電腦觸摸屏技術研究
袁莉, 李文奎
(綏化學院計算機系, 黑龍江綏化 152061)

[摘要] 電腦觸摸屏技術通過USB 芯片被電腦識別為鼠標, 對碰觸信號進行位置檢測、模數轉換和運算來對電腦鼠標指針進行定位, 通過觸筆上的按鍵和滾輪替代電腦鼠標的按鍵和滾輪。USB芯片的HID 功能使設備免除了驅動程序, 碰觸定位操作與按鍵、滾輪操作的分離進行, 全面替代了鼠標的操控功能。此技術具有帶按鍵觸筆和免驅動特性兩大創新點, 在人機交互設備技術領域具有明顯的新穎性、創造性和實用性, 有廣闊的應用前景。

[關鍵詞] 觸摸屏; 免驅動; 帶按鍵觸筆; 人機交互

[中圖分類號] TP31[文獻標識碼] A􀀁[文章編號]1008-178X(2011)06-0009-04

    隨著使用電腦作為信息來源的與日俱增, 系統設計師越來越多地使用觸摸屏。觸摸屏作為一種最新的電腦輸入設備, 它是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。

    觸摸屏出現在中國市場上至今只有短短的幾年時間, 產品數量與種類很多, 但是大都具有局限性。本文給出的觸摸屏技術填補了國內市場兩大空白: (1) 目前國內市場上的觸摸屏控制器中, 基于USB 接口的免驅動觸摸屏控制器尚無實例。目前商品化的USB 接口電腦觸摸屏產品中, 必須事先通過驅動光盤安裝驅動程序方能夠使用。所以本文尋求一種使用USB 接口而無需驅動的電腦觸摸屏實現方案, 以填補市場和技術空白; (2) 市售的電腦觸摸屏并不能完全模擬鼠標操作, 因為其觸控方式并不能直接具有鼠標的左右鍵、滾
輪等功能, 需要頻繁切換觸控所要模擬的鼠標操作, 而且無法完成一些特定操作。本文的觸摸屏技術使用帶按鍵觸筆設計對鼠標操作予以完全模擬。

    這種免驅動并基于帶按鍵觸筆的電腦觸摸屏技術新穎、成本低并且有廣泛的應用前景。本文介紹一種基于這種技術的電腦觸摸屏系統, 著重從系統組成和工作原理兩方面介紹這種技術。

1.系統原理

1.1硬件組成

觸摸屏系統由觸摸板、控制器、帶按鍵觸筆3 個主要部分構成。結構框圖如圖1所示。

圖1系統結構框圖
 

1.1.1 帶按鍵觸筆

    鼠標的操作分成移動和按鍵兩個獨立的操作, 而傳統電腦觸摸屏的操作只有觸碰一種, 只能通過觸碰實現移動和一種按鍵操作的組合, 所以要不斷切換組合方式。而本文實現的電腦觸摸屏系統配備了具有鼠標按鍵和滾輪的觸筆, 由觸摸屏的觸碰實現鼠標的移動,由觸筆上的按鍵實現鼠標的按鍵，也即完成了移動和擊鍵兩個操作的獨立,方便其任意組合。

    從不同的制造成本要求來考慮,可以設計成有線式或無線式。有線式帶按鍵觸筆結構簡單, 僅包括左右鍵、滾輪以及連線。無線式帶按鍵觸筆需要在有線式帶按鍵觸筆的基礎上加入無線編碼發射芯片(如PT2262 或TDA1808 等)與獨立的供電電池。在控制器端則需要對應的無線接收解碼芯片( 如PT2272 或TDA1809 等) 。

圖2帶按鍵觸筆結構

1.1.2 觸摸板

    透明的觸摸板安裝在顯示器屏幕前面, 用于檢測用戶觸摸位置, 輸出橫、縱兩路模擬電壓量表示的觸碰位置信號到控制器。固定裝置可以是彈性尼龍帶、掛鉤、雙面膠紙等, 用于將觸摸面板固定在電腦顯示器顯示區域表面。觸摸板一般選取四線或五線電阻式觸摸屏、表面聲波觸摸屏或紅外觸摸屏。根據觸摸屏的不同, 使用不同接口電路。

    電阻式觸摸屏利用壓力進行控制。當手指觸摸屏幕時, 兩層導電層在觸摸點位置就有了接觸, 電阻發生變化, 在X 和Y 兩個方向上產生信號, 然后送觸摸屏控制器。控制器偵測到這一接觸并計算出( X, Y) 的位置, 再根據模擬鼠標的方式運作。四線電阻式觸摸屏作為觸摸板時, 控制器端應使用AR7643、AD7843 等觸摸屏專用模數轉換芯片。

1.1.3 控制器

    觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸板上接收觸摸位置信號, 從帶按鍵觸筆上接收鼠標操作, 經過處理,通過USB 芯片來控制電腦。主要由4 個芯片構成:

    (1)模數轉換芯片AR7643: 電阻觸摸屏的輸出模擬信號需要此模數轉換器轉換成數字信號。為了匹配1024*768 或更高的顯示分辨率, 要求數字位數不小于10位, 誤差小于0.1%。并且為了適應USB 接口的響應頻率( 例如, Windows Vista 系統下為125Hz) , 轉換頻率應在100Hz 以上。AR7643 或AD7843 等專用芯片可以很好滿足需要。

    (2)無線接收解碼芯片PT2272。用于接收觸筆上無線編碼發射電路所發射的無線信號, 把無線信號解碼成按下、抬起按鍵或滾動滾輪的數字電壓信號。

    (3)51單片機。作為控制器的核心, 可以選用廉價而且好用的51 系列單片機, 如89C52、80C51 等。用
于處理信號、控制整個系統。

    (4)USB 接口芯片PDIUSBD12。作用是將51 系列單片機產生的輸出信號( 移動與擊鍵) 傳輸給計算機。以HID 設備的方式與計算機通信, 通過設置設備識別碼, 讓電腦將控制器識別為USB 鼠標, 來達到免驅動的目的, 免去了手動安裝驅動程序的麻煩。

1.2 工作原理

1.2.1免驅動原理

    觸摸屏系統對電腦實現控制的方法為USB 芯片使用HID 協議與電腦通信, 描述符定義設備為鼠標, 使操作系統自動調用內部驅動程序支持此類設備, 無需外部驅動程序。從觸摸板經模數轉換芯片檢測觸點橫縱坐標, 通過單片機計算為鼠標指針移動信號, 并編碼為USB 鼠標HID 報告格式, 通過USB 芯片實時發送給電腦, 完成對鼠標指針的控制。

1.2.2 系統工作過程

    51 單片機持續發送時鐘和控制字給模數轉換芯片AR7643。如果用戶使用帶按鍵觸筆的筆尖碰觸觸摸板,則可以從AR7643 接收到的1 位數字信號PENIRQ 顯示發生碰觸。觸摸板將此位置以橫、縱兩路由模擬電壓量表示的觸碰位置信號的形式輸出到AR7643。AR7643 將其轉換為橫、縱兩路數字電壓量表示的位置坐標值, 輸出到51 單片機, 以向系統表示期望顯示器件上的指針的移動到的位置。

    用戶也可以按下、抬起帶按鍵觸筆上的按鍵或滾動帶按鍵觸筆上的滾輪, 以向系統表示自己希望電腦實現類似于電腦鼠標的按鍵和滾輪功能。這些操作產生數字的電壓信號, 通過電路連接或無線收發對PT22262、PT2272 發送到控制器。

    51單片機依據時間先后順序, 將數字電壓量表示的位置坐標值或表示用戶按下、抬起按鍵或滾動滾輪的數字電壓信號分別計算、處理成為控制電腦移動顯示器件上的指針的數字信號和控制電腦完成按鍵和滾輪功能的數字信號, 并發送給接口電路。

    USB 接口芯片PDIUSBD12 接收主控電路輸出的需要發送給電腦的控制信號, 進行編碼, 并發送編碼后的電信號給電腦USB 接口。電腦處理USB 接口接收到的信號, 依據信號所表示的指針移動位置移動顯示器件上顯示的指針, 并依據USB 接收到的信號中表示的按下、抬起按鍵或滾動滾輪操作, 完成按鍵和滾輪操作對應的電腦功能。

1.2.3 基本算法描述

    為了實現設備的免驅動, 系統以鼠標的工作方式來控制電腦。所以根據系統的結構特點, 可以設計如下兩種通過觸摸屏移動鼠標指針的算法:

    (1) 先通過一個足夠大的反向移動信號, 快速移動鼠標指針到坐標原點, 再通過正向移動信號( X, Y)移動到目標點( X, Y) 。

    (2) 記錄每次移動到的坐標( X0, Y0) , 有新的目標點( X, Y) 時, 通過坐標差值計算移動信號( XX0,Y- Y0) , 移動到目標點( X, Y) 。

    系統需要根據實際情況選擇移動鼠標指針的算法。選擇的根據基于先前一個或多個系統運行周期內是否有觸摸輸入。如果沒有連續檢測到觸摸輸入, 則此次觸摸輸入為單次點觸, 可以選用算法(1)以提高精度; 如果連續檢測到觸摸輸入, 則表示拖拽操作, 應選用算法(2),令鼠標指針僅移動所需距離即可。

2. 結束語

    本系統經過開發利用, 可以方便地實現屏上軟鍵盤輸入、手寫輸入等功能。其游戲功能也十分豐富。系統可以使一些需要頻繁操縱鼠標的電腦游戲軟件操作起來更加簡便與快速, 增加了游戲的真實性與樂趣。一些槍戰類電腦游戲需要頻繁地用鼠標點擊畫面上的敵人來進行射擊, 當畫面上敵人過多、過分散、移動過快時, 鼠標要在不同敵人間快速移動和點擊, 對于使用傳統鼠標的玩家來說負擔很大。但是使用本文描述的觸摸屏系統后, 玩家只需用觸筆在屏幕上直接觸碰畫面上的敵人即可射中, 十分方便快捷, 而且增加了真實
感。

    本文介紹了一種新型的USB 免驅動觸摸屏系統的原理, 給出了系統的一個實驗樣例, 這個系統經過產品化設計后, 生產出的產品與市場同類產品相比, 具備相同大小的成本, 但性能更優。

    此系統可以廣泛地應用于電腦操作、文字錄入、圖文制作、游戲控制等方面, 其即插即用無需驅動和鼠標模擬的特點會為用戶提供更多方便。帶按鍵觸筆和免驅動電腦觸摸屏技術將改變設計師和用戶的觀念, 成為電腦觸摸屏的革新者, 將會推動觸摸屏更廣泛的應用。

參考文獻
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