二維平面雷達(dá)觸控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

索猛

（南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210000）

大屏幕觸控技術(shù)問題與大屏幕坐標(biāo)的定位有關(guān)系。觸控技術(shù)不斷發(fā)展使得高精度定位檢測(cè)技術(shù)成為可能。大屏幕可以通過圖、聲等效果為使用者提供豐富的數(shù)據(jù)和信息。操作者可以對(duì)獲得的信息進(jìn)行加工后執(zhí)行輸入系統(tǒng)操作。對(duì)操作者輸入操作的檢測(cè)依靠精度較高的觸控點(diǎn)識(shí)別及定位技術(shù)，可以較迅速地響應(yīng)用戶的觸控操作，從而使操作者和計(jì)算機(jī)能夠雙向進(jìn)行交互。本文應(yīng)用的觸摸屏是能夠接收雷達(dá)觸控信號(hào)的任意顯示裝置。點(diǎn)擊二維平面上的圖形按鈕后，屏幕上的觸控反饋系統(tǒng)能夠按照編寫好程序激活各種連接元件，可以代替機(jī)械式操作按鈕模塊，通過顯示屏和聲音輸出裝置產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的視覺和聽覺效果。基于雷達(dá)測(cè)距技術(shù)，本系統(tǒng)具有觸控操作精度較高、抗干擾性好、成本低等特點(diǎn)，采用激光測(cè)距定位系統(tǒng)對(duì)接觸點(diǎn)進(jìn)行定位，安裝了高精度時(shí)間測(cè)量（TDC）芯片，可以提高激光測(cè)量中測(cè)得的時(shí)間差精度，這樣就能提高觸控點(diǎn)的高精度定位，同時(shí)詳細(xì)介紹了高精度時(shí)間測(cè)量（TDC）對(duì)時(shí)間計(jì)時(shí)以及工作原理。依靠不斷切換多面體反射棱鏡進(jìn)行掃描輸出，提高了檢測(cè)次數(shù)，讓雷達(dá)測(cè)距檢測(cè)裝置在顯示屏顯示區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)和定位。根據(jù)雷達(dá)測(cè)距方法獲取的觸控點(diǎn)信息和掃描模塊的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，分析雷達(dá)觸控操作點(diǎn)在屏幕上所處的位置信息。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用24 V直流電源供電，用到的電壓為3.3 V、5 V和12 V，12 V為各個(gè)檢測(cè)儀表供電，MCU需要提供的電壓為3.3 V，同時(shí)也是DAC的參考電壓，采用以單片機(jī)為核心的控制電路和循環(huán)檢測(cè)電路的工作原理以及相應(yīng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了電路原理圖。雷達(dá)發(fā)射器除了能確定聲源，還能對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。

觸控系統(tǒng)發(fā)射模塊電路如圖1所示。

圖1 發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

接收機(jī)的頻帶大小會(huì)造成輸入信噪比增大，這樣會(huì)造成波形失真。采用最佳匹配濾波器的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度最好，缺點(diǎn)為輸出會(huì)產(chǎn)生較大失真，會(huì)影響觸控系統(tǒng)的精確度。因此，接收機(jī)帶寬的選擇要根據(jù)具體用途靈活選擇。接收管驅(qū)動(dòng)電路正常工作需要設(shè)計(jì)產(chǎn)生高壓電路，最終的接收電路如圖2所示。

圖2 激光接收機(jī)電路

這個(gè)觸控裝置單機(jī)掃描半徑達(dá)到4 m，觸點(diǎn)精確，可以安裝在8 m×4 m的大型LED屏上，或者在投影屏幕上實(shí)現(xiàn)全屏觸控。在不同光照環(huán)境中都能使用，通過打開和關(guān)閉傳感器信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行差模運(yùn)算，這樣獲得更精確的測(cè)量精度。計(jì)算傳感器的打開和啟動(dòng)的時(shí)間差，然后通過此來計(jì)算元件的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，目標(biāo)坐標(biāo)是通過這兩個(gè)值來確定的。

一個(gè)周期為開始波形和下一個(gè)波形之間的時(shí)間，獲取這兩個(gè)時(shí)間，對(duì)這兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并清除之前存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，整個(gè)時(shí)間周期都是精確的。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，軟件系統(tǒng)包括激光測(cè)距部分，經(jīng)過微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，發(fā)送和接收裝置的配合及協(xié)調(diào)，通過算法對(duì)所獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可以方便移植到其他平臺(tái)，并且對(duì)程序的編譯效率較高，執(zhí)行速度也較快，而且能對(duì)底層硬件進(jìn)行控制。系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)采用自上而下的模塊設(shè)計(jì)。STM32控制器輸出脈沖寬度調(diào)制控制電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)。雷達(dá)發(fā)射模塊輸出連續(xù)相應(yīng)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)經(jīng)過反射裝置對(duì)屏幕進(jìn)行檢測(cè)，信號(hào)識(shí)別到觸控點(diǎn)位后會(huì)產(chǎn)生反射，經(jīng)過反射后，雷達(dá)接收電路使模擬波形變成單片機(jī)能夠識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)，通過軟件濾波程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行處理，再用放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，最終獲得檢測(cè)到的信息。

對(duì)屏幕上的點(diǎn)的定位是通過雷達(dá)測(cè)距實(shí)現(xiàn)的。時(shí)間是通過程序算法分析處理的，這個(gè)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)雷達(dá)發(fā)送和接收的處理。要完成高精度測(cè)時(shí)芯片外圍設(shè)備的工作流程，當(dāng)異常流程再次出現(xiàn)時(shí)，對(duì)異常流程進(jìn)行處理。時(shí)間間隔檢測(cè)程序的流程如圖3所示。掃描程序進(jìn)程，首先調(diào)用初始化，然后等待掃描程序啟動(dòng)。通過停拍傳感器確定起飛時(shí)間。在掃描期間，兩個(gè)通道被連續(xù)采樣并存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器中。在區(qū)域目標(biāo)檢測(cè)的情況下確定目標(biāo)檢測(cè)。利用激光距離數(shù)據(jù)進(jìn)一步計(jì)算目標(biāo)位置數(shù)據(jù)是可能的。

圖3 程序流程圖

3 雷達(dá)觸控系統(tǒng)工作原理

二維平面觸控點(diǎn)探測(cè)與定位系統(tǒng)主要分為雷達(dá)發(fā)射硬件、雷達(dá)接收硬件、主要控制電路、時(shí)間測(cè)量計(jì)時(shí)電路、掃描電路，首先對(duì)前面的電路進(jìn)行測(cè)試，接著再對(duì)雷達(dá)觸控系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。通過貼標(biāo)記對(duì)墻面建立坐標(biāo)，方便實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集與處理電路主要是采集并處理雷達(dá)串行數(shù)據(jù)，對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，然后通過計(jì)算獲取有效坐標(biāo)，進(jìn)一步通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序，將獲得的有效坐標(biāo)對(duì)應(yīng)在二維顯示屏上，觸控電路是將屏幕坐標(biāo)應(yīng)用在對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的輸出及識(shí)別上，坐標(biāo)定位電路處理屏幕坐標(biāo)和人機(jī)交互處理，數(shù)據(jù)的通信是通過網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)的。大屏幕交互雷達(dá)觸控系統(tǒng)解決了獲得數(shù)據(jù)不能使用的弊端，采用分類后再聚類的這種算法可以得到更精確的數(shù)據(jù)，使程序開發(fā)更快，運(yùn)行更可靠，可以移植在不同的平臺(tái)，讓數(shù)據(jù)獨(dú)立存在，這樣就能讓多個(gè)雷達(dá)觸控系統(tǒng)同時(shí)工作，進(jìn)一步就可以擴(kuò)展系統(tǒng)應(yīng)用。

4 結(jié)論

雷達(dá)觸摸技術(shù)可以有效地將虛擬現(xiàn)實(shí)等二維平面上的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給觸摸屏操作人員。操作員可以實(shí)時(shí)與觸摸操作，以廉價(jià)的方式構(gòu)建一個(gè)信息流的閉環(huán)。二維接觸點(diǎn)探測(cè)和定位技術(shù)才剛剛開始。與移動(dòng)終端和物聯(lián)網(wǎng)一樣，接觸點(diǎn)檢測(cè)和定位技術(shù)也需要在大屏幕上花費(fèi)時(shí)間。然而，人們正在使用二維平面接觸點(diǎn)檢測(cè)和定位技術(shù)，它們可以普遍在電腦和手機(jī)上被使用。它可以成為人們未來生活中不可替代的產(chǎn)品，就像現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和改進(jìn)的現(xiàn)實(shí)技術(shù)一樣。這樣的檢測(cè)和定位技術(shù)也會(huì)在生活的其他各個(gè)領(lǐng)域有所應(yīng)用，如貿(mào)易、自動(dòng)化、治療、教育等。二維觸點(diǎn)檢測(cè)定位技術(shù)使其實(shí)現(xiàn)突破性的變化成為可能。任意顯示屏幕的接觸點(diǎn)檢測(cè)和定位技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一起，在生活中有很多應(yīng)用。根據(jù)激光測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、激光測(cè)量技術(shù)性價(jià)比高的特點(diǎn)，采用激光定位方法應(yīng)使用對(duì)時(shí)間參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算目標(biāo)坐標(biāo)。采用高精度時(shí)間測(cè)量芯片作為核心間隔測(cè)量模塊進(jìn)行時(shí)間測(cè)量，利用旋轉(zhuǎn)多面體棱鏡幫助激光在平面上掃描，由距離值和角度值計(jì)算平面上的位置坐標(biāo)。以上模塊主要由微控制器控制。本設(shè)計(jì)主要說明了大屏幕上進(jìn)行觸控操作的方法，包括電路的設(shè)計(jì)順序、相應(yīng)的參數(shù)部件、實(shí)現(xiàn)的方法原理和整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。