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紅外觸摸屏基于FPGA 高分辨率的設計

發布者:admin  發布時間:2013-05-04  轉自:  查看:4089次  【

文章摘要: 紅外觸摸的主要缺點是分辨率低下和易受到光幹擾,從而不能實現準确定位。為了提高紅外觸摸屏的分辨率,準确确定觸摸點的位置,通過對紅外發光管和紅外接收管觸摸時的特...

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幹擾,從而不能實現準确定位。為了提高紅外觸摸屏的分辨率,準确确定觸摸點的位置,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,觸摸會對某個鄰域内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拟信号進行A/D 轉換,使其成為數字信号。再用所得的數字信号來構造影響因子,通過信号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确定。此外,還介紹了該紅外觸摸屏的硬件組成及其設計。通對硬件平台的實驗證明,在無強光幹擾下,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
中圖分類号: TP29 文獻标識碼: A 文章編号:1674-6236(2011)22-0163-04
    随着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内的大屏幕顯示,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,紅外接收管會将接收到的紅外光轉化成為一定的電信号, 當觸摸發生時,紅外接收管接收不到紅外光,導緻了其沒有轉化電信号。(假設阻擋,電信号全部消失)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,就是要确定位于兩個管子之間的位置準确确定出來,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,紅外信号接收電路和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、模拟信号的轉換和數字信号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,會相互幹擾,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,将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,隻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,即要求時序完全一緻。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将光信号轉換的模拟的電信号。由于光電二極管是将光信号轉換為電流信号, 由于電流信号的處理很不方便,在此電路中,通過一個電阻,将光信号轉換為電壓信号,從而使得其便于處理。由于在此處,也是将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将檢測到的模拟信号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态;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,由于要檢測電壓信号,所以直接将74HC4051D 的模拟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 模拟信号處理模塊
    對于模拟信号的處理, 本系統采用的方案是将AD 轉換芯片安裝在紅外接收闆上, 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幹擾,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。
    在将模拟信号轉換成數字信号時, 選用的AD 轉換芯片是美國模拟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,采用标準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,啟動信号CONVST 為低電平時,器件處于低功耗休眠狀态。當在CONVST 端輸入一個正脈沖時,可在其上升沿将器件從休眠狀态喚醒,喚醒過程需要1 μs 的時間。當器件被喚醒後,系統将自動啟動一次轉換,轉換時間也是2 μs。轉換結束時,AD7810 将轉換結果鎖存到輸出移位寄存器中,同時自動将器件再一次置于低拉耗狀态。啟動信号CONVST 正脈沖的寬度應小于1 μs,否則器件被喚醒後将不會自動啟動轉換, 而是将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隻有兩種,一種是通過光電二極管回傳給MCU 的電信号; 二是在物理層面上的二極管對的序号。總體而言,就是要通過這兩種信号,來實現紅外觸摸屏觸摸位置的确定。
    在一個紅外觸摸屏系統中,定量的數據就是紅外接收管将接收到的紅外光強轉換為的電信号。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号,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态共同來決定觸摸的位置。即由該閉集内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隻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确定。在觸摸時, 會引起接收端的某個鄰域内的接收信号産生變化,其反應在觸摸屏上就是觸摸位置的變化。在此,文中就已AD 轉換後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号作為輸入自變量,讓二者一起來實現觸摸點位置的确定[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 轉換後的最大值,IN 為觸摸位置的鄰域内的二極管對的輸入值,A 為對應二極管對的序号。據紅外觸摸屏的特性,其受到光幹擾極其嚴重,在實驗結果中也發現在不同的環境下,運行的值差别很大,但是在某個特定的環境下, 光幹擾幾乎可以視為一個不變的常量,它隻是将紅外接收信号在幅度上有所提升。所以為了提高紅外觸摸屏抗光幹擾的能力,提高線性映射的精确度,将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 為光幹擾時的直流分量。L 是在紅外發射管不發光的情況下,多次檢測AD 轉換的值,将所得到的值。在此處,計算出來的值是相對應于紅外二極管序号的偏離值,在計算結果中,将其保留到小數點後第一位。由于紅外二極管直徑為5 mm,在此将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号進行處理。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号,經過上述算法,來實現位置的确定。其具體流程圖如圖5 所示。
 

圖5 算法流程圖
 
3 結論
    在搭建好的硬件平台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。即隻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确控制, 故通過處理後使其分辨率降低。通過實驗驗證,該觸摸屏0.5 mm,在該指标下,其可以用于應用于室内的大屏幕顯示,大屏幕教學等領域。
參考文獻:
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[3] 許桂華. 觸摸屏的技術特征[J].現代通信,2000(6):30-31
[4] 張宏偉,黃子強.多觸點抗光幹擾紅外觸摸屏的設計與驗證[D] .成都:電子科技大學,2009.
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[6] 鄧自立.最優估計理論及其應用[M].哈爾濱:哈爾濱工業出版社,2005.
[7] 李人厚智能控制理論與方法[M].西安:電子科技大學出版社,2007.
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