基于FPGA 的高分辨率紅外觸摸屏的設計
湯世洪，劉成安，陳泉根
（ 1. 西南科技大學信息工程學院，四川綿陽621010； 2. 西南科技大學國防學院，四川綿陽621010；3. 中國電子工程研究所四川綿陽621010）

摘要： 紅外觸摸的主要缺點是分辨率低下和易受到光干擾，從而不能實現準確定位。為了提高紅外觸摸屏的分辨率，準確確定觸摸點的位置，通過對紅外發光管和紅外接收管觸摸時的特性進行分析，得知在觸摸時，觸摸會對某個鄰域內的多個紅外接收管造成影響同時其影響因子存在差異。通過對紅外接收管的模擬信號進行A/D 轉換，使其成為數字信號。再用所得的數字信號來構造影響因子，通過信號處理理論和模糊控制理論來構造線性數的方法來實現觸摸位置的確定。此外，還介紹了該紅外觸摸屏的硬件組成及其設計。通對硬件平臺的實驗證明，在無強光干擾下，該紅外觸摸屏能夠達到的分辨率為0.5 mm。

關鍵詞： 紅外觸摸屏；觸摸屏分辨率；觸摸點；鄰域；影響因子；線性函數

中圖分類號： TP29 文獻標識碼： A 文章編號：1674－6236（2011）22-0163-04

    隨著大屏幕顯示應用越來越廣泛和科技的進步， 使得紅外觸摸屏得到了長足的發展和廣泛的應用。如紅外觸摸屏應用于室內的大屏幕顯示，大屏幕教學等領域。然而，當前的紅外觸摸屏仍然存在分辨率低下問題，所以紅外觸摸屏的分辨率的提高是紅外觸摸屏發展前景的關鍵。文中在應用的基礎上，提出了一種提高紅外觸摸屏分辨率的算法。

    紅外觸摸屏的基本原理[1]是通過紅外光發二極管和紅外接收二極管成對出現， 由一個框架安放在顯示器的表面，一邊放置紅外發光管，在其相對的一邊放置紅外接收管，在屏幕表面上，形成紅外線探測網。當不存在觸摸時，紅外接收管會將接收到的紅外光轉化成為一定的電信號， 當觸摸發生時，紅外接收管接收不到紅外光，導致了其沒有轉化電信號。（假設阻擋，電信號全部消失）故利用X、Y 方向上密布的紅外線矩陣來檢測并定位用戶的觸摸。

    就紅外屏的本質而言，其物理分辨率由紅外發光管和紅外接收管的對數決定，換而言之，在一定尺寸的屏上，其物理分辨率就是由紅外發光管和紅外接收管的體積決定的。在前工藝而言， 紅外主要的缺點還是存在分辨率低下等問題。在此，采用構造線性函數的方法來提高其亞分辨率，就是要確定位于兩個管子之間的位置準確確定出來，從而達到提高紅外觸摸屏亞分辨率的目的。

1 硬件設計

    對于一個紅外觸摸屏系統而言，主要是由紅外光發射電路，紅外信號接收電路和MCU 控制部分組成。系統的控制芯片采用的是Xilinx 公司的XC6SLX9_CSG225。硬件部分主要包括紅外光發射電路、紅外接收電路、模擬信號的轉換和數字信號的傳輸的控制等模塊。其系統硬件框圖如圖1 所示。

圖1 系統硬件框圖
 

    對于紅外光發射電路，由于紅外觸摸屏上的紅外二極管同時發光，會相互干擾，所以紅外發射電路主要實現功能就是讓紅外二極管依次發光，在此基礎上考慮紅外二極管發光的電流，電壓等資料參數，選取相應的芯片來實現。按照要求，選取芯片CD74AC164M、CD74HA138 和三極管一起來實現其功能。讓三極管工作在放大區，將紅外發光管組接到對應的三極管的e 極，在基極輸入一個高電平，由于基極和發射極的壓降小，所以在發射極也會得到相應的高電平。在這種情況下，只要改變發光管的負極就可以實現紅外發光管的點亮，結構圖如圖2 所示。

圖2 紅外發射電路
 

1.1 紅外接受電路設計

    對于紅外接收電路而言[4]，要求它和紅外發射電路必須同步工作，即要求時序完全一致。對于該部分電路，其實現方式和發射電路實現機理幾乎相同。但是，這一部分的主要目的是得到將光信號轉換的模擬的電信號。由于光電二極管是將光信號轉換為電流信號， 由于電流信號的處理很不方便，在此電路中，通過一個電阻，將光信號轉換為電壓信號，從而使得其便于處理。由于在此處，也是將接收管分組實現接收的，所以在實現接收時，也必須要實現具體選擇某個接收管的功能；除此之外，所選擇的芯片還要具備將檢測到的模擬信號傳送給下級處理的能力。綜合上述原因，在此就選擇了74HC4051D 這個芯片。

    74HC4051D 是一個高速的CMOS 設備。同時，它的引腳可以配置。它通過3 個輸入（S0~S3）來選擇8 通道的輸入。當E 為高電平的時候，所有引腳處于高阻狀態；當E 為低電平的時候，通過S0~S3 輸入來選擇某路開關。在該電路中，由于要檢測電壓信號，所以直接將74HC4051D 的模擬通道輸入直接接到光電二極管的負極。其部分原理圖如圖3 所示。

圖3 接收部分原理圖
 

1.2 模擬信號處理模塊

    對于模擬信號的處理， 本系統采用的方案是將AD 轉換芯片安裝在紅外接收板上， 通過74HC4051D 來實現其轉換數據的傳輸。這樣可以有效的抵抗外界干擾，解決布線問題。對于數據傳輸，選用74HC4051D 的輸出引腳作為I2C 總線的數據線，同時共用一個傳遞時鐘，讓其進行數據傳輸。

    在將模擬信號轉換成數字信號時， 選用的AD 轉換芯片是美國模擬器件公司的一種低功耗10 位高速串行A/D 轉換器， 它的外圍接線極其簡單，AD7810 的轉換時間為2 μs，采用標準SPI 同步串行接口輸出和單一電源（2.7～5.5 V）供電。在自動低功耗模式下，該器件在轉換吞吐率為1kSPS 時的功耗僅為27 μW。根據系統需要，讓該芯片工作在自動低功耗模式下。在此模式下，啟動信號CONVST 為低電平時，器件處于低功耗休眠狀態。當在CONVST 端輸入一個正脈沖時，可在其上升沿將器件從休眠狀態喚醒，喚醒過程需要1 μs 的時間。當器件被喚醒后，系統將自動啟動一次轉換，轉換時間也是2 μs。轉換結束時，AD7810 將轉換結果鎖存到輸出移位寄存器中，同時自動將器件再一次置于低拉耗狀態。啟動信號CONVST 正脈沖的寬度應小于1 μs，否則器件被喚醒后將不會自動啟動轉換， 而是將A/D 轉換的啟動時間順延至CONVST 的下降沿處。

2 軟件實現

    對于紅外觸摸屏來說，在某一時刻對紅外觸摸屏進行觸摸，我們所得到的有用信息只有兩種，一種是通過光電二極管回傳給MCU 的電信號； 二是在物理層面上的二極管對的序號。總體而言，就是要通過這兩種信號，來實現紅外觸摸屏觸摸位置的確定。

    在一個紅外觸摸屏系統中，定量的數據就是紅外接收管將接收到的紅外光強轉換為的電信號。對一個紅外觸摸屏系統而言，這個相當于是一個閉集。也就是說，在不存在觸摸時，發射管發出的紅外光會轉換成相對應的電信號，它們之間的相互轉換存在一定的映射關系，在文中，把這種映射關系視為是線性的。當有手指觸摸時，成對的紅外二極管對之間存在一定的影響。當觸摸發生在觸摸屏的某個位置時，在理論上由所有的紅外接收管的狀態共同來決定觸摸的位置。即由該閉集內的所有元素線性組合而可以實現。在實際應用中，經過對紅外二極管對的物理尺寸分析可以知道，當觸摸發生時，在接收端會發生明顯變化的二極管對只會是以某個二極管為中心的某個鄰域，如圖4 所示。在此系統中，選取兩個紅外二極管對來作為鄰域半徑。

圖4 觸摸時刻示意圖
 

    文中是通過實構造線性函數來現觸摸點位置確定。在觸摸時， 會引起接收端的某個鄰域內的接收信號產生變化，其反應在觸摸屏上就是觸摸位置的變化。在此，文中就已AD 轉換后的數字輸入來構造線性函數的系數，以當前二極管對數的序號作為輸入自變量，讓二者一起來實現觸摸點位置的確定[6-7]。這樣就可以實現線性函數的基本模型為：

X= （V-IN1）
V ×A1+ （V-IN2）
V ×A2+ （V-IN3）
V ×A3+ （V-IN4）
V ×
A4+ （V-IN5）
V ×A5 （1）

    在上式中，V 為AD 轉換后的最大值，IN 為觸摸位置的鄰域內的二極管對的輸入值，A 為對應二極管對的序號。據紅外觸摸屏的特性，其受到光干擾極其嚴重，在實驗結果中也發現在不同的環境下，運行的值差別很大，但是在某個特定的環境下， 光干擾幾乎可以視為一個不變的常量，它只是將紅外接收信號在幅度上有所提升。所以為了提高紅外觸摸屏抗光干擾的能力，提高線性映射的精確度，將上述式子進行優化為：

X= （V-L）-（IN1-L）
V-L ×A1+ （V-L）-（IN2-L）
V-L ×A2+ （V-L）-（IN3-L）
V-L ×
A3+ （V-L）-（IN4-L）
V-L ×A4+ （V-L）-（IN5-L）
V-L ×A5 （2）

    其中L 為光干擾時的直流分量。L 是在紅外發射管不發光的情況下，多次檢測AD 轉換的值，將所得到的值。在此處，計算出來的值是相對應于紅外二極管序號的偏離值，在計算結果中，將其保留到小數點后第一位。由于紅外二極管直徑為5 mm，在此將該計算值和紅外二極管直徑一相乘，就可實現最小的分辨率為0.5 mm。從而實現分辨率提高。對于軟件算法，其分為兩個部分，第一部分為對紅外觸摸屏的控制部分，第二就是對接收到數字信號進行處理。第一部分主要是在嚴格的按照時序要求，來控制發射管和接收管。第二部分就是根據接收到的數字信號，經過上述算法，來實現位置的確定。其具體流程圖如圖5 所示。

圖5 算法流程圖
 

3 結論

    在搭建好的硬件平臺上對設計的觸摸屏系統進行了驗證，在理論上，該觸摸屏的該觸摸屏的分辨率應該由紅外二極管對數的直徑和A/D 轉換的最小精度決定，該系統中選用的是10 位A/D 轉換芯片[8]，同時紅外二極管對的直徑為5 mm。即只要紅外接收管的接收量變換大于0.005 V， 其就可以分辨其位置。即理論分辨率可以達到0.008 mm，但是由于該紅外觸摸屏不是用于精確控制， 故通過處理后使其分辨率降低。通過實驗驗證，該觸摸屏0.5 mm，在該指標下，其可以用于應用于室內的大屏幕顯示，大屏幕教學等領域。

參考文獻：

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