红外触摸屏的原理简述

红外触摸屏的原理简述

红外触摸屏技术是在屏幕四周安装红外发射管和红外接收管，形成红外光矩阵，然后分别在横、竖两个方向上不断的扫描并探测，当触摸物阻挡红外光时进行位置判断的坐标定位技术。一般是在显示器的前而安装一个电路板框架，在电路板上四边安装对应红外发射管和红外接收管，如下图所示，白色的是红外发射管，黑色的是红外接收管，通过电路驱动红外发射管发出红外光，位置相对的接收管接收红外光信号。用户在触摸屏幕时，手指就会挡住经过该位置的横竖方向的外线，光信号的改变引起光电探测电路输出的电信号发生变化，通过对电信号处理可以对触摸点在屏幕的位置进行定位。任何对红外光不透明的触摸物体都可阻断红外线实现触摸定位。本文由红外线供应网提供

红外触摸屏的原理是在屏幕四边放置红外发射管和红外接收管，微处理器控制驱动电路依次接通红外发射管并检查相应的红外接收管，以形成横坚交叉的红外光阵列，得到定位的信息。本论文中以Philips公司的ARM7芯片LPC2132为微处理器，通过对移位锁存器74HC595的控制对红外发射管的逐个扫描，同时微处理器通过12C总线寻址每个相应的红外接收管，得到相应的光强值。微处理器根据接收到的被遮挡前后的光强信号得到触摸的位置信息，并通过串口将该信息传送给主机。控制方式如下图所示：

微处理器电路：

微处理器在红外触摸屏硬件系统中起着核心的作用:

1、完成对红外发射电路的驱动;

2、完成对红外接收电路的驱动;

3、完成对是否被触摸的判断以及触摸位置信息的计算;

4、将触摸位置信息通过中P1传送给主机;

5、调试整个程序的运行。

本论文中采用Philips公司的ARM7芯片LPC2132作为微处理器。该芯片是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDMI微控制器，并带有64kB的嵌入的高速Flash 存储器。具有EmbeddedICE-RT和嵌入式跟踪接口，可实时调试；多个串行接口，包括2个16C550工业标准DART，2个高速I2C接口 SP1;多个32位定时器、1个10位8路ADC, 10位DAC，PWM通道和47个GP10以及多达9个边沿或电平触发的外部中断。

这部分电路中主要包括驱动红外发射部分，驱动红外接收部分，出口通信部分，JTAG调试

部分。驱动红外发射部分是由芯片上的第4脚，第44脚，第48脚来完成的，它们分别用于控

制红外发射管亮暗状态的信号:DS、 SH-CP、ST-CP。电路原理理如下图所示：

微处理器通过分别将二个信号按照一定的时序置高低电平，来控制每支红外发射管的亮暗状态。每个管脚最大耐压为 5V，但由于需要驱动165支红外发射管，导致电流很大，以至于容易将管脚烧坏。为了解决这样的问题，在以上二个管脚上分别接上NPN管采用集电极输出电路来增大驱动能力。同时由于输出反向，所以需将原来写入的高电平置为低电平，低电平置为髙电平。驱动红外接收部分是由芯片上第8脚，第12脚，第16脚，第37脚，第41脚来成的。其中第37脚，第41脚分别为I2C总线上的信号SCL，SDA;第8脚，第12脚，第16脚是芯片74HC4051的地址线信号。电路原理于如下图所示：

这部分主要是微处理器通过I2C总线来寻址每个ADS7830来完成165支红外接收管的光强信号的放大、模数转换并将值传回到微处理器中。由于165支红外接收管需要21片ADS7830

来完成寻址，而微处理器上只有2个I2C接口所以必须要扩展I2C接口。这里选用芯74HC4051，用二个地址线来扩展得到5个I2C接口，选通五组红外接收模块。这样微处理器可以通过I2C 总线逐一的寻址每支红外接收管。串口通信部分是由第19脚，第21脚来完成的。它们分别是串口总线上的信号TxDO,RxDO,用来将处理得到的触摸位置信息传送给主机。电路原理图如下图所示：

由于RS-232串行接口标准为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。其传送距离最大约为15米，最高速率为20kb/s。 RS-232是为点对点(即只用一对收、发设备)通讯而设计的，其驱动器负载低，只适合本地设备之间的通信。它是一种非平衡的传送方式。为了更好的满足红外触控的要求，这里采用RS-422标准串行接口进行传输。RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。由于接收器采用髙输入阻抗，发送驱动器比RS-232具有更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。即一个主设备(Master)，其余为从设备(Salve,从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。RS-422的最大传输距离为4000英尺(约1219米)，最大传输速率为10Mb/s。

本文中采用芯片Max3490作为RS-422的串行接口芯片。Max3490是一款工作在3.3V 电压下，传输速率可达到10M bps的RS-422发送接收器。它的引脚定义及应用电路如下图

所示：

微处理器芯片中具有11个不同功能的寄存器。这些寄存器用来实现串口上数据的接收和发送，它的基本功能框图如下

JTAG调试部分是由第20脚，第24脚，第52脚，第56脚，第60脚，第64脚来成。它们分别是TRST,TDI,TMS，TCK，TDO，RTCK。其中信号TRST作为输入，用来测试复位；信号TDI作为输入，用来测试数据的输入；信号TMS作为输入，用来测试模式的选择;信号TCK作为输入，用来测试时钟；信号TDO作为输出，用来测试数据的输出；信号RTCK作为输出，是返回的测试时钟。其电路原理图如下：

红外发射电路：

本论文中红外触摸屏采用逐一点亮红外发射管的工作方式，整个红外发射电路是通过每片74HC595扫描8支红外发射管来实现的，其中红外发射管选用EVERL1GHT公司的发射管，其电路实现如下所示：

由于红外发射管采用5V电压供电，而74HC595输出的高电平也为5V,这样在驱动红外发射管时就必须加限流电阻，以免造成芯片引脚被损坏。而发射管电性曲线图（正向电压一正向电流）可知，红外发射管驱动电压在1-1.5V变化时，电流在10-100mA间变化，因此对于10~100mA的驱动电流，限流电阻阻值可估算出来。

(SHCP)和存储时钟(STCP)，都是上升沿有效。其时序如图下所示：

微处理器主要是控制这两个时钟以及数据输入端(DS)。通过数据输入端将一个脉冲写入移位寄存器，在移位时钟的上升沿可将写入的数据移入寄存器，并在存储时钟的上升沿将数据置入内部锁存器中。利用这样的特点，在移位时钟的上升沿可实现将输入的脉冲移至发射管，在存储时钟的上升沿点亮发射管。输入的脉冲会随移位时钟上升沿的到来不断的移位一直到从输出端移出。将第一个的移位锁存器的输出端与下一级的输入端相连，可将前级的脉冲移入到下一级中。因此，可实现移位锁存器的级联，同时微处理器实现了对更多的发射管的驱动，结合

以上特点，可以实现将发射管逐个点亮。整个红外发射电路的扫描过程如下图所示：

其中变量Count为被扫描的红外发射管的个数。由于是一行扫描过去的，所以当一支红外发射管被点亮后Count自加。当所有的红外发射管被逐一点亮后Count应该等于红外发射管的总数。当不等于165时说明扫描过程还没有结束，所以被置入的脉冲继续在移位时钟和存储时钟作用下扫描下一支红外发射管。

由于未上电前芯片的内部状态是随机的，所以刚一上电后所有的红外发射管并不是理想的“0”态，会出现很多支红外发射管同时被点亮。这种状态造成红外发射管的电流过大，整个系统中的驱动电压被严重拉下来，使得微处理器芯片不能正常的工作。所以必须采用大电流的电源输入，在上电后对红外发射电路进行清零处理。通过这样的处理使得芯片可以正常工作。只需要向数据端DS写入0,即可实现对红外发射电路进行清零处理。

红外接收电路:

在红外触摸屏中红外接收电路至关重要，它完成了相对应的红外发射管的光强信号的采集，得到了判断是否被触摸的基础数据。本论文中的红外接收电路是通过芯片ADS7830来实现的，

电路原理如下图所示：（只列出四组接收）

红外接收管选用EVERLIGHT（亿光）公司的光敏三极管。它是一种快速响应，高灵敏度的光电二极管，具有高速、高灵敏度的NPN型外延平而，响应波长为980nm。

ADS7830是一个带有I2C接口的8路采样通道的8位模数转换器。它的采样速率可以达到70kHz;既可以4对差分输入，也可以8路单独输入;工作在2.7V到5V的电压下;其内建参考电压为2.5V;支持标准、快速、高速二种I2C工作模式。它的结构如下图：I2C总线是双向传输的总线，在传送数据过程中共有四种类型信号，它们分别是:开始信号、结束信号、应答信号和位传送信号

1)开始信号:SCL为髙电平时，SDA山髙电平向低电平跳变，开始传送数据。

2)结束信号:SCL为髙电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

3)应答信号:接收数据的从器件在接收到8Bit数据后，向发送数据的主器件发出特定的低电平脉冲，表示巳收到数据。主器件向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，从器件接收到应答信号后，根据情况做出判断是否要继续传递信号。若未收到应答信号，则判断为受控单兀出现问题。

4)位传送信号:在I2C总线启动后或应答信号后的第1个到8个时钟脉冲对应十一个字节的8Bit数据传送。脉冲髙电平期间，数据串行传送;低电平期间为数据准备，允许总线上数据电平变换。

5)同步时钟允许器件通过总线以不同的波特率进行通信，同时可以作为停止和重新启动串行

总线的握手方式。

由于ADS7830带有I2C接口，这样可以通过I2C总线与微处理器进行通信。同时它有8路的采样通道，即每个芯片可以采样8支红外接收管上光强信号，并进行模数转换。这样可以有效的减少驱动芯片数最，从而降低了成本。另外，在I2C总线通信时都是通过寻址I2C器件的地址来完成的，因此寻址每支红外接收管的各个通道地址的正确与否会影响到整个红外接收电路对光强信号的采集。ADS7830的地址设置如下图：

其中10010为芯片先设置好的固定的部分地址位。A1，AO作为地址输入，是根据引脚上输入为髙电平信号还是低电平信号来决定1或0。而低位是根据对芯片的读写来决定1或O命令字节中，SD为单端输入/差分输入:“0”时表示差分输入;”1”时表示单端输入。C2～CO为通道的选择，具体见表PDl，PDO为功率的选择，具体见下表：

PD1、PD0 功率选择模式表

I2C地址具体设置

接收流程如下：

需要注意的是:红外接收管与红外发射管在扫描过程中位置上能否保证时刻的一一对应，对于整个红外触摸屏是否能够正常工作起着至关重要的作用。一旦红外接收管接收到的光强信号并非是与之相对应的红外发射管，将会造成触摸判断无效。所以在每支红外发射管被点亮的时刻，便对与它位置相对应的红外接收管进行寻址，接收相应的光强信号。

电源电路：

电源在整个系统中也起着很重要的作用，将很大程度上影响整个系统是否能够正常的工作。本文中的电源电路中主要由5V和3.3V电源模块构成。

5V电压是通过外部的电源来提供，它一部分主要提供给红外发射电路的驱动芯片74HC595,并驱动所有的红外发射管。还需提供给红外接收电路的驱动芯片ADS7830。另一部分则被转换为3. 3V提供给微处理器芯片LPC2132，串口通信接口芯片Max3490。由于每支红外发射管的电流在10-100mA间变化，所以外部的电源模块必须满足输出电流为2A。在5V转换为3.3V

电路中是通过SPX1117M3和滤波电路输出得到的。其中，SPX 1117M3是Sipex公司生产的,输出电流可达800mA,输出电压的精度在士 1%以内，还具有电流限制和热保护功能。SPX1117系列的芯片有很低的静态电流，在满负载时其低压差仅为1.1V,当输出电流减少时，静态电流

随负载变化，并提高效率。转换电路如下图：

在其输入端和输出端使用一个0.1 uF及470uF的钮电容来改善SPX1117的瞬态响应和稳定

性。

高分辨率的实现：

触換屏的分辨率是通过在屏上x方向所能探测的点数与Y方向上所能探测的点数的乘积来表示的。早期红外触摸屏是根据接收管有无接收到光信号来判断是否被触換的，其分辨率则由红外管的对数决定，因此它的分辨率就等十屏的物理分辨率，即当红外触摸屏的X方向上有120对红外管，Y方向上有45对红外管时，它的分辨率为120X45。这样触換屏的分辨率比较低。但实际上当物体触換后，不同的触摸位置不仅会影响到红外接收管是否能接收到信号，会影响到其接收信号的强度有所不同。即触摸物的位置与接收的红外光信号强度有直接的对应关系。冈此如果将接收的红外光信号强度进行量化分级处理，对十接收管不仅要判断是否收到信号，还要判断出接收到的信号的具_体强度，这样即使触摸物移动非常小的距离，由十收到的信号强度发生了改变，也可探测到触摸位置，从而可以得到极高的分辨率。此时的触摸屏分辨率主要由红外管对数和每对红外管的光强量化级数决定。触摸屏坐标则由红外管的物理坐标和触換点在相应管中的坐标共同决定为了验证并得到触摸物的位置与接收的红外光信号强度的关系，本文中做了遮挡位置和接收电压的实验，实验装置如下所示：

位置与电压关系

通过曲线可以看出遮挡的位置与输出电压是一种近似的线性关系，闪此触摸物的位置与接收的红外信号强度建立起了一种线性的对应关系。基于以上的原理，在“0”状态下采集红外接收管的光强信号作为零点值，在“1”状态下采集红外接收管的光强信号作为满度值，这样将两次釆集到的红外接收管的光强归一化进行256级量化，即接收到的光强信的值的取值范围为0～255。这样得到的最小的分辨率为0.0195，即在0.0195mm的距离上即可探测到一个点。由设计的红外触摸屏的尺寸为600mmX225，所以理论上可以在屏上探测到30769X11538个点，大大提高了红外触摸屏的分辨率.但由于显示屏的分辨率为2048X768,所以只需将光强信号进行32级量化即可实现。

抗强光干扰的实现：

红外触摸屏主要依靠红外光工作，对环境光照因素的变化比较敏感。太阳光中红外光约占50%，在有太阳光的环境使用红外触換屏会受到极大干扰，在光照变化较大时会引起误动作。为了更奵增强红外触摸屏的抗光干扰的性能，现有的技术中主要釆用两种方式:一种是在电路上进行修改调整;另一种是不让或少让外界光照射在红外管，即物理防光。下面介绍几种方案：

1、脉冲方式抗干扰。红外探测采用脉冲方式，即红外发射管发射一个固定频率的信号，接收方只对这一频率进行检测。为提高抗干扰能力，对发射管和接收管均釆用相同固定频率扫描，发射管发射固定频率的信号，同时以同样频率对相对应的接收管进行信号的釆集。

2、采用差动输入滤除干扰信号，在接收管附近设少蛍同型号红外接收管接收环境光中的红外信号，对十釆集的红外脉冲和环境光中红外光的混合信号，釆用差动输入的方式滤除干扰信号。

3、对接收管可加装红外滤光片或进行环氧封装以滤除部分光干扰。红外发射管前端加装凸透镜有利十增加接收光的强度，从而增加各等级信号间强度的差值，减弱接收信号对干扰信号的“敏感度”，提高抗光干扰能力。

本文设计中为了排除周围环境光的干扰得到准确的触摸位置，在计算触摸位置时确定每对

管子的域值作为判断是否有手指触摸的依据。域值的选定对于红外触摸屏是否能够正常的工作，是否能够正确的判断触摸起着至关重要的作用。

域值的确定是通过对每对管子的“0”态和“1”态时数据釆样实现，并默认设定“0”态和“1”态时的数据之和的一半为域值。"0”态，即将所有的发射管进行一次淸零，此时的发射管都为熄火状态，理想状态下采样得到的光强转换值应全部为0;"1”态，即将所有的发射管逐个点亮，此时的发射管在某一时刻只有一支被点亮，理想状态下采样得到的是接收管接收相对应发射管的光强信号。

但在实际应用中，这两种状态的光强信号都会不同程度上受到外界光的影响。对于“0”态，所有的红外发射管都是未被点亮的，但由于外界光的干扰，接收的这些转换值并不是0，对于“1”态，红外发射管逐个点亮，由于外界光的干扰存在，使得红外接收管接收的是接收管接收相对应发射管的光强信号及外界光信号。同时，在整个扫描的过程中，外界光是实时变化的，

这样不同时刻采集到的数据和最初得到的域值相比较后就可能造成错误的触換判断，引起触摸屏的误操作。这些因素导致红外触摸屏无法正常正确的判断触換位置。

本文中主要釆用动态调节域值和安装对传播方向敏感的光准直沟道相结合的方法增强了红

外触摸屏的抗干扰能力。

具体的方法如下：

1、安装对传播方向敏感的光准直沟道进行过滤，可以实现在水平方向上光透过率很高对于倾斜方向入射的光衰减极大，尽可能的衰减外界光

2、对每支红外接收管得到的“0”态和“1”态时的光强信号的模数转换值进行归一化处理，则“0”态时的模数转换值对应值为0，"1”态时的模数转换值对应为 OxFF;

3、当触摸屏上未发生任何触換动作时，微处理器将不停的采集每支红外接收管“0”态和“1”态时的光强信号，并确定域值，作为判断是否被触換以及计算触換位置的依据；

4、当微处理器探测到发生抬手动作后，将不停的采集每支红外接收管“0"态和“1”态时的光强信号，并确定域值，作为下一次判断是否被触摸以及触換位置的依据；

利用自动量程照度计测量得到:未进行以上的抗强光处理时，红外触摸屏只能工作在低于3500勒克司的环境光下;当安装光准直沟道后，红外触摸屏可工作在7500勒克司的环境光下;当动态调节域值并结合光准直沟道后，红外触摸屏可工作在17600勒克司的环境光下。

通过以上的抗强光处理，红外触換屏的抗强光干扰能力提高了近3倍。

多触点实现：

由于在给定的时间里，触摸屏检测系统只接收唯一的一组位置坐标数据，如果在给定时间

内把两个或两个以上的触摸点都按下，则多个触摸信号就会在该时段重叠起来，釆集得到的触摸地点不是实际触摸的地点。如下图所示

A点为第一个发生触摸事件的地点，经探测后生成第一组定位坐标数据，可釆集到第一个触摸事件发生的实际地点。当用户离开A点后触摸D点生成第二组触摸信号，可以采集到第二个触摸事件的实际地点。在给定的时间里，将A点和D点都按下,则第一组信号和第二组信号就会在该时间内重叠起来，微处理器会算出多个位置坐标数据，由此得到的触摸点可能是A点、B点、C点、D点中的一个，使得触換屏不能正确地响应用户的操作。

随着触换屏技术的发展，多点触換的电阻触換屏和电容触摸屏相继问世。与此同时，在机载显示中，很多情况下需要调节局部区域的亮度或是处理局部区域的图像信号。为了实现这样的功能，需要在触換屏操作过程中必须能够进行多触点的动作来划定所需要的区域。多点触摸的红外触摸屏的开发设计迫在眉睫。现在市场上推出了几种关于红外触摸屏的多点触摸设计方案：1，设计一复杂的辅助判断电路来增强红外触摸屏对多个触摸点的判断力；

2、在红外触摸屏的外边缘额外附加一个或两个摄像头来区分多个触摸点

3、不改变硬件通过检测触摸事件发生的先后顺序来识别多个触摸点；

4、在一个扫描周期内，一个红外接收元件在不同的时刻来接收来自两个不同位置的红外发射元件来发出的光线，从而来区分多个触摸点；

5、利用同轴和离轴的发射和接收管之间的被触摸物隔断的光线，在一个扫描方向上触摸点的坐标值，在另一个方向上确定触摸点的大致坐标值并初步剔除伪触点;然后再在另一个方向上使用相同的方法，最终得到所有的触摸点的精确坐标值，同时剔除伪触摸点本文中釆用判断记录触摸的位置，然后再根据被触摸的先后顺序来剔除伪触摸点，从而得

到精确的坐标点。只体的实现方法如下:对于所示，当A点和D点同时被触摸，首先根据触摸动作在A点和D点上发生的事件上的先后差别，记录下第一个触摸动作的位置坐标，记为A点(X1，Y1),并保存这个触換点。当第二个触摸动作叠加在第一个触摸动作上时，微处理器会得到多组的位置坐标(X1, X1，X2，Y2)，从而判断出有新的触摸点加入，通过比较现有的位置坐标(X1，Y1)，D点的坐标不可能与A点在任一方向上平行从而排除其他的坐标(X1，Y1)，（X2，Y2)的可能。由此确定另外的一个触摸点D点的坐标为(X2，Y2)，

这样实现区分出了两个触摸点。

具体的工作流程如下图:

本文分别从微控制器电路、红外发射电路、红外接收电路、电源电路几个方面描述了整个红外触換屏的硬件架构，并主要阐述了红外触触屏的高分辨率、抗强光干扰、多触摸点的眞体实现方法。通过这样的硬件设计，釆集处理得到触換的位置信息，并传送给主机进行验证。