程控增益在紅外觸摸屏中的應(yīng)用

曾一雄，蔣向東，王繼岷，嚴(yán) 亮

(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，四川 成都 610054)

與電阻觸摸屏、電容觸摸屏、表面聲波觸摸屏一樣，紅外觸摸屏作為人機(jī)交互設(shè)備已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如公用信息查詢系統(tǒng)、金融服務(wù)系統(tǒng)、視頻音樂點播機(jī)、圖書館檢索系統(tǒng)等［1］，尤其在中大尺寸的顯示器件上，紅外觸摸屏憑借其獨特的優(yōu)勢更是占領(lǐng)了大部分市場。在未來，紅外觸摸屏必將進(jìn)入越來越多的家庭，成為家用電器的一部分，因此紅外觸摸技術(shù)也得到了越來越多的重視。根據(jù)紅外觸摸原理來分析，目前紅外觸摸屏主要存在3大技術(shù)難點:一是響應(yīng)時間的制約;二是真正意義上多點觸摸的實現(xiàn);三是抵抗環(huán)境光干擾的能力。

紅外觸摸屏主要依靠分布在X方向和Y方向的紅外線矩陣工作，由于紅外對管的特性參數(shù)不可能完全一樣，管子長時間工作也會老化，再加上焊接時管與管之間完全對齊也是不可能的，因此一個紅外觸摸屏的接收管接收到的信號幅度也不可能完全一致，可能有些幅度很高，有些幅度很低，以至于不能正確檢測出該觸摸點。如果單純靠整體提高放大器的放大倍數(shù)來達(dá)到每只管子都能被檢測到的目的，此時紅外觸摸屏抗環(huán)境光干擾的能力又會減弱，因為太陽光中大約有50%是紅外光［2］，而紅外觸摸屏的接收部分采用的是紅外三極管，它對紅外光極其敏感，在放大發(fā)射管發(fā)射紅外信號時，同時也將接收到的環(huán)境中的紅外干擾信號也放大了，而這種干擾信號往往又強(qiáng)于紅外發(fā)射管發(fā)射的信號，因此放大倍數(shù)越高，這種影響作用越強(qiáng)，以至于有用信號很容易被淹沒掉。為了解決這一問題，傳統(tǒng)的方式有:選擇特性參數(shù)盡量一致的紅外對管;采用精度高的機(jī)器焊接;采用發(fā)射功率較大的發(fā)射管;信號處理時保證在不受一定程度環(huán)境光影響的情況下盡量的提高放大倍數(shù)等。而本文則提出了利用程控增益的方法來解決這一問題，既簡便又可靠。

1 系統(tǒng)設(shè)計思想

紅外觸摸屏的系統(tǒng)框圖如圖1所示，它主要包括紅外發(fā)射與紅外接收電路、數(shù)字電位器、運算放大器、A/D轉(zhuǎn)換電路、MCU主控制器以及USB通信電路。

圖1 紅外觸摸屏系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)的主控制器采用具有低功耗、高性能、低成本以及接口豐富的STM32芯片，該芯片自帶2個12位的ADC，3個USART和1個USB。因此它不僅能提高模擬信號采集的精度，進(jìn)而提高紅外觸摸屏的分辨率，而且自帶的串口與USB口也使紅外觸摸屏與上位機(jī)的通信更加靈活、方便。在MCU的控制下依次掃描紅外對管，被掃描到的紅外接收管處將檢測到微弱的信號變化，將采集到的此微弱信號經(jīng)過放大器放大，然后再通過A/D轉(zhuǎn)換后送到MCU進(jìn)行處理計算，如果有觸摸則采集的A/D值發(fā)生變化，通過比較計算則可確定該觸摸點的位置，最后將計算得到的坐標(biāo)值通過USB發(fā)送給上位機(jī)，從而實現(xiàn)了觸摸定位功能。

由于各種原因的影響可能導(dǎo)致紅外接收管接收到的信號幅度不一致。如果某些管子的幅度太低，可能就不能檢測到該信號，因此也不能實現(xiàn)準(zhǔn)確觸摸;如果某些管子幅度太高，那么它們很容易達(dá)到飽和，因此又很易受到外界干擾光的影響，這些都大大降低了紅外觸摸屏的穩(wěn)定性。為解決這一問題，本文在傳統(tǒng)的電路基礎(chǔ)上增加了一個數(shù)字電位器，與放大器構(gòu)成了增益可調(diào)的放大電路，通過檢測每只管子的信號幅度，根據(jù)這些幅度確定一個閾值，再通過程序控制數(shù)字電位器，根據(jù)閾值對不同幅度的管子進(jìn)行不同倍數(shù)的放大，最后實現(xiàn)檢測到的信號幅度基本一致，降低了生產(chǎn)過程中造成的各種影響，同時也能改善因管子老化造成的發(fā)射功率降低而導(dǎo)致接收到的信號幅度值偏低的影響，提高了紅外觸摸屏的壽命。

2 硬件實現(xiàn)

2.1 程控增益放大器

圖2為基本的放大電路，其閉環(huán)電壓增益［3］為

從式(1)中可以看出，若要改變放大器的增益，可以通過調(diào)節(jié)電阻R3或R2的阻值來實現(xiàn)。圖3用一個可調(diào)電位器來代替圖2中的R2，此時的閉環(huán)電壓增益為

但即便如此，也不能實現(xiàn)自動控制電壓增益的目的，于是考慮采用數(shù)字電位器來代替圖3中的可變電阻，即圖4所示的帶數(shù)字電位器的增益可調(diào)放大器。其中INC、U/D和CS為控制端口，由STM32主控芯片控制，RH和RL分別相當(dāng)于圖3中可調(diào)電阻的1端和3端，RW相當(dāng)于可調(diào)電阻的中心抽頭。

圖4 帶數(shù)字電位器的增益可調(diào)放大電路

2.2 數(shù)字電位器的應(yīng)用

X9C104是美國Xicor公司推出的X系列固體非易失性數(shù)字電位器，它是一個含有99個電阻單元的電阻陣列，其總阻值為100 kΩ，每個電阻單元之間和兩個端點都有可以被滑動端訪問的抽頭，滑動單元的位置由INC、U/D和CS 3個輸入端控制，滑動端的位置可以被儲存在非易失性存儲器中［4］。如圖4所示，INC、U/D和 CS分別連接到STM32F103的I/O口PB12，PB13和PB14，而電阻兩端及抽頭則連接到放大器的負(fù)輸入端，其閉環(huán)電壓增益為

其基本控制原理為:當(dāng)CS為低電平時，若U/D為高電平，此時若給INC一個低電平脈沖信號，則電阻滑動抽頭向上移動，Avf變小;若U/D為低電平時，此時若給INC一個低電平脈沖信號，則電阻滑動抽頭向下移動，Avf變大，其控制時序如圖5所示。

圖5 X9C104控制時序圖

其中tCI在納秒級而tIW的典型時間也只有100 μs，因此使其能夠適用于對時間有一定要求的紅外觸摸屏，再加上其低功耗、低電壓供電，對于目前采用USB供電的紅外觸摸屏來說也是非常好的選擇。

3 軟件實現(xiàn)

MCU控制數(shù)字電位器調(diào)節(jié)放大器的增益，進(jìn)而調(diào)節(jié)每只接收管接收到的信號幅度值，其程序流程圖如圖6所示。初始化過程中首先采集每只管子的信號幅度值，并以列表的形式存儲，再通過冒泡法找出幅度最大的10個值并求出其平均值，將此平均值作為閾值。將每次掃描得到幅度值與此閾值進(jìn)行比較，若大于閾值，說明該接收管接收到的信號幅度太大，則通過MCU控制調(diào)節(jié)數(shù)字電位器滑臂向上滑動，即(RH－RW)減小，(RW－RL)增大，增益降低，從而使該接收管的信號幅度值降低。為了保證Vnow接近Vr，在進(jìn)行數(shù)字電位器調(diào)節(jié)之前要計算出此時所需要的放大倍數(shù)，同時避免了調(diào)節(jié)后還要進(jìn)行比較的過程，節(jié)約了時間。同樣，當(dāng)Vnow＜Vr時，則進(jìn)行相反的調(diào)節(jié);Vnow=Vr時，則不進(jìn)行調(diào)節(jié)。最后將調(diào)節(jié)后的數(shù)據(jù)送入MCU中進(jìn)行處理，由于此時信號的一致性很好，也就避免了很多因素的干擾，使紅外觸摸屏的穩(wěn)定性大大的提高。

4 實驗結(jié)果分析

圖7和圖8分別是經(jīng)過數(shù)字電位器調(diào)解前和調(diào)節(jié)后的接收管的波形圖。實驗中只對10只管子進(jìn)行了調(diào)節(jié)，如圖中箭頭之間的管子，從圖7中可以看出，不同管子的幅度還是有一定的差距，如第5只和第7只管子幅度較高，如果后期再經(jīng)過運算放大器放大的話，這樣的差距會顯得更明顯。圖8是經(jīng)過調(diào)節(jié)后的波形圖，從圖8中可以看到其幅度的一致性要比圖7好得多，雖然數(shù)字電位器的精度和AD采集的精度等因素對調(diào)節(jié)仍然有一些影響，不可能將每只管子的幅度調(diào)到一模一樣，但是這并不影響后端的數(shù)據(jù)處理。

圖6 程控增益的程序流程圖

圖7 調(diào)節(jié)前的幅度值(截圖)

通過該實驗結(jié)果可以分析得出，如果第5只和第7只管子因為長時間工作而老化，這時對應(yīng)的發(fā)射管發(fā)射的功率會降低，接收到的信號幅度值也會比其他管子低。這時如果通過同樣的方法提高放大器的放大倍數(shù)，使這兩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誤觸摸或不能觸摸的情況，實際中也就大大提高了紅外框的使用壽命。

圖8 調(diào)節(jié)后的幅度值(截圖)

5 結(jié)語

本文研究了通過程序控制增益的方法來提高紅外觸摸屏的成品率和壽命，通過實驗驗證，該方法能有效改善因裝配、焊接、管子特性參數(shù)不一致、管子老化等因素造成的不利影響。從而使紅外觸摸屏易于生產(chǎn)、使用壽命更長、應(yīng)用場合更廣。通過實驗發(fā)現(xiàn)，該方法對于抗環(huán)境光干擾也有一定改善作用，因為當(dāng)環(huán)境光太強(qiáng)烈時，勢必把接收到的信號幅度值抬高，此時如果通過調(diào)節(jié)數(shù)字電位器，將那些受環(huán)境光干擾而使幅度值大于某個閾值的管子增益降低，在一定范圍內(nèi)也能夠保證紅外觸摸屏能準(zhǔn)確觸摸。但這種調(diào)節(jié)也是有限的，筆者所在的實驗室將其與其他技術(shù)結(jié)合起來，已成功研制出了抗強(qiáng)光干擾的紅外觸摸屏，其抗光能力已達(dá)到能夠抵抗200000 lx或以上日光的干擾，因此本文討論的方案具有很高的實用價值。

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［3］吳援明，唐軍.模擬電路分析與設(shè)計基礎(chǔ)［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

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［5］周燁.基于鎖相放大技術(shù)的抗強(qiáng)光干擾紅外觸控技術(shù)的研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2011.