紅外觸摸屏抗強(qiáng)光干擾的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

權(quán)蕾　朱莉

摘 要：紅外觸摸屏的使用越來(lái)越廣泛，針對(duì)其易受紅外光干擾的缺點(diǎn)，本文采用電氣防光和物理防光兩方面的措施進(jìn)行解決。通過(guò)箝位電路消除信號(hào)中環(huán)境光的直流分量，利用增益放大電路提高信噪比，不僅提升了觸摸屏的抗光干擾能力，并且有助于提高信號(hào)的采樣精度，同時(shí)設(shè)計(jì)了左右兩側(cè)分別排布發(fā)射管和接收管的雙備份布局方式，再配合使用濾色片，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明解決了紅外觸摸屏的抗強(qiáng)光干擾問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：紅外觸摸屏；抗強(qiáng)光干擾；箝位，增益放大；雙備份

在日常生活中，觸摸屏隨處可見，應(yīng)用相當(dāng)普及，已經(jīng)成為人機(jī)界面的標(biāo)準(zhǔn)配置，給使用者帶來(lái)極大的方便。紅外觸摸屏作為觸摸屏的一種，它由安裝在觸摸屏外框上的紅外發(fā)射管和接收管構(gòu)成，發(fā)射管和接收管互相對(duì)應(yīng)，形成橫豎交叉的紅外線探測(cè)矩陣，當(dāng)發(fā)生觸摸時(shí)，觸摸物會(huì)擋住經(jīng)過(guò)該位置的橫豎兩條紅外線，控制電路通過(guò)計(jì)算即可判斷出觸摸點(diǎn)的位置。紅外觸摸屏的特點(diǎn)是防爆且不隨環(huán)境變化產(chǎn)生漂移，不受電流、電壓和靜電的干擾，適宜惡劣的環(huán)境條件，對(duì)觸摸物沒有要求，最大的優(yōu)點(diǎn)是100%透光率；其缺點(diǎn)主要是會(huì)受強(qiáng)紅外線干擾，如遙控器或者太陽(yáng)光中的紅外光。針對(duì)該缺點(diǎn)，本文采用了新型的設(shè)計(jì)方案，包括電氣防光和物理防光，確保紅外觸摸屏可實(shí)現(xiàn)抗強(qiáng)光干擾的功能。

1 電氣防光

電氣防光是指從電路的角度出發(fā)，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的軟硬件電路來(lái)使紅外觸摸屏達(dá)到防紅外光的效果。本系統(tǒng)的電路總體框架如圖1所示，一是紅外發(fā)射電路子模塊，二是紅外接收電路子模塊，三是控制電路子模塊。

在紅外發(fā)射和接收電路模塊，采用了新型的紅外管雙備份布局方式；在控制電路模塊，主要通過(guò)設(shè)計(jì)箝位電路和增益放大電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)抗強(qiáng)光干擾的功能。

1.1 紅外管雙備份布局

當(dāng)紅外接收管處于強(qiáng)光照射的環(huán)境中時(shí)，很容易達(dá)到飽和狀態(tài)，導(dǎo)致無(wú)法識(shí)別觸摸動(dòng)作，因此必須采取措施進(jìn)行處理。本文利用陽(yáng)光直射的單一方向性設(shè)計(jì)了新型的紅外管雙備份布局方式，解決了強(qiáng)光干擾問(wèn)題。

如圖2所示，紅外觸摸屏的上邊框排布接收管，下邊框排布發(fā)射管，左右兩側(cè)邊框則都排布了發(fā)射管和接收管。

在圖2中，所有的接收管均排布在發(fā)射管的后排，最大程度的減少入射陽(yáng)光的影響。由于觸摸屏是配合顯示器使用的，顯示器正常垂直放置，陽(yáng)光不可能從下側(cè)射入，因此下邊框排布了發(fā)射管，與太陽(yáng)光反向，排除干擾。而左右兩側(cè)，則都有可能受到陽(yáng)光照射，因此分別布置了發(fā)射管和接收管。

在同一個(gè)時(shí)刻，陽(yáng)光只會(huì)從一側(cè)射入，當(dāng)光強(qiáng)使得一側(cè)的接收管達(dá)到飽和無(wú)法檢測(cè)觸摸時(shí)，另一側(cè)的接收管由于與陽(yáng)光反向，完全不受影響，仍處于正常工作狀態(tài)，因此只需要單邊即可完成觸摸檢測(cè)功能和坐標(biāo)計(jì)算功能。只使用一邊，相當(dāng)于觸摸屏Y方向的物理分辨率減少了一半，觸摸精度一定會(huì)收到影響，但由于作為長(zhǎng)邊的X方向不受影響，所以從整體上看，短邊Y方向帶來(lái)的影響不大。

該方案簡(jiǎn)單可靠，不需復(fù)雜的軟硬件設(shè)計(jì)，有效地解決了紅外觸摸屏在強(qiáng)光條件下觸摸失效或誤操作的問(wèn)題。

1.2 箝位電路

當(dāng)環(huán)境光的強(qiáng)度不大，不足以使紅外接收管達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，常用的做法是在觸摸屏的初始化階段關(guān)閉所有的發(fā)射管，接收管對(duì)環(huán)境光進(jìn)行采樣，將此采樣值存儲(chǔ)起來(lái)，當(dāng)正常工作檢測(cè)觸摸計(jì)算坐標(biāo)時(shí)，再將初始化的值減掉。這樣做一是增加主控制器的負(fù)擔(dān)，二是當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)度有所改變時(shí)，不能實(shí)時(shí)檢測(cè)。因此，本文設(shè)計(jì)了一種新型的箝位電路，來(lái)消除環(huán)境光的干擾。

所謂箝位，就是將信號(hào)疊加到某一電平上使之保持相對(duì)的恒定。箝位電路就是將脈沖信號(hào)波形的頂部或底部固定在一個(gè)確定的直流電平上，而使原信號(hào)其余部分的波形保持不變的電路。箝位電路可以使失去直流分量的脈沖信號(hào)恢復(fù)直流成分。

在本系統(tǒng)中，紅外接收電路收到的是一個(gè)個(gè)高頻脈沖信號(hào)，環(huán)境光可以看成是直流信號(hào)，因此可以采用箝位的方法，消除環(huán)境光的影響。設(shè)計(jì)中只需要一個(gè)電容和模擬開關(guān)就可以完成，如圖3所示。

電容器是一個(gè)在其電場(chǎng)中儲(chǔ)存能量的無(wú)源元件，對(duì)直流電而言，電容是開路的，對(duì)高頻而言，電容相當(dāng)于短路。設(shè)計(jì)中正是巧妙利用了電容高頻短路這一特點(diǎn)，濾除環(huán)境光的直流分量。

電容與模擬開關(guān)的工作狀態(tài)是：在發(fā)射管未工作時(shí)，接收管只收到環(huán)境光，此時(shí)命令模擬開關(guān)導(dǎo)通，近似為直流信號(hào)的環(huán)境光被迅速過(guò)濾掉，輸出被強(qiáng)制拉為參考電壓；在發(fā)射管工作時(shí)，命令模擬開關(guān)斷開，電容對(duì)高頻脈沖導(dǎo)通，則輸出的信號(hào)就是濾除掉環(huán)境光的有用信號(hào)。該方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低廉。

為了保證采樣的可靠性，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三級(jí)箝位，同時(shí)配合三級(jí)增益放大。其原理框圖如圖4所示。

圖4 接收信號(hào)處理框圖

三級(jí)箝位和三級(jí)增益放大的作用各不相同。第一級(jí)箝位電路的參考電平為0.5V，遠(yuǎn)高于環(huán)境光的0.05V左右，目的是排除環(huán)境光甚至強(qiáng)光的影響，將接收脈沖的底部穩(wěn)定在0.5V；第一級(jí)增益放大的倍數(shù)不能太大，因?yàn)闀?huì)同時(shí)將脈沖底部的0.5V放大。第二級(jí)箝位參考電平為0V，將脈沖底部拉回低電平；第二級(jí)增益放大利用軟件可調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)每一顆接收管的信號(hào)分別調(diào)整增益的功能。第三級(jí)箝位和增益放大電路再將信號(hào)做一次處理，使數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性大大提高，避免了環(huán)境光的影響。

在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，采用的箝位電路原理如圖5所示。

74HCT4066是PHILIPS公司生產(chǎn)的可控四通道高速模擬開關(guān)，根據(jù)控制腳電平的高低開關(guān)相應(yīng)的通道，高電平打開，低電平關(guān)閉。利用電容與開關(guān)的配合，實(shí)現(xiàn)直流分量的濾除。由于74HCT4066通道多，因此，1片74HCT4066即可完成三級(jí)箝位。

2 物理防光

除了采用改進(jìn)電路的措施，本系統(tǒng)還對(duì)觸摸屏進(jìn)行了物理防光處理，在紅外管的前方加裝紅外光譜波段濾色片，減少或消除紅外發(fā)射管主波峰波段外的環(huán)境散射光影響，提高觸摸屏抗環(huán)境散射光的能力。在濾色片的選擇上，由于本系統(tǒng)的紅外發(fā)射管主波波長(zhǎng)為940nm，因此設(shè)計(jì)濾色片波段通過(guò)范圍為940±20nm，就可以消除環(huán)境光中770 nm～920 nm及960nm～1200 nm波長(zhǎng)紅外波段環(huán)境雜散光對(duì)紅外接收管的干擾。

安裝時(shí)，將電路板的背面朝上，這樣紅外管隱藏在電路板下方，不容易被環(huán)境光直射，只要保證紅外發(fā)射管和對(duì)應(yīng)的接收管處于同一個(gè)水平線，就不會(huì)影響正常的發(fā)射與接收；然后在外框的內(nèi)側(cè)即紅外管的前方裝上濾色片，如圖6所示。

圖6 濾色片安裝結(jié)構(gòu)圖

另外，在制作印制板時(shí)，也有細(xì)節(jié)方面的改進(jìn)，常規(guī)的印制板是綠色的，本系統(tǒng)改為黑色印制板，減少環(huán)境光的反射與散射。

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