高分辨率多點觸控紅外觸摸屏設計

呂 燚，鄧春健，2＊，李文生，2

（1.電子科技大學 中山學院，廣東 中山528400；2.電子科技大學 計算機科學與工程學院，四川 成都610054）

1 引 言

在電阻式、電容式、紅外式和表面聲波式等眾多觸控交互技術中，紅外式觸控技術以其透光率高、防刮性能好、尺寸易擴展、壽命長等優(yōu)勢成為大尺寸觸摸屏的首選方案。大尺寸紅外式觸摸屏在電子白板、博彩設備以及游戲游藝等行業(yè)應用非常廣泛，特別是隨著大屏幕LED 全彩顯示屏產業(yè)的快速發(fā)展，非標大尺寸全彩展示系統(tǒng)逐步受到市場的青睞，紅外觸摸屏作為大尺寸展示系統(tǒng)的配套產品，將迎來更加廣闊的市場前景［1］。然而，在實際應用中，紅外式觸摸屏產品普遍存在分辨率不高、掃描速度慢、觸點抖動等缺陷。傳統(tǒng)的紅外觸摸屏采用只選通共軸的一組發(fā)射－接收管的掃描方式，分辨率由紅外管的數量決定，而增加紅外管的數量又會提高紅外屏的成本和加工組裝難度。此外傳統(tǒng)紅外屏采用脈沖調制驅動方式，在接收端對信號進行濾波、積分，導致系統(tǒng)響應較慢，無法適用于高速觸控的應用場合。

本文針對現有產品的以上不足，采用一對多的選通掃描方式，在不增加硬件成本的基礎上提高了系統(tǒng)分辨率；采用單脈沖掃描方式，省去接收端的積分環(huán)節(jié)，實現對紅外屏的快速掃描，并通過二次細分掃描方式，在提高分辨率的同時提高了系統(tǒng)響應速度。此外通過將發(fā)送和接收電路模塊化，為加工制造不同尺寸的觸摸屏提供了便利；采用USB 接口，模擬HID 設備實現了觸摸屏即插即用，增強了便利性。

2 紅外屏工作原理及系統(tǒng)結構概述

2.1 紅外屏工作原理

紅外觸摸屏由緊密排列在其邊框內的紅外發(fā)射管和紅外接收管組成。發(fā)射管與接收管數量相同，分別分布于觸摸屏的兩個邊，并采用共軸相向方式排列。其工作原理是當紅外光受到觸點的阻擋，接收管接收信號的強度會發(fā)生變化，控制器對共軸相向的發(fā)射管和接收管進行掃描，通過判斷接收管的信號變化便可以計算出觸點的位置，最后將坐標位置信息發(fā)送給顯示主機［2］。

2.2 系統(tǒng)結構概述

系統(tǒng)總體結構如圖1所示，包括嵌入式處理器、二維選通掃描電路、紅外接收電路、帶通濾波以及校準數據存儲等模塊。處理器采用了STM32F205RBT6，工作主頻為120 MHz，片內集成128K Flash，64K SRAM，多個具有輸入捕獲和輸出比較通道的多功能定時器，高性能ADC以及多種通訊接口。

本系統(tǒng)中紅外發(fā)射管掃描電路采用了二維選通掃描方式，大大簡化了掃描電路的結構，并且為不同尺寸紅外觸摸屏的加工和裝配提供了便利。通過定時器產生高速脈沖實現對紅外管的掃描。紅外信號接收電路包括接收掃描電路和信號調理電路，紅外接收掃描電路一次可選8只接收管，信號調理電路對信號進行濾波和放大，處理器的ADC1和ADC2并行工作在SCAN 模式，各負責采集四路信號，每路信號采集用時0.5μs，從而保證了在2μs內完成8路信號的采集。EEPROM參數存儲單元用于存儲出廠校準參數，通過軟件校準的方法簡化了電路設計，增強了環(huán)境適應能力。紅外屏與PC 機或是LED 顯示屏主機采用USB接口相連，紅外屏模擬為HID 外設，實現免驅動安裝，即插即用。

3 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)硬件部分包括：二維紅外掃描電路、紅外接收電路、帶通濾波電路、EEPROM 存儲模塊以及MCU 最小系統(tǒng)等部分。

3.1 二維選通紅外掃描電路

紅外掃描電路由串轉并芯片74HC595和譯碼器74HC138 構成，電路示意圖如圖2 所示。74HC595的輸出管腳低電平時，PMOS管導通，8個紅外發(fā)射管陽極得電，通過譯碼器輸出便可以選通其中一個發(fā)射管。這樣的二維選通電路采用兩個IC便可以驅動64只發(fā)射管，簡化了驅動電路，并可以通過74HC595芯片的級聯可以實現不同尺寸紅外屏的擴展［3－4］，采用模塊化的接口，極大地方便了紅外屏的加工和組裝。

圖2 二維選通紅外掃描電路Fig.2 Circuit of two－dimensional infrared scanning

本系統(tǒng)中紅外發(fā)射管的掃描方式采用脈沖掃描，即在發(fā)射管上施加高速脈沖，并在脈沖高電平期間檢測相應的紅外接收管。這種高速脈沖掃描方式既區(qū)別與直流選通也區(qū)別于通常意義上的脈沖調制方式，具有發(fā)射距離遠，發(fā)射效率高，抗干擾能力強的優(yōu)點，同時也更加節(jié)能。它相比直流選通方式可以有效避免接收管飽和，同時較脈沖調制方式省去了接收電路中的積分電路，提高了掃描速度和可靠性。這種方式的不足之處是需要高速ADC在脈沖高電平期間完成信號的采集，本系統(tǒng)巧妙利用了STM32F205 片內的高速ADC，轉換時間0.5μs，由定時器觸發(fā)啟動AD 轉換，ADC1和ADC2 并行工作，分別采集4 個通道，使8個通道的信號采集可以在2μs內完成。

3.2 紅外接收電路

紅外接收電路如圖3 所示，同樣采用74HC595選通紅外接收管，通過595 芯片的級聯，實現了接收電路的模塊化，極大地便利了不同尺寸紅外觸摸屏的加工和裝配。74HC595 的每一個輸出IO 選通8只接收管，同一時刻只能有一個IO 輸出低電平，即同一時刻只可以選通8只接收管，并通過8通道帶通濾波放大電路對接收信號進行信號調理。為了增大驅動能力，采用PMOS管Si2301作為電子開關，當595芯片輸出低電平時，PMOS 管道通，與之相連的8 只接收管被選通。接收管負載電阻選用68Ω，保證了即使在強環(huán)境光下信號仍不會飽和，同時接收信號也有足夠大的幅值，便于信號的調理和測量。

圖3 紅外接收電路Fig.3 Circuit of infrared reciever

3.3 帶通濾波放大電路

紅外接收信號由于環(huán)境光線的影響存在比較嚴重的直流偏置和高頻噪聲［5］，本系統(tǒng)采用了有源帶通濾波電路實現紅外接收信號濾波和放大。濾波放大功能由低噪聲軌至軌運算放大器TLC2274構成的2階Butterworth帶通濾波電路實現，中心頻率100kHz，通頻帶為20kHz，用于濾除紅外接收信號中的高頻干擾噪聲和直流偏置；本設計中紅外接收信號的幅值為90 mV，該電路帶內增益為20倍，從而保證了濾波放大后的信號有較大的幅度并留有一定的余量。濾波電路采用Sallen Key電路形式，電路結構及參數如圖4所示，系統(tǒng)中采用2片TLC2274構成8通道帶通濾波放大電路。

圖4 帶通濾波電路Fig.4 Band－pass filter circuit

4 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)采用二次掃描的方法，保證紅外觸摸屏響應速度的同時提高了識別精度，提高了分辨率。二次掃描的流程如圖5所示，其工作原理是：首先對X 軸每個發(fā)射管用高速脈沖掃描一次，判別出該發(fā)射管所對應的區(qū)域是否存在觸點，并記錄觸點與該發(fā)射管中心線的偏差，當完成對X 軸所有發(fā)射管的掃描后，首先判別是否有觸點存在；如果存在則實施細分掃描，測量觸點在兩支特定發(fā)射管單獨作用下在接收管上的投影位置，并依此提高X 坐標的測量精度，并估算Y 軸坐標。然后執(zhí)行Y 軸掃描，掃秒方法和X 軸類似，得到觸點的Y 軸坐標，通過比較實測Y 軸坐標和估算Y軸坐標來剔除紅外觸摸屏多點觸摸是出現的假觸摸點，最后完成觸點坐標的上報。

圖5 系統(tǒng)軟件工作流程圖Fig.5 System flow chart

4.1 脈沖掃描方式工作原理與實現方法

由于直流掃描的方式存在能耗高、紅外信號衰減大的不足，目前紅外屏普遍使用脈沖調制方式驅動紅外發(fā)射管，然后再接收端對脈沖信號進行濾波、放大并積分，最后通過判別積分電壓的大小判斷紅外管被阻擋的情況。積分電路溫度穩(wěn)定性較差，并且降低了系統(tǒng)的響應速度。脈沖掃描方式直接在發(fā)射端脈沖高電平期間對接收信號進行測量，無需對信號進行積分，只需要一個脈沖便可完成一個發(fā)射管的掃描。脈沖掃描方法對系統(tǒng)ADC性能要求較高，需要與掃描脈沖同步進行采集，并需要在較短的時間內完成多個通道信號的采集。

本系統(tǒng)充分利用了STM32F205處理器的高性能定時器和具有自動觸發(fā)功能的ADC，實現了對紅外管的高速脈沖掃描與同步信號采集。對紅外發(fā)射管施加周期為10μs的掃描脈沖，在掃描脈沖高電平期間同步采集該發(fā)射管所對應區(qū)域24路接收信號的電平，據此來判斷該區(qū)域是否有觸點存在。本系統(tǒng)的紅外接收電路只能同時采集8路紅外接收信號，因而需要對每個發(fā)射管掃描3個脈沖，每個脈沖高電平期間采集8路接收信號。掃描方法如圖6所示，由定時器TIM2的比較匹配通道1（CH1）產生周期為10μs的方波信號，高電平持續(xù)時間為5 μs，施加于發(fā)射電路中74HC138的使能端G1，TIM2的通道2（CH2）的比較匹配信號高電平持續(xù)時間為1.5μs。當CH2發(fā)生比較匹配時自動觸發(fā)ADC1 和ADC2啟動轉換。ADC1 和ADC2 都工作在SCAN 模式，分別采集4路接收信號，采集4路信號用時2 μs，并在ADC轉換完成中斷服務程序中保存AD值并切換下一組接收通道，為下一次轉換做好準備。為了實現對每個紅外管施加3個掃描脈沖，本設計采用TIM1對TIM2CH1的輸出信號進行計數，比較匹配值為3，當計數到3 個脈沖時，會觸發(fā)TIM1比較匹配中斷，在中斷服務程序中完成對24路接收信號的分析，判斷該區(qū)域是否存在觸點，并切換下一個發(fā)射管的選通電路。

圖6 脈沖掃描方法示意圖Fig.6 Schematic diagram of pulse－scanning method

4.2 細分掃描設計

細分掃描具有兩個功能：一方面可以提高紅外觸摸屏的分辨率，提高定位精度，避免實際使用中在某些位置觸點坐標來回跳動的弊端；另一方面通過對X 軸的細分掃描可以初步判別觸點的Y 軸坐標，與實測的觸點Y 軸坐標相比較便可以剔除多點觸摸下的假觸摸點。

首次掃描時，采用差值量化偏移定位算法［6］判別出觸點在接收端的投影位置，據此求出：（1）在X 軸方向上與觸點最接近的發(fā)射管的序號，記作A1；（2）在接收端有投影且與A1偏差最大的發(fā)射管序號，記做A2。然后對A1和A2單獨掃描，采集接受管的信號，并通過二次曲線擬合的方法分別得觸點的投影x′1和x′2。

圖7 細分掃描示意圖Fig.7 Schematic diagram of high resolution scanning

細分掃描分為兩步：首先計算觸點的Y 軸坐標，然后根據Y 軸坐標計算觸點在的X 軸上相對于x1的偏移量，如圖7所示。

如圖7（a）所示，由發(fā)射管A1和A2的序號和發(fā)射管的直徑可以計算出其X 軸坐標x1和x2，結合觸點在接收端的投影坐標x′1和x′2，由公式（1）可以求出觸點的Y 軸坐標y，其中Y 為Y 軸總長度。

如圖7（b）所示，根據發(fā)射管X 軸坐標x1，觸點投影坐標x′1和觸點Y 軸坐標y，由公式（2）求出觸點X 軸左邊偏移量Δx，最終得到觸點的X軸坐標x1＋Δx。

通過細分掃描使觸點X 軸坐標更加精準，同時也初步確定了Y 軸坐標，在后續(xù)Y 軸掃描得到觸點Y 軸坐標后可以通過比較Y 軸坐標來剔除多點觸摸時的假觸點。

4.3 HID報告描述符設計

為了提高紅外觸摸屏使用便利性，本系統(tǒng)采用USB接口，并且模擬成HID 外設，實現免驅安裝，即插即用。

標準的鼠標報告描述符使用的是相對坐標，而紅外觸摸屏返回的是絕對坐標值，因而需要將報告描述符中Input條目的屬性修改為絕對坐標，并將坐標數據長度改為2字節(jié)，邏輯最大值設置為4 096。為了使紅外觸摸屏既能夠支持單點觸摸又支持多點觸摸，本系統(tǒng)設計了兩個報告描述符，分別適用于單點觸摸和多點觸摸兩種工作模式，此外設計一個“特性報告”，將其用途特性定義為“設備配置”，用于向操作系統(tǒng)報告改特性，并由操作系統(tǒng)設定其工作模式。

5 結 論

本文針對目前紅外屏應用存在的分辨率不高、響應速度慢的不足提出了一種高分辨率多點觸控紅外觸摸屏的設計方案。首先介紹了系統(tǒng)的硬件結構，給出了二維選通掃描電路和接收信號調理電路，然后給出了基于STM32F205 處理器片內定時器和ADC 的紅外屏脈沖掃描實現方法，并研究了二次細分掃描的工作原理和觸點坐標計算方法，最后給出了HID 報告描述符的設計方法。實際應用表明，該方案在不增加硬件成本的基礎上大大提高了分辨率，有效避免了觸點抖動的弊端，同時縮短了掃描時間，使整個紅外屏的掃描時間縮短至15ms以內，提高了系統(tǒng)的響應速度。

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