紅外觸摸屏原理

1、一、 基本原理介紹紅外觸摸屏的工作原理是在觸摸屏的四周布滿紅外接收管和紅外發(fā)射管，這些紅外管在觸摸屏表面呈一一對(duì)應(yīng)的排列關(guān)系，形成一張由紅外線布成的光網(wǎng)，當(dāng)有物體(手指、帶手套或任何觸摸物體)進(jìn)入紅外光網(wǎng)阻擋住某處的紅外線發(fā)射接收時(shí)，此點(diǎn)橫豎兩個(gè)方向的接收管收到的紅外線的強(qiáng)弱就會(huì)發(fā)生變化，控制器通過了解紅外線的接收情況的變化就能知道何處進(jìn)行了觸摸。如下圖所示。  二、 構(gòu)成及工作流程1、 構(gòu) 成： 紅外觸摸屏由三部分組成：控制器、發(fā)射電路、接收電路。2、 工作流程工作時(shí)，控制器中的微處理器（ARM7或其它）控制驅(qū)動(dòng)電路（移位鎖存器）依次接通紅外發(fā)射管并 同 時(shí) 通過地址線和數(shù)據(jù)線來尋

2、址相應(yīng)的紅外接收管。 當(dāng)有觸摸時(shí)，手指或其它物就會(huì)擋住經(jīng)過該位置的橫豎紅外線，微處理器掃描檢查時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)該受阻得紅外線，判斷可能有觸摸，同時(shí)立刻換到另一坐標(biāo)再掃描，如果再發(fā)現(xiàn)另外一軸也有一條紅外線受阻，表示發(fā)現(xiàn)觸摸，并將兩個(gè)發(fā)現(xiàn)阻隔的紅外對(duì)管位置報(bào)告給主機(jī)，經(jīng)過計(jì)算判斷出觸摸點(diǎn)在屏幕的位置。其控制原理如圖1所示。3、 發(fā)射電路發(fā)射電路由移位鎖存器（例如：TI公司的CD74AC164M）、3-TO-8多路輸出選擇器（例如：TI的74HC238D）、恒流驅(qū)動(dòng)IC（例如美芯的MAX6966 、TI的ULN2803A等）、紅外發(fā)射二極管等組成?，F(xiàn)以TI公司的CD74AC164M為例介紹發(fā)射電路工作流程

3、。CD74AC164M是一個(gè)8 Bit串行輸入并行輸出的位移鎖存器。微處理器通過IO口控制移位鎖存器的時(shí)鐘以及數(shù)據(jù)輸入端。掃描時(shí)微處理器通過IO端口將CD74AC164M的MR腳置為高電平，則CD74AC164M會(huì)自動(dòng)把輸出腳：Q0置為高電平，然后送入時(shí)鐘信號(hào)：CP ，則在時(shí)鐘信號(hào)的上升期移位鎖存器自動(dòng)將Q0的數(shù)據(jù)寫入到Q1并保存。在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿到來時(shí)，把Q1的數(shù)據(jù)寫入到Q2并Q1自動(dòng)清零，其它依次進(jìn)行。寫入的脈沖會(huì)隨移位時(shí)鐘上升沿的到來不斷的移位，直到從輸出端移出。利用移位鎖存器的這一特點(diǎn)，可在移位時(shí)鐘的上升沿將脈沖移至發(fā)射管，并點(diǎn)亮發(fā)射管。將第一個(gè)移位鎖存器的輸出端與下一級(jí)的輸入

4、端相連，可將寫入的脈沖移人下一級(jí)。因此，通過移位鎖存器的級(jí)聯(lián)可實(shí)現(xiàn)微處理器對(duì)更多的發(fā)射管的驅(qū)動(dòng)。結(jié)合以上特點(diǎn)即可將發(fā)射管逐個(gè)點(diǎn)亮。以上只是對(duì)發(fā)射端原理性介紹，實(shí)際的電路在位移鎖存器的后面還有一級(jí)電流、電壓驅(qū)動(dòng)IC，例如：美芯的恒流驅(qū)動(dòng)IC：MAX6966 、TI的ULN2803A等,因?yàn)槲灰奇i存器輸出的掃描信號(hào)電流太小不足以驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射二極管，所以必須在后面加一級(jí)電流、電壓驅(qū)動(dòng)IC。驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示：4、 接收電路 接收電路由移位鎖存器（例如：TI公司的CD74AC164M）、多路器（例如：TI 公司的74HC4051D，與74HC238D匹配）、紅外接收二極管、放大電路、AD轉(zhuǎn)換器（例如：

5、TI的ADS7830）等構(gòu)成。 發(fā)射管被點(diǎn)亮的時(shí)刻，微處理器將同時(shí)通過地址線尋址與發(fā)射管位置上相對(duì)應(yīng)的接收管，并將接收感應(yīng)到的光通量通過放大器和AD轉(zhuǎn)換器放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再通過數(shù)據(jù)線傳送給微處理器進(jìn)行處理，由此判斷是否有觸摸發(fā)生。通過這樣處理可使發(fā)射管與接收管一一對(duì)應(yīng)，從而為確定觸摸位置奠定基礎(chǔ)。接收電路必須與發(fā)射電路用相同型號(hào)的移位鎖存器（例如：TI公司的CD74AC164M），這樣才能保證微處理器發(fā)出掃描信號(hào)后尋址相對(duì)應(yīng)的接收管時(shí)，發(fā)射管和接收管在時(shí)序上一一對(duì)應(yīng)。光通量放大電路和AD轉(zhuǎn)換電路示意圖如下：5、 軟件工作流程 6、 高分辨率的實(shí)現(xiàn)早期的紅外觸摸屏的分辨率直接由紅外對(duì)管數(shù)決

6、定，對(duì)于接收管來說，只有接收到和沒有接收到信號(hào)兩種情況，觸摸分辨率就等于屏的物理分辨率。因此其觸摸屏的分辨率比較低。但如果將接收的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行量化分級(jí)，那么，對(duì)于接收的信號(hào)，不僅要判斷是否被阻擋，還要判斷出被阻擋的程度，觸摸物的不同位置將決定是否有接收信號(hào)且接收信號(hào)的強(qiáng)度也有所不同，因此觸摸物的位置與接收的紅外信號(hào)強(qiáng)度有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即使觸摸物移動(dòng)非常小的距離也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生改變，從而可以得到極高的分辨率。該情況下的觸摸屏分辨率主要由紅外對(duì)管數(shù)和模數(shù)轉(zhuǎn)換精度決定，其觸摸屏分辨率為紅外對(duì)管數(shù)與單對(duì)紅外管能實(shí)現(xiàn)的分辨率的乘積。觸摸屏坐標(biāo)由紅外管的物理坐標(biāo)和觸摸點(diǎn)在相應(yīng)管中的坐標(biāo)共同決定?；?/p>

7、以上原理，可以將每次采集到的紅外接收管的光通量進(jìn)行256級(jí)量化，這樣，得到的最小分辨率就是接收管的寬度256，從而大大提高了紅外觸摸屏的分辨率，該方法可以達(dá)到2046×2046的精度。7、 觸摸位置的計(jì)算為了得到準(zhǔn)確的觸摸位置，在計(jì)算觸摸位置時(shí)必須排除周圍環(huán)境光的干擾。為此，通過確定每對(duì)管子的域值來作為判斷是否有手指觸摸的依據(jù)。該域值的確定可通過對(duì)每對(duì)管子的“0”態(tài)和“1”態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)采樣來實(shí)現(xiàn)。 “0”態(tài)，即將所有的發(fā)射管進(jìn)行一次清零，此時(shí)的發(fā)射管都為熄滅狀態(tài)，這樣，采樣得到的就是接收管接收到的周圍光的光通量；“1”態(tài)，即將所有的發(fā)射管逐個(gè)點(diǎn)亮，此時(shí)的發(fā)射管在某一時(shí)刻只有一只被點(diǎn)亮，

8、采樣得到的是接收管接收對(duì)應(yīng)發(fā)射管及周圍光的光通量。紅外觸摸屏的觸摸位置的計(jì)算主要是通過遮擋時(shí)與未遮擋時(shí)的光強(qiáng)比來得到的。在判斷觸摸位置時(shí)，可以先確定被遮擋的管子，計(jì)算得到被遮擋的大致位置。若被遮擋的管子為第N個(gè)管子，這個(gè)被遮擋的大致位置為Ld，則有： Ld=(N-1)×管子的寬度由于手指遮擋時(shí)有一定的區(qū)域，所以遮擋時(shí)有兩種可能：其一是在被確定的管子的前面；其二是在被確定的管子處。圖3所示為手指遮擋示意圖。為了精確計(jì)算，需要計(jì)算這兩種情況下位置的偏移量L1和L2。則有：其中，L為第N個(gè)管子被遮擋時(shí)的位置。L1為手指在被確定的管子的前面時(shí)的偏移量。L2為手指在被確定的管子處時(shí)的偏移量，X

9、N為掃描時(shí)采樣第N個(gè)管子接收到的數(shù)據(jù)，XNmax為“1”態(tài)時(shí)采樣第N個(gè)管子接收到的數(shù)據(jù)XNmin為“0”態(tài)時(shí)采樣第N個(gè)管子接收到的數(shù)據(jù)。8、 鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng) 控制器只能得到觸摸位置的絕對(duì)坐標(biāo)位置信息，而無法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的鼠標(biāo)動(dòng)作。所以，必須通過主機(jī)端的驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)動(dòng)作?？梢酝ㄟ^VC+編程來實(shí)現(xiàn)串口通信和鼠標(biāo)動(dòng)作，從而完成軟件結(jié)合硬件對(duì)鼠標(biāo)的驅(qū)動(dòng)。A、 串口通信為了使主機(jī)能夠接收控制器通過串口傳送的觸摸位置信息，可利用Microsoft公司提供的ActiveX控件Microsoft Communications Control，并通過VC+編程來實(shí)現(xiàn)串口通信。通過在該控件中的設(shè)置可指定通信串口號(hào)，同

10、時(shí)可設(shè)置波特率、校驗(yàn)位、停止位、數(shù)據(jù)位等通信參數(shù)，以及接收OnComm事件門限值。由于傳統(tǒng)的鼠標(biāo)是一種相對(duì)定位系統(tǒng)，它只和前一次鼠標(biāo)的位置坐標(biāo)有關(guān)。而觸摸屏則是一種絕對(duì)坐標(biāo)系，與相對(duì)定位系統(tǒng)有著本質(zhì)的區(qū)別。因此，通過主機(jī)從串口接收到的觸摸點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換來得到屏幕坐標(biāo)。B、鼠標(biāo)動(dòng)作鼠標(biāo)動(dòng)作在觸摸屏的應(yīng)用中甚為重要。它主要包括鼠標(biāo)的定位，鼠標(biāo)的移動(dòng)，鼠標(biāo)的左鍵單擊和雙擊，以及鼠標(biāo)的右鍵單擊。在VC+編程中，可通過使用API函數(shù)中的mouse_event來模擬鼠標(biāo)事件，以實(shí)現(xiàn)以上的鼠標(biāo)動(dòng)作。9、    紅外觸摸技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)A. 紅外觸摸屏的優(yōu)點(diǎn)是可用手指、筆或任何

11、可阻擋光線的物體來觸摸,視覺效果和定位原理都優(yōu)于其它觸摸屏技術(shù)，而且不受電流、電壓和靜電干擾，可以適宜惡劣的環(huán)境條件；缺點(diǎn)是在球面顯示器上使用時(shí)感覺不好，這是因?yàn)橘囈怨ぷ鞯募t外光柵矩陣顯然要求保證在同一平面上。B. 紅外線檢測技術(shù)用于觸摸屏技術(shù)主要有3個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：l 環(huán)境光因素，紅外接收管有最小靈敏度和最大光照度之間的工作范圍，但是觸摸屏產(chǎn)品卻不能限制使用范圍，從黑暗的歌廳包房到海南島高強(qiáng)度陽光下的戶外使用，作為產(chǎn)品，它必須適應(yīng)。 l 快速檢測，紅外觸摸屏一般尺寸最少也有64套紅外對(duì)管，也就是說至少要求在0.4毫秒內(nèi)就要完成一條紅外線的檢測。     周圍的反射、折射、干擾，紅外發(fā)射管有一個(gè)發(fā)射角，接收管有較大范圍的接收角，如果周圍反射到一定程度，你會(huì)發(fā)現(xiàn)手指放在什么地方也阻擋不住信號(hào)。 要解決這些問題，選擇模擬方式最大的好處是可以分析提高觸摸屏的分辨率，但是抗干擾能力比不上脈沖方式；選擇脈沖方式雖然抗干擾能力強(qiáng)，但是存在脈沖方式在接收方需要一個(gè)響應(yīng)過程時(shí)間的問題，而觸摸屏卻要求極快的速度，因此要在自適應(yīng)電路、單片機(jī)軟件、模具設(shè)計(jì)、透光材料選擇等幾個(gè)方面要有技術(shù)突破。l 紅外觸摸屏靠多對(duì)紅外發(fā)射和接收對(duì)管來工作，紅外對(duì)管性能和壽命都比較可靠，任何阻擋光線的