李小哲，胡躍輝，呂國強(qiáng)＊，于芳芳，劉志民，丁小宇

（1.特種顯示技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，特種顯示技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，省部共建現(xiàn)代顯示技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，合肥工業(yè)大學(xué) 光電技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；3.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引 言

隨著蘋果公司的iphone、ipad等產(chǎn)品的普及，多點(diǎn)觸摸逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪械摹爸鹘恰?，該技術(shù)在智能手機(jī)、電子數(shù)碼產(chǎn)品、數(shù)字信息展示、便攜式計(jì)算機(jī)以及工業(yè)控制臺(tái)等信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展迅速［1－4］。目前，觸摸屏主要分為兩大類：基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)與基于傳感器技術(shù)［5－6］。其中基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的觸摸屏，一般成本較高，適用范圍有限；而基于傳感器技術(shù)的觸摸屏應(yīng)用領(lǐng)域較多，主要分為：電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、聲波式觸摸屏和紅外式觸摸屏［7－8］。而紅外觸摸屏與其他觸摸屏相比，具有成本低、透明度高、易于安裝等特點(diǎn)，并且不怕電磁、電流、靜電等干擾，能夠正常工作于惡劣的環(huán)境條件，因此廣泛應(yīng)用在大尺寸的觸摸屏中［9－10］。但隨著尺寸的增加、距離的變大，紅外觸摸存在驅(qū)動(dòng)能力差、信號(hào)不穩(wěn)定的問題，而這些問題將直接導(dǎo)致觸摸點(diǎn)的計(jì)算不準(zhǔn)確，嚴(yán)重影響觸摸屏的精度。

本文設(shè)計(jì)了一種適用于大尺寸多點(diǎn)觸摸系統(tǒng)的紅外收發(fā)電路，使其能夠提升瞬態(tài)發(fā)射功率，并降低總體功耗，結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)。

2 實(shí)驗(yàn)原理

紅外觸摸屏由四周的觸摸面板構(gòu)成，觸摸面板的下表面布滿正交方向的紅外發(fā)射及接收傳感器，發(fā)射傳感器與接收傳感器在位置上一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)有觸摸物體出現(xiàn)時(shí)，阻擋了紅外傳感器的傳播光線，接收傳感器接收到的光信號(hào)通量減小，將該變化量送入單片機(jī)處理，從而判斷出坐標(biāo)點(diǎn)的位置。但隨著觸摸屏尺寸的加大，發(fā)射傳感器的發(fā)射距離加長，傳統(tǒng)的紅外傳感器的驅(qū)動(dòng)方法不能滿足大尺寸的需求，出現(xiàn)了信號(hào)強(qiáng)度弱、觸摸遮擋信號(hào)不明顯等問題，從而導(dǎo)致觸摸點(diǎn)識(shí)別錯(cuò)誤，系統(tǒng)分辨率、精度不能達(dá)到要求。

為了解決上述問題，我們提出了一種新的適用于大尺寸紅外觸摸屏的硬件驅(qū)動(dòng)方法，該方法能夠有效地解決信號(hào)強(qiáng)度弱、坐標(biāo)點(diǎn)識(shí)別不準(zhǔn)確的問題，下面將詳細(xì)敘述實(shí)驗(yàn)原理和方法。

2.1 紅外發(fā)射電路的驅(qū)動(dòng)原理

紅外發(fā)射電路由選通信號(hào)、紅外發(fā)射傳感器（紅外發(fā)射管）、達(dá)林頓管及一定阻值的電阻組成，如圖1所示。其中，選通信號(hào)1和2由控制芯片提供，需滿足一定的邏輯關(guān)系，其邏輯關(guān)系如表1所示。

圖1 紅外發(fā)射傳感器驅(qū)動(dòng)電路Fig.1 Infrared emission sensor driver circuit

圖2 紅外發(fā)射傳感器驅(qū)動(dòng)電路等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit of infrared emission sensor driver circuit

表1 發(fā)射電路選通信號(hào)與傳感器導(dǎo)通關(guān)系Tab.1 Relationship between gating signal of transmission circuit and the state of sensor

當(dāng)選定紅外發(fā)射傳感器工作時(shí)，合理選擇R2與R4的阻值使達(dá)林頓管Q1與Q2飽和導(dǎo)通，此時(shí)的等效電路如圖2所示。在計(jì)算過程中，由于U1與U2所在支路電流極小可忽略不計(jì)，則選取R1上的電流i1（t）和二極管等效電阻RT上的電流i2（t）為狀態(tài)變量，有：

根據(jù)等效電路圖2列出回路方程：

省略狀態(tài)變量函數(shù)中的符號(hào)t，整理得到：

表示成矩陣形式為：

輸出電壓表達(dá)式為

用矩陣形式表示輸出方程為

電路中的達(dá)林頓管Q1、Q2為性能相同的PNP與NPN管，相對(duì)于三極管，達(dá)林頓管的驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)，極易達(dá)到飽和狀態(tài)，基極流入電流小，增加芯片的帶負(fù)載能力，而流過紅外傳感器的電流可通過改變電阻的阻值來控制，以達(dá)到需要的發(fā)光強(qiáng)度。

電路中的R3必不可少，它能夠有效避免電路中的邏輯混亂。當(dāng)達(dá)林頓管Q1未導(dǎo)通時(shí)，紅外傳感器的正極通過R3接地，若此處不存在R3的支路，則傳感器正極的狀態(tài)不明確，無法肯定傳感器的導(dǎo)通與否，而傳感器的導(dǎo)通則直接影響接收傳感器的信號(hào)，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

2.2 紅外接收電路的驅(qū)動(dòng)原理

紅外接收電路由選通信號(hào)、三極管、MOSFET管、紅外接收傳感器（紅外接收管）及電阻構(gòu)成，如圖3所示。其中，選通信號(hào)3與4由控制芯片給出，使其滿足一定的邏輯關(guān)系來控制紅外傳感器導(dǎo)通與否，其邏輯關(guān)系如表2所示。

圖3 紅外接收傳感器驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.3 IR receiver sensor driver circuit

表2 接收電路選通信號(hào)與傳感器導(dǎo)通關(guān)系Tab.2 Relationship between gating signal of receiver circuit and the state of sensor

當(dāng)電路處于工作狀態(tài)即選通信號(hào)3與4均為低電平時(shí)，合理選擇R6與R7的阻值，使Q3、Q4工作在飽和狀態(tài)，同時(shí)考慮到芯片的帶負(fù)載能力可適當(dāng)加大R6與R7的阻值，但不能影響Q3與Q4的工作狀態(tài)。此時(shí)，紅外傳感器正常工作，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)輸出。由于該信號(hào)強(qiáng)度較小，后續(xù)電路中應(yīng)有適當(dāng)?shù)姆糯鬄V波處理。

PMOS管Q5的工作狀態(tài)由一個(gè)與系統(tǒng)時(shí)鐘同頻的信號(hào)控制，接收傳感器正常工作時(shí)，PMOS管處于截止?fàn)顟B(tài)，電流信號(hào)輸出給下一級(jí)作放大處理；而在該控制信號(hào)的后半個(gè)周期，Q5處于開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)，可將前半個(gè)周期的電流信號(hào)迅速與地短路。由于接收管輸出信號(hào)為公共信號(hào)端，即圖3中Q4的集電極同時(shí)并聯(lián)n個(gè)接收傳感器的輸出信號(hào)，因此此處的Q5顯得極為重要。在時(shí)鐘的半個(gè)周期傳感器正常工作，另半個(gè)周期利用Q5將前一時(shí)刻的信號(hào)徹底“丟掉”，防止影響下一個(gè)接收器信號(hào)，提高了信號(hào)的完整度，尤其是微小信號(hào)，進(jìn)而提高了信號(hào)的靈敏度。

當(dāng)觸摸屏工作時(shí)，發(fā)射電路與接收電路的選通信號(hào)按照一定的邏輯關(guān)系提供，保證發(fā)射傳感器工作時(shí)，相對(duì)應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)接收傳感器同時(shí)工作。無觸摸點(diǎn)時(shí)，紅外接收傳感器接收到的光信號(hào)很強(qiáng)，轉(zhuǎn)換的電流信號(hào)較大；當(dāng)有觸摸點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，傳感器接收到的光信號(hào)較小，轉(zhuǎn)換的電流信號(hào)就相應(yīng)的減小，從而判斷觸摸點(diǎn)的位置。由于在硬件電路中的改進(jìn)，使得紅外發(fā)射傳感器的發(fā)光強(qiáng)度得到了一定的提高，接收電路中由光信號(hào)轉(zhuǎn)換的電流信號(hào)能夠準(zhǔn)確、沒有重疊的傳遞，有效的解決了大尺寸情況下，紅外發(fā)射傳感器發(fā)光強(qiáng)度不高，接收傳感器信號(hào)微弱識(shí)別困難的問題。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為了驗(yàn)證本文提出的驅(qū)動(dòng)方法的可行性，我們基于PIC32MX440F256H搭建了多個(gè)紅外觸摸平臺(tái)，控制芯片均為LC4064V5TN100I及74系列芯片等。觸摸平臺(tái)適用于127cm（16∶9）LCD，橫軸包含216對(duì)紅外傳感器，縱軸包含124對(duì)紅外傳感器，其中紅外發(fā)射傳感器選用深圳鑫永誠公司的XYC－IRFI940AC－D4，接收傳感器選用該公司的XYC－PTFI940DC－A4。多個(gè)觸摸平臺(tái)的區(qū)別在于紅外傳感器的驅(qū)動(dòng)方法不同，其中包括本文提出的驅(qū)動(dòng)方法以及傳統(tǒng)的普通的驅(qū)動(dòng)方法。

實(shí)驗(yàn)中，紅外傳感器均采用脈沖式工作方式，工作波長為940nm。為了保證傳感器工作正常，脈沖驅(qū)動(dòng)電壓占空比需小于等于百分之一。在紅外發(fā)射電路中，選通信號(hào)1與2均由74系列芯片按照一定的邏輯提供，為了使達(dá)林頓管Q1、Q2均工作在飽和狀態(tài)，配置電路（圖1）中電阻R1阻值為1Ω，R2阻值為6.2kΩ，R3阻值為1kΩ，R4阻值為6.2kΩ。紅外接收電路中，選通信號(hào)3與4均由CPLD按照相應(yīng)的邏輯提供，為了使三極管Q3處于飽和態(tài)、MOSFET管Q4處于開關(guān)態(tài)配置電路中R5阻值為2kΩ，R6阻值為4.7kΩ，R7阻值為2kΩ，R8阻值為51Ω。另外，整個(gè)觸摸系統(tǒng)采用 USB供電，供電電壓為5V，電流為500mA。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

普通的驅(qū)動(dòng)方法，如圖4～5所示。圖4為紅外發(fā)射傳感器驅(qū)動(dòng)電路，其中T1為PNP型三極管，T2為NPN型三極管；圖5為其小信號(hào)H參數(shù)等效電路，由三極管放大電路的頻率響應(yīng)得到：

圖4 普通的紅外發(fā)射傳感器驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 Ordinary infrared emission drive circuit

圖5 普通的紅外發(fā)射傳感器驅(qū)動(dòng)電路等效電路Fig.5 Equivalent circuit of ordinary infrared emission drive circuit

針對(duì)本文提出的紅外觸摸屏的驅(qū)動(dòng)方法與普通的驅(qū)動(dòng)方法，分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，并用示波器捕捉了信號(hào)波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，普通的驅(qū)動(dòng)方法三極管T1處于放大狀態(tài)，T2處于飽和狀態(tài)。圖6為未有遮擋的情況下紅外接收傳感器輸出信號(hào)，其中每一個(gè)小尖沖代表一個(gè)傳感器輸出信號(hào)，從圖中可看出，信號(hào)的幅度不等，有些幅值過小，表明傳感器接收到的光信號(hào)不穩(wěn)定，有些傳感器未接收到信號(hào)。而本文所提出的驅(qū)動(dòng)方法，達(dá)林頓管Q1與Q2的引腳信號(hào)波形圖如圖7～圖8所示，其中（a）為Q1波形圖，（b）為Q2波形圖，由圖中可看出Q1與Q2的3個(gè)引腳分別為Ve＞Vc＞Vb，Vb＞Vc＞Ve，均工作在飽和態(tài)。圖9為未有遮擋情況下紅外接收傳感器的輸出信號(hào)，從圖中可看出，信號(hào)幅值基本一致，表明傳感器接收到的光信號(hào)穩(wěn)定，系統(tǒng)工作正常。

圖6 普通驅(qū)動(dòng)方法接收電路輸出信號(hào)波形圖Fig.6 Output single waveform of common driving method

圖7 發(fā)射電路中達(dá)林頓管Q1三個(gè)引腳信號(hào)波形圖，其中綠色為基極，紅色為集電極，紫色為發(fā)射極Fig.7 Waveform of Darlington transistor Q1，wherein the base electrode green，red for the collector，the emitter purple

圖9 本文所提驅(qū)動(dòng)方法接收電路輸出信號(hào)波形圖Fig.9 Output single waveform of the driving method which propose in this article

由以上實(shí)驗(yàn)表明，本文所提出的紅外觸摸屏的電路設(shè)計(jì)方法，能夠有效的驅(qū)動(dòng)紅外傳感器，尤其在大尺寸的情況下，相較于普通的驅(qū)動(dòng)方法，紅外發(fā)射傳感器的發(fā)光強(qiáng)度更高，發(fā)射距離更長，接收傳感器的信號(hào)更規(guī)整，更能反映出觸摸事件的發(fā)生與否。

5 結(jié) 論

在大尺寸的紅外觸摸中，發(fā)射傳感器需要的瞬態(tài)發(fā)射功率較大，小信號(hào)狀態(tài)很難滿足設(shè)計(jì)要求，傳感器需工作在大信號(hào)狀態(tài)，因此對(duì)大尺寸觸摸屏的信號(hào)進(jìn)行大信號(hào)的分析必不可少。為滿足系統(tǒng)整體功耗需求，采用中小功率管實(shí)現(xiàn)大功率設(shè)計(jì)為本文設(shè)計(jì)的核心。最后，以PIC32MX－440F256H為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，搭建了適用于127cm LCD的紅外觸摸系統(tǒng)，并對(duì)比傳統(tǒng)的普通的驅(qū)動(dòng)方法，驗(yàn)證本文提出方法的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的電路設(shè)計(jì)方案能夠有效的提高發(fā)射電路的瞬態(tài)功率：瞬態(tài)電流達(dá)到500mA，功率達(dá)到2 500mW，發(fā)射距離長，接收信號(hào)一致性好，為實(shí)現(xiàn)大尺寸的紅外多點(diǎn)觸摸提供了保障。

［1］ 李兵兵，黃子強(qiáng).電容式多點(diǎn)觸摸屏的器件設(shè)計(jì)及算法實(shí)現(xiàn)［J］.液晶與顯示，2011，26（2）：216－219.Li B B，Huang Z Q.Device design and algorithm implementation of capacitive multi－touch screen［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2011，26（2）：216－219.（in Chinese）

［2］ 沈奕，呂岳敏.用于投射式電容觸摸屏中的爬上搜索算法研究［J］.液晶與顯示，2013，28（1）：82－86.Shen Y，Lv Y M.Mountain－climb searching algorithm used in projective capacitive touch－screen［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2013，28（1）：82－86.（in Chinese）

［3］ 李文生，鄧春健，呂燚.基于觸摸顯示屏的人機(jī)交互手勢分析［J］.液晶與顯示，2011，26（2）：194－199.Li W S，Deng C J，Lv Y.Interaction gesture analysis based on touch screen［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2011，26（2）：194－199.（in Chinese）

［4］ 杜德.基于觸摸屏的數(shù)碼一體機(jī)人機(jī)界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.液晶與顯示，2007，22（2）：217－221.Du D.Design and realization of human－machine interface based on touching screen of duplicator stencil duplicator［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2007，22（2）：217－221.（in Chinese）

［5］ Siwei Z，Tingcun W，Bo L，et al.A touch sensor controller ic adopting differential measurement for projected capacitive touch panel systems ［C］.2012 IEEE12th International Conference on Computer and Information Technology （CIT），Chengdu，China，2012：477－481.

［6］ Wei Z，Liu W，He Q，et al.The design of infrared touch screen based on MCU ［C］.2011 IEEE International Conference on Information and Automation （ICIA），Shenzhen，China，2011：485－489.

［7］ Yen L C，Chuan Y C，Wen Y L，et al.Developing ubiquitous multi－touch sensing and displaying systems with visionbased finger detection and event identification techniques［C］／／2011 IEEE13th International Conference on High Performance Computing and Communications （HPCC），2011：898－903.

［8］ 孫楊，張永棟，朱燕林.單層ITO多點(diǎn)電容觸摸屏的設(shè)計(jì)［J］.液晶與顯示，2010，25（4）：551－553.Su Y，Zhang Y D，Zhu Y L.Design of single layer ito capacitive touch panel［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2010，25（4）：551－553.（in Chinese）

［9］ Kyusam L，Kyung－Soo J，Chul－Sang J，et al.A fast and energy efficient single－chip touch controller for tablet touch applications［J］.IEEE Journal of Display Technology，2013，9（7）：520－526.

［10］ Chenchi L，Borkar M A，Redfern A J，et al.Compressive sensing for sparse touch detection on capacitive touch screens［J］.IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems，2012，2（3）：639－648.