基于FPGA 的高分辨率红外触摸屏的设计
汤世洪，刘成安，陈泉根
（ 1. 西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621010； 2. 西南科技大学国防学院，四川绵阳621010；3. 中国电子工程研究所四川绵阳621010）
摘要： 红外触摸的主要缺点是分辨率低下和易受到光干扰，从而不能实现准确定位。为了提高红外触摸屏的分辨率，准确确定触摸点的位置，通过对红外发光管和红外接收管触摸时的特性进行分析，得知在触摸时，触摸会对某个邻域内的多个红外接收管造成影响同时其影响因子存在差异。通过对红外接收管的模拟信号进行A/D 转换，使其成为数字信号。再用所得的数字信号来构造影响因子，通过信号处理理论和模糊控制理论来构造线性数的方法来实现触摸位置的确定。此外，还介绍了该红外触摸屏的硬件组成及其设计。通对硬件平台的实验证明，在无强光干扰下，该红外触摸屏能够达到的分辨率为0.5 mm。
关键词： 红外触摸屏；触摸屏分辨率；触摸点；邻域；影响因子；线性函数
中图分类号： TP29 文献标识码： A 文章编号：1674－6236（2011）22-0163-04
随着大屏幕显示应用越来越广泛和科技的进步， 使得红外触摸屏得到了长足的发展和广泛的应用。如红外触摸屏应用于室内的大屏幕显示，大屏幕教学等领域。然而，当前的红外触摸屏仍然存在分辨率低下问题，所以红外触摸屏的分辨率的提高是红外触摸屏发展前景的关键。文中在应用的基础上，提出了一种提高红外触摸屏分辨率的算法。
红外触摸屏的基本原理[1]是通过红外光发二极管和红外接收二极管成对出现， 由一个框架安放在显示器的表面，一边放置红外发光管，在其相对的一边放置红外接收管，在屏幕表面上，形成红外线探测网。当不存在触摸时，红外接收管会将接收到的红外光转化成为一定的电信号， 当触摸发生时，红外接收管接收不到红外光，导致了其没有转化电信号。（假设阻挡，电信号全部消失）故利用X、Y 方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸。
就红外屏的本质而言，其物理分辨率由红外发光管和红外接收管的对数决定，换而言之，在一定尺寸的屏上，其物理分辨率就是由红外发光管和红外接收管的体积决定的。在前工艺而言， 红外主要的缺点还是存在分辨率低下等问题。在此，采用构造线性函数的方法来提高其亚分辨率，就是要确定位于两个管子之间的位置准确确定出来，从而达到提高红外触摸屏亚分辨率的目的。
1 硬件设计
对于一个红外触摸屏系统而言，主要是由红外光发射电路，红外信号接收电路和MCU 控制部分组成。系统的控制芯片采用的是Xilinx 公司的XC6SLX9_CSG225。硬件部分主要包括红外光发射电路、红外接收电路、模拟信号的转换和数字信号的传输的控制等模块。其系统硬件框图如图1 所示。
图1 系统硬件框图
对于红外光发射电路，由于红外触摸屏上的红外二极管同时发光，会相互干扰，所以红外发射电路主要实现功能就是让红外二极管依次发光，在此基础上考虑红外二极管发光的电流，电压等资料参数，选取相应的芯片来实现。按照要求，选取芯片CD74AC164M、CD74HA138 和三极管一起来实现其功能。让三极管工作在放大区，将红外发光管组接到对应的三极管的e 极，在基极输入一个高电平，由于基极和发射极的压降小，所以在发射极也会得到相应的高电平。在这种情况下，只要改变发光管的负极就可以实现红外发光管的点亮，结构图如图2 所示。
图2 红外发射电路
1.1 红外接受电路设计
对于红外接收电路而言[4]，要求它和红外发射电路必须同步工作，即要求时序完全一致。对于该部分电路，其实现方式和发射电路实现机理几乎相同。但是，这一部分的主要目的是得到将光信号转换的模拟的电信号。由于光电二极管是将光信号转换为电流信号， 由于电流信号的处理很不方便，在此电路中，通过一个电阻，将光信号转换为电压信号，从而使得其便于处理。由于在此处，也是将接收管分组实现接收的，所以在实现接收时，也必须要实现具体选择某个接收管的功能；除此之外，所选择的芯片还要具备将检测到的模拟信号传送给下级处理的能力。综合上述原因，在此就选择了74HC4051D 这个芯片。
74HC4051D 是一个高速的CMOS 设备。同时，它的引脚可以配置。它通过3 个输入（S0~S3）来选择8 通道的输入。当E 为高电平的时候，所有引脚处于高阻状态；当E 为低电平的时候，通过S0~S3 输入来选择某路开关。在该电路中，由于要检测电压信号，所以直接将74HC4051D 的模拟通道输入直接接到光电二极管的负极。其部分原理图如图3 所示。
图3 接收部分原理图
1.2 模拟信号处理模块
对于模拟信号的处理， 本系统采用的方案是将AD 转换芯片安装在红外接收板上， 通过74HC4051D 来实现其转换数据的传输。这样可以有效的抵抗外界干扰，解决布线问题。对于数据传输，选用74HC4051D 的输出引脚作为I2C 总线的数据线，同时共用一个传递时钟，让其进行数据传输。
在将模拟信号转换成数字信号时， 选用的AD 转换芯片是美国模拟器件公司的一种低功耗10 位高速串行A/D 转换器， 它的外围接线极其简单，AD7810 的转换时间为2 μs，采用标准SPI 同步串行接口输出和单一电源（2.7～5.5 V）供电。在自动低功耗模式下，该器件在转换吞吐率为1kSPS 时的功耗仅为27 μW。根据系统需要，让该芯片工作在自动低功耗模式下。在此模式下，启动信号CONVST 为低电平时，器件处于低功耗休眠状态。当在CONVST 端输入一个正脉冲时，可在其上升沿将器件从休眠状态唤醒，唤醒过程需要1 μs 的时间。当器件被唤醒后，系统将自动启动一次转换，转换时间也是2 μs。转换结束时，AD7810 将转换结果锁存到输出移位寄存器中，同时自动将器件再一次置于低拉耗状态。启动信号CONVST 正脉冲的宽度应小于1 μs，否则器件被唤醒后将不会自动启动转换， 而是将A/D 转换的启动时间顺延至CONVST 的下降沿处。
2 软件实现
对于红外触摸屏来说，在某一时刻对红外触摸屏进行触摸，我们所得到的有用信息只有两种，一种是通过光电二极管回传给MCU 的电信号； 二是在物理层面上的二极管对的序号。总体而言，就是要通过这两种信号，来实现红外触摸屏触摸位置的确定。
在一个红外触摸屏系统中，定量的数据就是红外接收管将接收到的红外光强转换为的电信号。对一个红外触摸屏系统而言，这个相当于是一个闭集。也就是说，在不存在触摸时，发射管发出的红外光会转换成相对应的电信号，它们之间的相互转换存在一定的映射关系，在文中，把这种映射关系视为是线性的。当有手指触摸时，成对的红外二极管对之间存在一定的影响。当触摸发生在触摸屏的某个位置时，在理论上由所有的红外接收管的状态共同来决定触摸的位置。即由该闭集内的所有元素线性组合而可以实现。在实际应用中，经过对红外二极管对的物理尺寸分析可以知道，当触摸发生时，在接收端会发生明显变化的二极管对只会是以某个二极管为中心的某个邻域，如图4 所示。在此系统中，选取两个红外二极管对来作为邻域半径。
图4 触摸时刻示意图
文中是通过实构造线性函数来现触摸点位置确定。在触摸时， 会引起接收端的某个邻域内的接收信号产生变化，其反应在触摸屏上就是触摸位置的变化。在此，文中就已AD 转换后的数字输入来构造线性函数的系数，以当前二极管对数的序号作为输入自变量，让二者一起来实现触摸点位置的确定[6-7]。这样就可以实现线性函数的基本模型为：
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 为AD 转换后的最大值，IN 为触摸位置的邻域内的二极管对的输入值，A 为对应二极管对的序号。据红外触摸屏的特性，其受到光干扰极其严重，在实验结果中也发现在不同的环境下，运行的值差别很大，但是在某个特定的环境下， 光干扰几乎可以视为一个不变的常量，它只是将红外接收信号在幅度上有所提升。所以为了提高红外触摸屏抗光干扰的能力，提高线性映射的精确度，将上述式子进行优化为：
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 为光干扰时的直流分量。L 是在红外发射管不发光的情况下，多次检测AD 转换的值，将所得到的值。在此处，计算出来的值是相对应于红外二极管序号的偏离值，在计算结果中，将其保留到小数点后第一位。由于红外二极管直径为5 mm，在此将该计算值和红外二极管直径一相乘，就可实现最小的分辨率为0.5 mm。从而实现分辨率提高。对于软件算法，其分为两个部分，第一部分为对红外触摸屏的控制部分，第二就是对接收到数字信号进行处理。第一部分主要是在严格的按照时序要求，来控制发射管和接收管。第二部分就是根据接收到的数字信号，经过上述算法，来实现位置的确定。其具体流程图如图5 所示。
图5 算法流程图
3 结论
在搭建好的硬件平台上对设计的触摸屏系统进行了验证，在理论上，该触摸屏的该触摸屏的分辨率应该由红外二极管对数的直径和A/D 转换的最小精度决定，该系统中选用的是10 位A/D 转换芯片[8]，同时红外二极管对的直径为5 mm。即只要红外接收管的接收量变换大于0.005 V， 其就可以分辨其位置。即理论分辨率可以达到0.008 mm，但是由于该红外触摸屏不是用于精确控制， 故通过处理后使其分辨率降低。通过实验验证，该触摸屏0.5 mm，在该指标下，其可以用于应用于室内的大屏幕显示，大屏幕教学等领域。
参考文献：
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