基于LabVIEW的压力传感式触摸技术的实现

2013-08-13刘卫玲段晋军常晓明

电视技术 2013年13期

高翔，刘卫玲，段晋军，常晓明

(太原理工大学测控技术研究所，山西太原 030024)

责任编辑:魏雨博

当前，触摸技术无论在人们生活中还是工业生产中都有着广泛的应用［1］。凭借其操控直观简单、界面友好、信息丰富等特点，触摸技术已经与人们密不可分。

触摸技术实际上是一种传感检测技术［2］。目前主流的有电容式、电阻式、红外式、表面声波式，每种触摸技术都有各自的优缺点和适用场合［3－5］。探索一种新型的触摸技术可以更加丰富该技术的应用，本文介绍了一种压力式触摸装置的设计实现，该装置的特点有屏幕抗暴力性好，高度耐久，除了一般触摸屏的X、Y轴坐标外还能检测到Z轴的压力，大屏化应用以及造价低廉等特点，在工业控制以及游戏设备领域可以有很好的应用前景。

1 触摸装置原理

1.1 触摸检测装置结构

压力式触摸装置的结构如图1所示，在一个矩形的刚性触摸面板四个顶点处分别安装A、B、C、D四个压力传感器。当有压力压在触摸面板上时，四个压力传感器会随着触摸面板上压力大小和位置的变化而输出变化的电压信号。通过一定的数学模型可将这4路信号转化为触摸点的位置以及触摸力的大小。

1.2 数学模型的构建

图1 触摸检测装置实物图

将传感器模块抽象为带有4个支点的矩形平面，并使用xOy坐标系描述该平面，重心纵坐标位置的数学模型图示如图2所示。

图2 重心纵坐标位置的数学模型图示

物体W(x，y，F)置于矩形平面的某一位置，且处于平衡状态，则式(1)成立。

图2中，E点为A、B的合重心处，F点为E、C点的合重心处，G点为F、D点的合重心处，如此，便可求得A、B、C、D四个支点的合重心位置，即物体W的重心位置。

以物体W重心的纵坐标值y的推导为例，物体重心位置的算法如下:

首先，依据合重心原理，E点的重心位置与A、B点相关

式中:AE为A、E两点重心的距离;AB为A、B两点重心的距离。

依据图2中A、B、E三点的坐标值，式(2)可变形为式(3)所示的关系，即E点的重心位置为

式中:y1为E点重心的纵坐标值;L2为A、B两点重心的纵坐标距离。

同样的方法，可以得出E、C两质点的合重心位置F，F、D两质点的合重心位置G。则G点重心的纵坐标值为

式中:G点重心纵坐标值即为A、B、C、D四点的合重心位置，如此，即求得物体W的重心的纵坐标值。

同理，得到物体W的重心的横坐标值为

所以，触摸面板上压力位置与大小的计算公式如式(6)所示

2 硬件系统

触摸装置整体结构如图3所示。其中触摸检测模块可将触摸面板上所加的压力转换为模拟电压信号，该信号通过模数转换模块处理为数字信号输入至数据处理模块中，处理模块通过算法编程得出触摸点的位置和力度，并实现显示以及存储功能。

图3 系统结构

根据系统结构图构建的硬件系统如图4所示。其中，触摸检测装置的作用是将压力的大小和位置信息转化为4路模拟电压信号;信号调理电路板的功能是对触摸检测装置产生的输出信号进行放大滤波，提高信号的灵敏度使其易于检测;模数采集装置使用的是NI公司生产的多功能高性能数据采集卡USB－6259，它具有高速采样、高精度、高稳定性的优点，提供了16路BNC接头的模拟输入通道［6］;数据处理、触点坐标及触感大小显示、存储功能是通过PC端LabVIEW软件编程来实现的。

图4 硬件系统示意图

由于触摸检测装置得到的4路模拟信号变化幅度较小不宜检测，这里选择AD623放大器对其实现信号的放大，同时通过增加电阻、电容实现初步的滤波功能，降低信号干扰。压力传感器的输出信号V+和V－接入AD623，经过放大滤波后的信号可以由信号采集装置采集。信号处理模块的电路如图5所示。

图5 信号处理模块电路图

3 软件设计

软件方面使用的是美国NI公司的LabVIEW软件，压力式触摸系统软件主要分为采集程序和显示程序两部分，实现对压力式触摸装置的输出数据进行采集、跟踪、校准，参数调整以及信息的显示和存储等。其软件功能如图6所示。

LabVIEW环境下编写的主程序流程图如图7所示。软件运行前先设置好采样端口的参数，通过USB－6259采集回来的4路电压信号通过LabVIEW自带中值滤波模块进行处理，然后与初始值进行做差校准，即可得出数学模型中所需的数据。进过数学模型运算后将得出的触点位置和力度的数据在前面板显示出来并保存至指定的Excel文档中。

图6 软件功能图

3.1 信号采集模块

图7 主流程图

数据采集环节运用了LabVIEW中的DAQ(Data Ac-Quisition)mx控件组，其特性是能够节约开发时间和提高数据采集应用程序的性能，并且能够实现多线程信号检测，满足实际应用需求。这里运用该控件组实现创建采集任务并初始化采样参数。设置数据采集装置的采样率为每秒采100点，采样电压范围在－10～+10 V之间，采样模式为连续采样。编写的信号采集模块程序如图8所示。

图8 DAQ mx信号采集程序(截图)

3.2 数据组构建与储存

该程序部分是将经运算后得出的数据触摸点的X、Y坐标及触摸力度大小连同采样序号和时间组成数组，在LabVIEW前面板显示并保存在指定的Excel文件中。在数组组合中，由于各数据的格式不同，因此需要将序号、时间、运算所得数据的格式都转换为统一的字符串格式，进而实现数据的显示与存储。程序如图9所示。

图9 数据组构建与储存程序(截图)

4 系统验证

PC端数据显示及控制界面如图10所示。该界面中能够实现对系统校准和存储的控制显示以及数据的图形化和数据库显示。

图10 显示界面(截图)

在触摸面板上画出坐标网格，通过图10所示的测试界面，对网格上(0，0)，(2，2)，…，(20，20)共 10 个点进行测试，所加的触摸力度大小为100 g，在坐标网络中点接触，得出的数据如表1所示。从测试曲线可以看出，测试各点的x、y坐标绝对误差均小于1%。用不同大小的触摸力多次测试后发现其对系统精度影响可以忽略不计，触摸同一点的重复精度与灵敏度达到预期要求。