程控增益在红外触摸屏中的应用

曾一雄，蒋向东，王继岷，严 亮

(电子科技大学光电信息学院，四川 成都 610054)

与电阻触摸屏、电容触摸屏、表面声波触摸屏一样，红外触摸屏作为人机交互设备已经被广泛的应用于各个领域，如公用信息查询系统、金融服务系统、视频音乐点播机、图书馆检索系统等［1］，尤其在中大尺寸的显示器件上，红外触摸屏凭借其独特的优势更是占领了大部分市场。在未来，红外触摸屏必将进入越来越多的家庭，成为家用电器的一部分，因此红外触摸技术也得到了越来越多的重视。根据红外触摸原理来分析，目前红外触摸屏主要存在3大技术难点:一是响应时间的制约;二是真正意义上多点触摸的实现;三是抵抗环境光干扰的能力。

红外触摸屏主要依靠分布在X方向和Y方向的红外线矩阵工作，由于红外对管的特性参数不可能完全一样，管子长时间工作也会老化，再加上焊接时管与管之间完全对齐也是不可能的，因此一个红外触摸屏的接收管接收到的信号幅度也不可能完全一致，可能有些幅度很高，有些幅度很低，以至于不能正确检测出该触摸点。如果单纯靠整体提高放大器的放大倍数来达到每只管子都能被检测到的目的，此时红外触摸屏抗环境光干扰的能力又会减弱，因为太阳光中大约有50%是红外光［2］，而红外触摸屏的接收部分采用的是红外三极管，它对红外光极其敏感，在放大发射管发射红外信号时，同时也将接收到的环境中的红外干扰信号也放大了，而这种干扰信号往往又强于红外发射管发射的信号，因此放大倍数越高，这种影响作用越强，以至于有用信号很容易被淹没掉。为了解决这一问题，传统的方式有:选择特性参数尽量一致的红外对管;采用精度高的机器焊接;采用发射功率较大的发射管;信号处理时保证在不受一定程度环境光影响的情况下尽量的提高放大倍数等。而本文则提出了利用程控增益的方法来解决这一问题，既简便又可靠。

1 系统设计思想

红外触摸屏的系统框图如图1所示，它主要包括红外发射与红外接收电路、数字电位器、运算放大器、A/D转换电路、MCU主控制器以及USB通信电路。

图1 红外触摸屏系统框图

本系统的主控制器采用具有低功耗、高性能、低成本以及接口丰富的STM32芯片，该芯片自带2个12位的ADC，3个USART和1个USB。因此它不仅能提高模拟信号采集的精度，进而提高红外触摸屏的分辨率，而且自带的串口与USB口也使红外触摸屏与上位机的通信更加灵活、方便。在MCU的控制下依次扫描红外对管，被扫描到的红外接收管处将检测到微弱的信号变化，将采集到的此微弱信号经过放大器放大，然后再通过A/D转换后送到MCU进行处理计算，如果有触摸则采集的A/D值发生变化，通过比较计算则可确定该触摸点的位置，最后将计算得到的坐标值通过USB发送给上位机，从而实现了触摸定位功能。

由于各种原因的影响可能导致红外接收管接收到的信号幅度不一致。如果某些管子的幅度太低，可能就不能检测到该信号，因此也不能实现准确触摸;如果某些管子幅度太高，那么它们很容易达到饱和，因此又很易受到外界干扰光的影响，这些都大大降低了红外触摸屏的稳定性。为解决这一问题，本文在传统的电路基础上增加了一个数字电位器，与放大器构成了增益可调的放大电路，通过检测每只管子的信号幅度，根据这些幅度确定一个阈值，再通过程序控制数字电位器，根据阈值对不同幅度的管子进行不同倍数的放大，最后实现检测到的信号幅度基本一致，降低了生产过程中造成的各种影响，同时也能改善因管子老化造成的发射功率降低而导致接收到的信号幅度值偏低的影响，提高了红外触摸屏的寿命。

2 硬件实现

2.1 程控增益放大器

图2为基本的放大电路，其闭环电压增益［3］为

从式(1)中可以看出，若要改变放大器的增益，可以通过调节电阻R3或R2的阻值来实现。图3用一个可调电位器来代替图2中的R2，此时的闭环电压增益为

但即便如此，也不能实现自动控制电压增益的目的，于是考虑采用数字电位器来代替图3中的可变电阻，即图4所示的带数字电位器的增益可调放大器。其中INC、U/D和CS为控制端口，由STM32主控芯片控制，RH和RL分别相当于图3中可调电阻的1端和3端，RW相当于可调电阻的中心抽头。

图4 带数字电位器的增益可调放大电路

2.2 数字电位器的应用

X9C104是美国Xicor公司推出的X系列固体非易失性数字电位器，它是一个含有99个电阻单元的电阻阵列，其总阻值为100 kΩ，每个电阻单元之间和两个端点都有可以被滑动端访问的抽头，滑动单元的位置由INC、U/D和CS 3个输入端控制，滑动端的位置可以被储存在非易失性存储器中［4］。如图4所示，INC、U/D和 CS分别连接到STM32F103的I/O口PB12，PB13和PB14，而电阻两端及抽头则连接到放大器的负输入端，其闭环电压增益为

其基本控制原理为:当CS为低电平时，若U/D为高电平，此时若给INC一个低电平脉冲信号，则电阻滑动抽头向上移动，Avf变小;若U/D为低电平时，此时若给INC一个低电平脉冲信号，则电阻滑动抽头向下移动，Avf变大，其控制时序如图5所示。

图5 X9C104控制时序图

其中tCI在纳秒级而tIW的典型时间也只有100 μs，因此使其能够适用于对时间有一定要求的红外触摸屏，再加上其低功耗、低电压供电，对于目前采用USB供电的红外触摸屏来说也是非常好的选择。

3 软件实现

MCU控制数字电位器调节放大器的增益，进而调节每只接收管接收到的信号幅度值，其程序流程图如图6所示。初始化过程中首先采集每只管子的信号幅度值，并以列表的形式存储，再通过冒泡法找出幅度最大的10个值并求出其平均值，将此平均值作为阈值。将每次扫描得到幅度值与此阈值进行比较，若大于阈值，说明该接收管接收到的信号幅度太大，则通过MCU控制调节数字电位器滑臂向上滑动，即(RH－RW)减小，(RW－RL)增大，增益降低，从而使该接收管的信号幅度值降低。为了保证Vnow接近Vr，在进行数字电位器调节之前要计算出此时所需要的放大倍数，同时避免了调节后还要进行比较的过程，节约了时间。同样，当Vnow＜Vr时，则进行相反的调节;Vnow=Vr时，则不进行调节。最后将调节后的数据送入MCU中进行处理，由于此时信号的一致性很好，也就避免了很多因素的干扰，使红外触摸屏的稳定性大大的提高。

4 实验结果分析

图7和图8分别是经过数字电位器调解前和调节后的接收管的波形图。实验中只对10只管子进行了调节，如图中箭头之间的管子，从图7中可以看出，不同管子的幅度还是有一定的差距，如第5只和第7只管子幅度较高，如果后期再经过运算放大器放大的话，这样的差距会显得更明显。图8是经过调节后的波形图，从图8中可以看到其幅度的一致性要比图7好得多，虽然数字电位器的精度和AD采集的精度等因素对调节仍然有一些影响，不可能将每只管子的幅度调到一模一样，但是这并不影响后端的数据处理。

图6 程控增益的程序流程图

图7 调节前的幅度值(截图)

通过该实验结果可以分析得出，如果第5只和第7只管子因为长时间工作而老化，这时对应的发射管发射的功率会降低，接收到的信号幅度值也会比其他管子低。这时如果通过同样的方法提高放大器的放大倍数，使这两只管子的幅度值接近其他管子，就可以避免因管子老化造成的误触摸或不能触摸的情况，实际中也就大大提高了红外框的使用寿命。

图8 调节后的幅度值(截图)

5 结语

本文研究了通过程序控制增益的方法来提高红外触摸屏的成品率和寿命，通过实验验证，该方法能有效改善因装配、焊接、管子特性参数不一致、管子老化等因素造成的不利影响。从而使红外触摸屏易于生产、使用寿命更长、应用场合更广。通过实验发现，该方法对于抗环境光干扰也有一定改善作用，因为当环境光太强烈时，势必把接收到的信号幅度值抬高，此时如果通过调节数字电位器，将那些受环境光干扰而使幅度值大于某个阈值的管子增益降低，在一定范围内也能够保证红外触摸屏能准确触摸。但这种调节也是有限的，笔者所在的实验室将其与其他技术结合起来，已成功研制出了抗强光干扰的红外触摸屏，其抗光能力已达到能够抵抗200000 lx或以上日光的干扰，因此本文讨论的方案具有很高的实用价值。

［1］张雪峰.触摸屏技术浅谈［J］.现代物理知识，2004，16(3):43－45.

［2］张宏伟.多触点抗强光干扰红外触摸屏的设计与验证［D］.成都:电子科技大学，2009.

［3］吴援明，唐军.模拟电路分析与设计基础［M］.北京:科学出版社，2006.

［4］王光明.程控增益放大器的实现方法［J］.电子工程师，2002，28(4):58－60.

［5］周烨.基于锁相放大技术的抗强光干扰红外触控技术的研究［D］.成都:电子科技大学，2011.