幅度值与此阈值进行比较,若大于阈值,说明该接收管接收到的信号幅度太大,则通过MCU控制调节数字电位器滑臂向上滑动,即(RH-RW)减小,(RW-RL)增大,增益降低,从而使该接收管的信号幅度值降低。为了保证Vnow接近Vr,在进行数字电位器调节之前要计算出此时所需要的放大倍数,同时避免了调节后还要进行比较的过程,节约了时间。同样,当Vnow

4 实验结果分析

图7和图8分别是经过数字电位器调解前和调节后的接收管的波形图。实验中只对10只管子进行了调节,如图中箭头之间的管子,从图7中可以看出,不同管子的幅度还是有一定的差距,如第5只和第7只管子幅度较高,如果后期再经过运算放大器放大的话,这样的差距会显得更明显。图8是经过调节后的波形图,从图8中可以看到其幅度的一致性要比图7好得多,虽然数字电位器的精度和AD采集的精度等因素对调节仍然有一些影响,不可能将每只管子的幅度调到一模一样,但是这并不影响后端的数据处理。

通过该实验结果可以分析得出,如果第5只和第7只管子因为长时间工作而老化,这时对应的发射管发射的功率会降低,接收到的信号幅度值也会比其他管子低。这时如果通过同样的方法提高放大器的放大倍数,使这两只管子的幅度值接近其他管子,就可以避免因管子老化造成的误触摸或不能触摸的情况,实际中也就大大提高了红外框的使用寿命。

5 结语

本文研究了通过程序控制增益的方法来提高红外触摸屏的成品率和寿命,通过实验验证,该方法能有效改善因装配、焊接、管子特性参数不一致、管子老化等因素造成的不利影响。从而使红外触摸屏易于生产、使用寿命更长、应用场合更广。通过实验发现,该方法对于抗环境光干扰也有一定改善作用,因为当环境光太强烈时,势必把接收到的信号幅度值抬高,此时如果通过调节数字电位器,将那些受环境光干扰而使幅度值大于某个阈值的管子增益降低,在一定范围内也能够保证红外触摸屏能准确触摸。但这种调节也是有限的,笔者所在的实验室将其与其他技术结合起来,已成功研制出了抗强光干扰的红外触摸屏,其抗光能力已达到能够抵抗200 000 lx或以上日光的干扰,因此本文讨论的方案具有很高的实用价值。

摘要：研究了程控增益在红外触摸屏中的应用。整个系统采用STM32微处理器作为主控制单元,信号处理部分增加了数字电位器,并使其与运算放大器构成增益可变放大器。通过实验,程控增益的方法能大大提高红外触摸屏的成品率和寿命,同时对抗环境光干扰也有一定的改善作用。

关键词：程控增益,STM32,红外触摸屏,增益可变放大器,光干扰

参考文献

[1]张雪峰.触摸屏技术浅谈[J].现代物理知识,2004,16(3):43-45.

[2]张宏伟.多触点抗强光干扰红外触摸屏的设计与验证[D].成都:电子科技大学,2009.

[3]吴援明,唐军.模拟电路分析与设计基础[M].北京:科学出版社,2006.

[4]王光明.程控增益放大器的实现方法[J].电子工程师,2002,28(4):58-60.