一種電阻觸摸屏坐標(biāo)定位方法

李 飛，凌 云，陳 歡，羅樹英

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

一種電阻觸摸屏坐標(biāo)定位方法

李 飛，凌 云，陳 歡，羅樹英

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

提出了一種五線電阻觸摸屏的坐標(biāo)定位方法。五線電阻觸摸屏從下導(dǎo)電層的4個(gè)角施加恒定電流流入，所有電流從上導(dǎo)電層流出。定位觸按坐標(biāo)時(shí)，先設(shè)置初始預(yù)設(shè)點(diǎn)，然后測(cè)量觸按點(diǎn)的實(shí)際對(duì)角線電壓，采用反向搜索定位法，計(jì)算預(yù)設(shè)點(diǎn)和搜索點(diǎn)的理論對(duì)角線電壓，取誤差最小的理論對(duì)角線電壓點(diǎn)為新預(yù)設(shè)點(diǎn)，反復(fù)搜索，最終逼近觸按點(diǎn)。該方法解決了在不加補(bǔ)償電極的情況下，五線電阻觸摸屏的非線性方程求解和失真校正問題，可以使五線電阻觸摸屏的邊框變窄，拓寬了五線電阻觸摸屏在小屏幕下的應(yīng)用范圍。

電阻觸摸屏；坐標(biāo)；反向搜索；非線性

0 引言

目前，操作技術(shù)比較成熟的觸摸屏主要有紅外線觸摸屏、表面聲波觸摸屏、電容式觸摸屏、電阻式觸摸屏等，其中，電阻式觸摸屏應(yīng)用相對(duì)較多。傳統(tǒng)的四線電阻觸摸屏定位坐標(biāo)時(shí)，必須保證其上、下兩層導(dǎo)電層的導(dǎo)電均勻性不被破壞[1]。然而，上導(dǎo)電層的經(jīng)常觸按區(qū)域容易被劃傷而斷裂，導(dǎo)致觸摸屏長(zhǎng)期處于濕度很大或者溫度較高的環(huán)境下，從而使得上導(dǎo)電層發(fā)生氧化，增大了電阻的阻值，最終破壞其導(dǎo)電均勻性，使得坐標(biāo)計(jì)算出現(xiàn)誤差，即出現(xiàn)“漂移”現(xiàn)象[2-3]。

五線電阻觸摸屏的上導(dǎo)電層只用來作為引出端電極，不必要求其具備均勻?qū)щ娦?，故即使其因?yàn)樾巫儼l(fā)生破損，也不會(huì)使電阻屏產(chǎn)生“漂移”[4]。傳統(tǒng)五線電阻觸摸屏的電極為電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償電極，分布在觸摸屏四周，其作用是使觸摸屏x，y軸方向電壓梯度呈線性，便于坐標(biāo)測(cè)量[5-6]。傳統(tǒng)五線電阻觸摸屏因有補(bǔ)償電極，不能將屏幕與周邊區(qū)域之間范圍距離設(shè)置太窄，這樣其使用范圍也會(huì)受到影響。

在不加補(bǔ)償電極的情況下，五線電阻觸摸屏存在非線性方程求解和失真校正等問題。因此，本文擬提出一種五線電阻式觸摸屏坐標(biāo)定位方法，以解決這些問題。

1 觸摸屏的工作原理

五線電阻觸摸屏的結(jié)構(gòu)如圖1所示。觸摸屏的下導(dǎo)電層為電壓密集分布的部位，要求電阻均勻分布，四周由A,B,C,D 4條連接線引出；其上導(dǎo)電層為用于檢測(cè)電壓的部位，它對(duì)電阻均勻性沒有過多的要求，由一根連接線E引出。

圖1 五線電阻觸摸屏結(jié)構(gòu)Fig. 1 The structure of the five-wire resistive touch screen

五線電阻觸摸屏有觸按點(diǎn)后的電阻分布如圖2所示。圖中，P點(diǎn)為觸按點(diǎn)，當(dāng)P點(diǎn)在屏幕中的位置發(fā)生改變時(shí)，P點(diǎn)與4個(gè)角A,B,C,D之間的距離相應(yīng)發(fā)生變化，P點(diǎn)與4個(gè)角A,B,C,D間的等效電阻RA, RB,RC,RD也隨之發(fā)生變化，即距離變短，對(duì)應(yīng)等效電阻變小。

圖2 五線電阻觸摸屏有觸按點(diǎn)后的電阻分布Fig. 2 Resistance distribution after the five-wire resistive touch screen having the touch point

從下導(dǎo)電層的A,B,C,D 4點(diǎn)增添恒定電流I流入，所有電流從上導(dǎo)電層E處流出，觸按P點(diǎn)，兩個(gè)對(duì)角線之間的電壓差是：

圖2中的RE包括觸按點(diǎn)接觸電阻和上導(dǎo)電層等效電阻，其大小不影響對(duì)角線電壓UAC和UBD。

以圖2中的O點(diǎn)為五線電阻觸摸屏的原點(diǎn)，4個(gè)角的坐標(biāo)為A（-m,n），B（-m,-n），C（m,-n），D（m,n），P點(diǎn)的坐標(biāo)為(u,v)，則兩個(gè)對(duì)角線之間的電壓差為：

假設(shè)等效電阻RA,RB,RC,RD的大小與P點(diǎn)和4個(gè)角A,B,C,D間的距離成正比例關(guān)系，則式（3）中的系數(shù)KA,KB,KC,KD為常數(shù)。當(dāng)P點(diǎn)坐標(biāo)待定時(shí)，測(cè)量電壓UAC,UBD，代入式（3）的兩個(gè)表達(dá)式中，則P點(diǎn)坐標(biāo)（u,v）可以求出。

系數(shù)KA,KB,KC,KD值的測(cè)量方法如下：

1）觸摸C點(diǎn)，并測(cè)量電壓UAC，按照公式（4）計(jì)算與校正系數(shù)KA，

2）觸摸A點(diǎn)，并測(cè)量電壓UAC，按照公式（5）計(jì)算與校正系數(shù)KC，

3）觸摸D點(diǎn)，并測(cè)量電壓UBD，按照公式（6）計(jì)算與校正系數(shù)KB，

4）觸摸B點(diǎn)，并測(cè)量電壓UBD，按照公式（7）計(jì)算與校正系數(shù)KD，

2 觸摸屏的非線性失真校正方法

假設(shè)等效電阻RA,RB,RC,RD的大小與P點(diǎn)和4個(gè)角A,B,C,D之間的距離成正比關(guān)系時(shí)，按照公式（3）計(jì)算出來的五線電阻觸摸屏坐標(biāo)會(huì)產(chǎn)生如圖3所示的枕形失真[4]。造成該現(xiàn)象的原因，是等效電阻RA, RB,RC,RD的大小與觸按點(diǎn)P和4個(gè)角A,B,C,D之間的距離不是正比例關(guān)系。

圖3 觸摸屏坐標(biāo)枕形失真Fig. 3 Pincushion distortion of touch screen coordinates

只考慮左右枕形失真時(shí)，線性平面左右邊線上的點(diǎn)與失真平面中二次曲線上的點(diǎn)有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖4所示，圖中的線性平面直線段DC上的點(diǎn)（m,0）與失真平面二次曲線DGC上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)。

圖4 觸摸屏坐標(biāo)左右枕形失真Fig. 4 Side pincushion distortion of touch screen coordinates

經(jīng)測(cè)量驗(yàn)證，二次曲線DGC可以如下公式描述：

式中，

或者

同樣地，只考慮上下失真時(shí)，線性平面上下邊線上的點(diǎn)與失真平面中二次曲線上的點(diǎn)有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖5所示。圖中，線性平面直線段AD上的點(diǎn)（0, n）與失真平面二次曲線AHD上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)。

圖5 觸摸屏坐標(biāo)上下枕形失真Fig. 5 Upper and lower pincushion distortion of touch screen coordinates

二次曲線AHD可以用如下表達(dá)式描述：

式中，

線性平面的上邊線上的點(diǎn)為（x,n）時(shí)，與之相對(duì)應(yīng)的失真平面上的點(diǎn)為（x,v），其中，

上下邊線上的失真度[7]最大，并且對(duì)稱。當(dāng)線性平面上的點(diǎn)不在上下邊線上時(shí)，直線（x,y1） 與之相對(duì)應(yīng)的失真平面上的點(diǎn)為（x,v），其中y1為小于等于n的常數(shù)，有

或者

綜合考慮上下失真與左右失真的情形，當(dāng)線性平面上有點(diǎn)（x, y）時(shí)，與之相對(duì)應(yīng)的失真平面上的點(diǎn)為（u, v），則有

3 觸摸屏坐標(biāo)定位方法

由于式（3）是非線性方程，當(dāng)五線電阻觸摸屏有觸按點(diǎn)，測(cè)量出對(duì)角線電壓UAC,UBD后，無法采用解析的方法求出觸按點(diǎn)坐標(biāo)（u,v）；同樣地，由于式（16）是非線性方程，當(dāng)已知失真平面上的點(diǎn)（u, v）時(shí)，無法采用解析的方法求出線性平面上的點(diǎn)（x, y）。對(duì)兩種方法進(jìn)行比較可知，采用五線電阻式觸摸屏反向搜索定位方法更方便。

五線電阻觸摸屏坐標(biāo)反向搜索定位方法的搜索流程如圖6所示。

圖6 五線電阻觸摸屏坐標(biāo)反向搜索定位法搜索流程Fig. 6 Searching flow of the coordinate revers search positioning method of five-wire resistive touch screen

其具體步驟如下：

1）確定五線電阻觸摸屏的中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，4個(gè)角的坐標(biāo)為A（-m, n），B（-m, -n），C（m, -n），D（m, n），設(shè)置初始預(yù)設(shè)點(diǎn)Q0（x, y）。

2）等待觸摸屏被觸按，測(cè)量實(shí)際觸按點(diǎn)的對(duì)角線電壓UAC和UBD。

3）確定搜索步長(zhǎng)l 。采用變步長(zhǎng)搜索方法時(shí)，步長(zhǎng)l先取大值，后取小值，最后取步長(zhǎng)l =1；采用固定步長(zhǎng)搜索方法時(shí)，取步長(zhǎng)l =1。

4）假設(shè)是在預(yù)設(shè)點(diǎn)Q0（x, y）觸按，按照公式（3）～（7），計(jì)算將預(yù)設(shè)點(diǎn)Q0（x, y）作為觸按點(diǎn)的理論對(duì)角線電壓UAC0和UBD0。

5）取預(yù)設(shè)點(diǎn)Q0（x, y）上、下、左、右相鄰的4個(gè)搜索點(diǎn)，分別計(jì)算將4個(gè)搜索點(diǎn)作為觸按點(diǎn)的理論對(duì)角線電壓UAC1，UBD1，UAC2，UBD2，UAC3，UBD3，UAC4，UBD4。

6）計(jì)算分別將預(yù)設(shè)點(diǎn)Q0和4個(gè)搜索點(diǎn)Q1,Q2,Q3,

Q4作為觸按點(diǎn)時(shí)，觸按點(diǎn)的理論對(duì)角線電壓與實(shí)際觸按點(diǎn)對(duì)角線電壓之間的誤差。

7）如果誤差最小，本輪搜索結(jié)束，轉(zhuǎn)到步驟8）；否則選擇方差最小的搜索點(diǎn)為新的預(yù)設(shè)點(diǎn)Q0（x, y），返回步驟4）。

8）如果搜索步長(zhǎng)l不等于1，返回步驟3）；否則，搜索過程結(jié)束，確定預(yù)設(shè)點(diǎn)Q0（x, y）的坐標(biāo)即為實(shí)際觸按點(diǎn)坐標(biāo)。

假設(shè)觸按點(diǎn)位置為P（4, 2），測(cè)量得到的對(duì)角線電壓實(shí)際值為UAC,UBD。反向搜索定位前，先在屏幕上初始設(shè)置一個(gè)預(yù)設(shè)點(diǎn)，例如圖7a的點(diǎn)Q（0, 0）；計(jì)算Q點(diǎn)的對(duì)角線電壓理論值，同時(shí)分別計(jì)算Q點(diǎn)上、下、左、右相鄰4點(diǎn)（0, 1），（0, -1），（-1, 0），（1, 0）的對(duì)角線電壓理論值；將5個(gè)點(diǎn)的對(duì)角線電壓理論值與觸按點(diǎn)P（4, 2）測(cè)量得到的對(duì)角線電壓實(shí)際值分別進(jìn)行比較，選擇平方差最小的一個(gè)點(diǎn)為新的預(yù)設(shè)點(diǎn)，為圖7b中的點(diǎn)Q（1, 0）；然后分別計(jì)算Q（1, 0）以及相鄰4點(diǎn)（1, 1），（1, -1），（0, 0），（2, 0）的對(duì)角線電壓理論值；將5個(gè)點(diǎn)的對(duì)角線電壓理論值與觸按點(diǎn)P（4, 2）測(cè)量得到的對(duì)角線電壓實(shí)際值再分別進(jìn)行比較，選擇平方差最小的一個(gè)點(diǎn)為新的預(yù)設(shè)點(diǎn)，為圖7c中的點(diǎn)Q（2, 0）；照此周而復(fù)始進(jìn)行反向搜索，點(diǎn)Q按照（0, 0），（1, 0），（2, 0），（3, 0），（3, 1），（4, 1），（4, 2）的順序逐次逼近觸按點(diǎn)P（4, 2）。搜索過程中，當(dāng)預(yù)設(shè)點(diǎn)Q不再向上、下、左、右變化時(shí)，則認(rèn)為此預(yù)設(shè)點(diǎn)Q已經(jīng)最為逼近（或處于）觸按點(diǎn)P，搜索過程結(jié)束。圖7 所示為觸按點(diǎn)P（4, 2）的五線電阻觸摸屏坐標(biāo)反向搜索定位法搜索進(jìn)程。圖7所示例子中，搜索步長(zhǎng)為1，搜索用6步，確認(rèn)用1步，整個(gè)過程共需7步。

圖7 五線電阻觸摸屏坐標(biāo)反向搜索定位法搜索進(jìn)程Fig. 7 The search procedure of the coordinate revers search positioning method of five-wire resistive touch screen

4 測(cè)試結(jié)果

本文采取的測(cè)試環(huán)境為：群創(chuàng)4.3寸五線電阻觸摸屏AT043TN24。

觸摸屏的點(diǎn)具有一定的離散型，為了減小誤差，實(shí)驗(yàn)中選取了多個(gè)觸按點(diǎn)數(shù)據(jù)。同時(shí)，為了方便計(jì)算，預(yù)設(shè)點(diǎn)坐標(biāo)統(tǒng)一設(shè)為（0, 0）。在調(diào)試中結(jié)合 ARM開發(fā)工具ADS，通過采取AXD調(diào)試器中設(shè)置斷點(diǎn)跟蹤變量的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。盡可能先固定一個(gè)坐標(biāo)的數(shù)值來采集觸摸點(diǎn)坐標(biāo)的大小。選取觸摸點(diǎn)的位置為（160, 120），以觸摸屏y軸方向?qū)τ|摸屏進(jìn)行觸摸，改變x坐標(biāo)的大小采集數(shù)據(jù)，觸按屏幕采集數(shù)據(jù)的坐標(biāo)曲線如圖8a所示。同理可得，固定x坐標(biāo)的曲線如圖8b所示。

圖8 固定y軸或者x軸時(shí)的觸摸點(diǎn)坐標(biāo)曲線Fig. 8 The touch point coordinate curves with fixing y or x axis

當(dāng)觸按點(diǎn)位置與初始預(yù)設(shè)點(diǎn)位置相差較遠(yuǎn)，且步長(zhǎng)為1時(shí)，運(yùn)用五線電阻觸摸屏反向坐標(biāo)定位方法的搜索時(shí)間可能會(huì)很長(zhǎng)。如觸按點(diǎn)為（160, 120）時(shí)，預(yù)設(shè)點(diǎn)（0, 0）共需281步計(jì)算才能逼近觸按點(diǎn)。采用變步長(zhǎng)方法可以減少計(jì)算量。變步長(zhǎng)方法[8]的步長(zhǎng)變化的輪數(shù)以及每一輪的步長(zhǎng)值可以合理選擇，但必須先取大步長(zhǎng)值，后取小步長(zhǎng)值，最后一輪的步長(zhǎng)選擇為1。

實(shí)驗(yàn)中，選擇多個(gè)樣本，將使用反向搜索坐標(biāo)定位方法與不使用該方法所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 The experimental results

分析表1中的數(shù)據(jù)可知，選取的3組樣本數(shù)據(jù)，相對(duì)而言，采用反向搜索坐標(biāo)定位方法所得數(shù)據(jù)更接近真實(shí)值，失真度更小。

5 結(jié)語

五線電阻觸摸屏采用反向搜索定位法定位坐標(biāo)，解決了在不加補(bǔ)償電極的情況下，五線電阻觸摸屏的非線性方程求解和失真校正問題，可以使五線電阻觸摸屏邊框變窄，拓寬了五線電阻觸摸屏在小屏幕下的應(yīng)用范圍。

[1] 蔡紅娟，高恒強(qiáng)，蔡 苗. 電阻式觸摸屏校準(zhǔn)算法的優(yōu)化[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34(7)：21-23. Cai Hongjuan，Gao Hengqiang，Cai Miao. The Optimization to Calibration Algorithm of Resistive Touch Screen[J]. Manufacturing Automation，2012，34(7)：21-23.

[2] 王黨利，馬保吉，寧生科. 電阻觸摸屏誤差分析及加速度模型的數(shù)據(jù)處理[J]. 陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，25(4)：15-19. Wang Dangli, Ma Baoji, Ning Shengke. Error Analysis of Resistance Touch Screen and the Data Processing Based on Acceleration Model[J]. Journal of Shanxi University of Technology：Natural Science Edition，2009，25(4)：15-19.

[3] 譚翠蘭，何立言. 電阻式觸摸屏的硬件接口電路與校準(zhǔn)算法[J]. 江漢大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，39(2)：19-21. Tan Cuilan, He Liyan. Hardware Interface Circuit and Calibratance Algorithm for Resistance Touch Screen[J]. Journal of Jianghan University：Natural Science Edition，2011，39(2)：19-21.

[4] 劉忠安，徐衛(wèi)東，權(quán) 蕾，等. 高可靠電阻式觸摸屏的研制[J]. 光電子技術(shù)，2009，29(4)：226-230. Liu Zhongan, Xu Weidong，Quan Lei, et al. Development of the High Reliability Resistive Touch Panel[J]. Optoelectronic Technology，2009，29(4)：226-230.

[5]劉榮林，劉亞坤，武 華，等. 基于ARM嵌入式觸摸屏的設(shè)計(jì)與研究[J]. 內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，40(6)：708-711. Liu Ronglin，Liu Yakun，Wu Hua，et al. Design of the Embedded Touch-Screen Based on ARM[J]. Journal of Inner Mongolia University，2009，40(6)：708-711.

[6] 羅勇剛，夏定純. 電阻式觸摸屏的校準(zhǔn)與應(yīng)用研究[J]. 武漢科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，20(12)：47-49. Luo Yonggang，Xia Dingchun. Research on Justified and Application About Resistive Touchscreen[J]. Journal of Wuhan University of Science and Engineering，2007，20 (12)：47-49.

[7] 彭 強(qiáng)，鄧 云，楊天武，等. 一種通用的視頻傳輸端到端失真度估算方法[J]. 中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，2006，11 (6)：792-797. Peng Qiang，Deng Yun，Yang Tianwu，et al. A Novel General End-to-End Distortion Estimation Model for Video Transmission[J]. Journal of Image and Graphics，2006，11(6)：792-797.

[8] 張龍杰，謝曉方. 通用變步長(zhǎng)彈道仿真方法研究[J]. 彈道學(xué)報(bào)，2011(2)：42-46. Zhang Longjie，Xie Xiaofang. Research on General Variable Step-Size Ballistic Simulation Method[J]. Journal of Ballistics，2011(2)：42-46.

（責(zé)任編輯：廖友媛）

A Resistive Touch Screen Coordinate Positioning Method

Li Fei，Ling Yun，Chen Huan，Luo Shuying
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Puts forward a method on positioning coordinate of five-wire resistive touch screen. The constant current is applied to inflow from four corners of lower conducting layer of the resistive touch screen and all current outflows from upper conducting layer. Sets the initial preset point first when the touch coordinate is positioned, then measures the actual diagonal voltage of the touch point, and uses the reverse-search positioning method to calculate the theoretical diagonalvoltage of the preset and searching point. Takes the theoretical minimum error diagonal voltage point as new preset point and searches repeatedly to get the final approach touch point. The method solves the problems of nonlinear equations solution and distortion calibration for five-wire resistive touch screen without the compensation electrode. It makes the touch screen frame narrower and broadens the five-wire resistive touch screen application range in small screen.

resistive touch screen；coordinate；reverse-search；nonlinear

TN873

A

1673-9833(2015)02-0074-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.02.014

2015-01-20

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（13JJ9016）

李 飛（1988-），男，湖南岳陽(yáng)人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的信息集成和協(xié)調(diào)控制，E-mail：443824759@qq.com