基于FPGA的高分辨率紅外觸摸屏的設(shè)計

湯世洪 ，劉成安 ，陳泉根

（1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.西南科技大學(xué) 國防學(xué)院，四川 綿陽 621010；3.中國電子工程研究所 四川 綿陽621010）

隨著大屏幕顯示應(yīng)用越來越廣泛和科技的進步，使得紅外觸摸屏得到了長足的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。如紅外觸摸屏應(yīng)用于室內(nèi)的大屏幕顯示，大屏幕教學(xué)等領(lǐng)域。然而，當(dāng)前的紅外觸摸屏仍然存在分辨率低下問題，所以紅外觸摸屏的分辨率的提高是紅外觸摸屏發(fā)展前景的關(guān)鍵。文中在應(yīng)用的基礎(chǔ)上，提出了一種提高紅外觸摸屏分辨率的算法。

紅外觸摸屏的基本原理[1]是通過紅外光發(fā)二極管和紅外接收二極管成對出現(xiàn)，由一個框架安放在顯示器的表面，一邊放置紅外發(fā)光管，在其相對的一邊放置紅外接收管，在屏幕表面上，形成紅外線探測網(wǎng)。當(dāng)不存在觸摸時，紅外接收管會將接收到的紅外光轉(zhuǎn)化成為一定的電信號，當(dāng)觸摸發(fā)生時，紅外接收管接收不到紅外光，導(dǎo)致了其沒有轉(zhuǎn)化電信號。（假設(shè)阻擋，電信號全部消失）故利用X、Y方向上密布的紅外線矩陣來檢測并定位用戶的觸摸。

就紅外屏的本質(zhì)而言，其物理分辨率由紅外發(fā)光管和紅外接收管的對數(shù)決定，換而言之，在一定尺寸的屏上，其物理分辨率就是由紅外發(fā)光管和紅外接收管的體積決定的。在目前工藝而言，紅外主要的缺點還是存在分辨率低下等問題。在此，采用構(gòu)造線性函數(shù)的方法來提高其亞分辨率，就是要確定位于兩個管子之間的位置準確確定出來，從而達到提高紅外觸摸屏亞分辨率的目的。

1 硬件設(shè)計

對于一個紅外觸摸屏系統(tǒng)而言，主要是由紅外光發(fā)射電路，紅外信號接收電路和MCU控制部分組成。系統(tǒng)的控制芯片采用的是Xilinx公司的XC6SLX9_CSG225。硬件部分主要包括紅外光發(fā)射電路、紅外接收電路、模擬信號的轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號的傳輸?shù)目刂频饶K。其系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

對于紅外光發(fā)射電路，由于紅外觸摸屏上的紅外二極管同時發(fā)光，會相互干擾，所以紅外發(fā)射電路主要實現(xiàn)功能就是讓紅外二極管依次發(fā)光，在此基礎(chǔ)上考慮紅外二極管發(fā)光的電流，電壓等資料參數(shù)，選取相應(yīng)的芯片來實現(xiàn)。按照要求，選取芯片CD74AC164M、CD74HA138和三極管一起來實現(xiàn)其功能。讓三極管工作在放大區(qū)，將紅外發(fā)光管組接到對應(yīng)的三極管的e極，在基極輸入一個高電平，由于基極和發(fā)射極的壓降小，所以在發(fā)射極也會得到相應(yīng)的高電平。在這種情況下，只要改變發(fā)光管的負極就可以實現(xiàn)紅外發(fā)光管的點亮，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 Block diagram of system hardware

1.1 紅外接受電路設(shè)計

圖2 紅外發(fā)射電路Fig.2 Infrared transmitting circuit

對于紅外接收電路而言[4]，要求它和紅外發(fā)射電路必須同步工作，即要求時序完全一致。對于該部分電路，其實現(xiàn)方式和發(fā)射電路實現(xiàn)機理幾乎相同。但是，這一部分的主要目的是得到將光信號轉(zhuǎn)換的模擬的電信號。由于光電二極管是將光信號轉(zhuǎn)換為電流信號，由于電流信號的處理很不方便，在此電路中，通過一個電阻，將光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，從而使得其便于處理。由于在此處，也是將接收管分組實現(xiàn)接收的，所以在實現(xiàn)接收時，也必須要實現(xiàn)具體選擇某個接收管的功能；除此之外，所選擇的芯片還要具備將檢測到的模擬信號傳送給下級處理的能力。綜合上述原因，在此就選擇了74HC4051D這個芯片。

74HC4051D是一個高速的CMOS設(shè)備。同時，它的引腳可以配置。它通過3個輸入（S0～S3）來選擇8通道的輸入。當(dāng)E為高電平的時候，所有引腳處于高阻狀態(tài)；當(dāng)E為低電平的時候，通過S0～S3輸入來選擇某路開關(guān)。在該電路中，由于要檢測電壓信號，所以直接將74HC4051D的模擬通道輸入直接接到光電二極管的負極。其部分原理圖如圖3所示。

1.2 模擬信號處理模塊

對于模擬信號的處理，本系統(tǒng)采用的方案是將AD轉(zhuǎn)換芯片安裝在紅外接收板上，通過74HC4051D來實現(xiàn)其轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳輸。這樣可以有效的抵抗外界干擾，解決布線問題。對于數(shù)據(jù)傳輸，選用74HC4051D的輸出引腳作為I2C總線的數(shù)據(jù)線，同時共用一個傳遞時鐘，讓其進行數(shù)據(jù)傳輸。

在將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號時，選用的AD轉(zhuǎn)換芯片是美國模擬器件公司的一種低功耗10位高速串行A/D轉(zhuǎn)換器，它的外圍接線極其簡單，AD7810的轉(zhuǎn)換時間為2 μs，采用標(biāo)準SPI同步串行接口輸出和單一電源（2.7～5.5 V）供電。在自動低功耗模式下，該器件在轉(zhuǎn)換吞吐率為1kSPS時的功耗僅為27 μW。根據(jù)系統(tǒng)需要，讓該芯片工作在自動低功耗模式下。在此模式下，啟動信號CONVST為低電平時，器件處于低功耗休眠狀態(tài)。當(dāng)在CONVST端輸入一個正脈沖時，可在其上升沿將器件從休眠狀態(tài)喚醒，喚醒過程需要1 μs的時間。當(dāng)器件被喚醒后，系統(tǒng)將自動啟動一次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間也是2 μs。轉(zhuǎn)換結(jié)束時，AD7810將轉(zhuǎn)換結(jié)果鎖存到輸出移位寄存器中，同時自動將器件再一次置于低拉耗狀態(tài)。啟動信號CONVST正脈沖的寬度應(yīng)小于1 μs，否則器件被喚醒后將不會自動啟動轉(zhuǎn)換，而是將A/D轉(zhuǎn)換的啟動時間順延至CONVST的下降沿處。

圖3 接收部分原理圖Fig.3 Schematic diagram of receiving part

2 軟件實現(xiàn)

對于紅外觸摸屏來說，在某一時刻對紅外觸摸屏進行觸摸，我們所得到的有用信息只有兩種，一種是通過光電二極管回傳給MCU的電信號；二是在物理層面上的二極管對的序號?？傮w而言，就是要通過這兩種信號，來實現(xiàn)紅外觸摸屏觸摸位置的確定。

在一個紅外觸摸屏系統(tǒng)中，定量的數(shù)據(jù)就是紅外接收管將接收到的紅外光強轉(zhuǎn)換為的電信號。對一個紅外觸摸屏系統(tǒng)而言，這個相當(dāng)于是一個閉集。也就是說，在不存在觸摸時，發(fā)射管發(fā)出的紅外光會轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的電信號，它們之間的相互轉(zhuǎn)換存在一定的映射關(guān)系，在文中，把這種映射關(guān)系視為是線性的。當(dāng)有手指觸摸時，成對的紅外二極管對之間存在一定的影響。當(dāng)觸摸發(fā)生在觸摸屏的某個位置時，在理論上由所有的紅外接收管的狀態(tài)共同來決定觸摸的位置。即由該閉集內(nèi)的所有元素線性組合而可以實現(xiàn)。在實際應(yīng)用中，經(jīng)過對紅外二極管對的物理尺寸分析可以知道，當(dāng)觸摸發(fā)生時，在接收端會發(fā)生明顯變化的二極管對只會是以某個二極管為中心的某個鄰域，如圖4所示。在此系統(tǒng)中，選取兩個紅外二極管對來作為鄰域半徑。

圖4 觸摸時刻示意圖Fig.4 Schematic diagram of touching moments

文中是通過實構(gòu)造線性函數(shù)來現(xiàn)觸摸點位置確定。在觸摸時，會引起接收端的某個鄰域內(nèi)的接收信號產(chǎn)生變化，其反應(yīng)在觸摸屏上就是觸摸位置的變化。在此，文中就已AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字輸入來構(gòu)造線性函數(shù)的系數(shù)，以當(dāng)前二極管對數(shù)的序號作為輸入自變量，讓二者一起來實現(xiàn)觸摸點位置的確定[6-7]。這樣就可以實現(xiàn)線性函數(shù)的基本模型為：

在上式中，V為AD轉(zhuǎn)換后的最大值，IN為觸摸位置的鄰域內(nèi)的二極管對的輸入值，A為對應(yīng)二極管對的序號。

據(jù)紅外觸摸屏的特性，其受到光干擾極其嚴重，在實驗結(jié)果中也發(fā)現(xiàn)在不同的環(huán)境下，運行的值差別很大，但是在某個特定的環(huán)境下，光干擾幾乎可以視為一個不變的常量，它只是將紅外接收信號在幅度上有所提升。所以為了提高紅外觸摸屏抗光干擾的能力，提高線性映射的精確度，將上述式子進行優(yōu)化為：

其中L為光干擾時的直流分量。L是在紅外發(fā)射管不發(fā)光的情況下，多次檢測AD轉(zhuǎn)換的值，將所得到的值。

在此處，計算出來的值是相對應(yīng)于紅外二極管序號的偏離值，在計算結(jié)果中，將其保留到小數(shù)點后第一位。由于紅外二極管直徑為5 mm，在此將該計算值和紅外二極管直徑一相乘，就可實現(xiàn)最小的分辨率為0.5 mm。從而實現(xiàn)分辨率提高。

對于軟件算法，其分為兩個部分，第一部分為對紅外觸摸屏的控制部分，第二就是對接收到數(shù)字信號進行處理。第一部分主要是在嚴格的按照時序要求，來控制發(fā)射管和接收管。第二部分就是根據(jù)接收到的數(shù)字信號，經(jīng)過上述算法，來實現(xiàn)位置的確定。其具體流程圖如圖5所示。

圖5 算法流程圖Fig.5 Flow chart of algorithm

3 結(jié) 論

在搭建好的硬件平臺上對設(shè)計的觸摸屏系統(tǒng)進行了驗證，在理論上，該觸摸屏的該觸摸屏的分辨率應(yīng)該由紅外二極管對數(shù)的直徑和A/D轉(zhuǎn)換的最小精度決定，該系統(tǒng)中選用的是10位A/D轉(zhuǎn)換芯片[8]，同時紅外二極管對的直徑為5 mm。即只要紅外接收管的接收量變換大于0.005 V，其就可以分辨其位置。即理論分辨率可以達到0.008 mm，但是由于該紅外觸摸屏不是用于精確控制，故通過處理后使其分辨率降低。通過實驗驗證，該觸摸屏0.5 mm，在該指標(biāo)下，其可以用于應(yīng)用于室內(nèi)的大屏幕顯示，大屏幕教學(xué)等領(lǐng)域。

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