高分辨率多点触控红外触摸屏设计

吕 燚，邓春健，2＊，李文生，2

（1.电子科技大学 中山学院，广东 中山528400；2.电子科技大学 计算机科学与工程学院，四川 成都610054）

1 引 言

在电阻式、电容式、红外式和表面声波式等众多触控交互技术中，红外式触控技术以其透光率高、防刮性能好、尺寸易扩展、寿命长等优势成为大尺寸触摸屏的首选方案。大尺寸红外式触摸屏在电子白板、博彩设备以及游戏游艺等行业应用非常广泛，特别是随着大屏幕LED 全彩显示屏产业的快速发展，非标大尺寸全彩展示系统逐步受到市场的青睐，红外触摸屏作为大尺寸展示系统的配套产品，将迎来更加广阔的市场前景［1］。然而，在实际应用中，红外式触摸屏产品普遍存在分辨率不高、扫描速度慢、触点抖动等缺陷。传统的红外触摸屏采用只选通共轴的一组发射－接收管的扫描方式，分辨率由红外管的数量决定，而增加红外管的数量又会提高红外屏的成本和加工组装难度。此外传统红外屏采用脉冲调制驱动方式，在接收端对信号进行滤波、积分，导致系统响应较慢，无法适用于高速触控的应用场合。

本文针对现有产品的以上不足，采用一对多的选通扫描方式，在不增加硬件成本的基础上提高了系统分辨率；采用单脉冲扫描方式，省去接收端的积分环节，实现对红外屏的快速扫描，并通过二次细分扫描方式，在提高分辨率的同时提高了系统响应速度。此外通过将发送和接收电路模块化，为加工制造不同尺寸的触摸屏提供了便利；采用USB 接口，模拟HID 设备实现了触摸屏即插即用，增强了便利性。

2 红外屏工作原理及系统结构概述

2.1 红外屏工作原理

红外触摸屏由紧密排列在其边框内的红外发射管和红外接收管组成。发射管与接收管数量相同，分别分布于触摸屏的两个边，并采用共轴相向方式排列。其工作原理是当红外光受到触点的阻挡，接收管接收信号的强度会发生变化，控制器对共轴相向的发射管和接收管进行扫描，通过判断接收管的信号变化便可以计算出触点的位置，最后将坐标位置信息发送给显示主机［2］。

2.2 系统结构概述

系统总体结构如图1所示，包括嵌入式处理器、二维选通扫描电路、红外接收电路、带通滤波以及校准数据存储等模块。处理器采用了STM32F205RBT6，工作主频为120 MHz，片内集成128K Flash，64K SRAM，多个具有输入捕获和输出比较通道的多功能定时器，高性能ADC以及多种通讯接口。

本系统中红外发射管扫描电路采用了二维选通扫描方式，大大简化了扫描电路的结构，并且为不同尺寸红外触摸屏的加工和装配提供了便利。通过定时器产生高速脉冲实现对红外管的扫描。红外信号接收电路包括接收扫描电路和信号调理电路，红外接收扫描电路一次可选8只接收管，信号调理电路对信号进行滤波和放大，处理器的ADC1和ADC2并行工作在SCAN 模式，各负责采集四路信号，每路信号采集用时0.5μs，从而保证了在2μs内完成8路信号的采集。EEPROM参数存储单元用于存储出厂校准参数，通过软件校准的方法简化了电路设计，增强了环境适应能力。红外屏与PC 机或是LED 显示屏主机采用USB接口相连，红外屏模拟为HID 外设，实现免驱动安装，即插即用。

3 系统硬件设计

本系统硬件部分包括：二维红外扫描电路、红外接收电路、带通滤波电路、EEPROM 存储模块以及MCU 最小系统等部分。

3.1 二维选通红外扫描电路

红外扫描电路由串转并芯片74HC595和译码器74HC138 构成，电路示意图如图2 所示。74HC595的输出管脚低电平时，PMOS管导通，8个红外发射管阳极得电，通过译码器输出便可以选通其中一个发射管。这样的二维选通电路采用两个IC便可以驱动64只发射管，简化了驱动电路，并可以通过74HC595芯片的级联可以实现不同尺寸红外屏的扩展［3－4］，采用模块化的接口，极大地方便了红外屏的加工和组装。

图2 二维选通红外扫描电路Fig.2 Circuit of two－dimensional infrared scanning

本系统中红外发射管的扫描方式采用脉冲扫描，即在发射管上施加高速脉冲，并在脉冲高电平期间检测相应的红外接收管。这种高速脉冲扫描方式既区别与直流选通也区别于通常意义上的脉冲调制方式，具有发射距离远，发射效率高，抗干扰能力强的优点，同时也更加节能。它相比直流选通方式可以有效避免接收管饱和，同时较脉冲调制方式省去了接收电路中的积分电路，提高了扫描速度和可靠性。这种方式的不足之处是需要高速ADC在脉冲高电平期间完成信号的采集，本系统巧妙利用了STM32F205 片内的高速ADC，转换时间0.5μs，由定时器触发启动AD 转换，ADC1和ADC2 并行工作，分别采集4 个通道，使8个通道的信号采集可以在2μs内完成。

3.2 红外接收电路

红外接收电路如图3 所示，同样采用74HC595选通红外接收管，通过595 芯片的级联，实现了接收电路的模块化，极大地便利了不同尺寸红外触摸屏的加工和装配。74HC595 的每一个输出IO 选通8只接收管，同一时刻只能有一个IO 输出低电平，即同一时刻只可以选通8只接收管，并通过8通道带通滤波放大电路对接收信号进行信号调理。为了增大驱动能力，采用PMOS管Si2301作为电子开关，当595芯片输出低电平时，PMOS 管道通，与之相连的8 只接收管被选通。接收管负载电阻选用68Ω，保证了即使在强环境光下信号仍不会饱和，同时接收信号也有足够大的幅值，便于信号的调理和测量。

图3 红外接收电路Fig.3 Circuit of infrared reciever

3.3 带通滤波放大电路

红外接收信号由于环境光线的影响存在比较严重的直流偏置和高频噪声［5］，本系统采用了有源带通滤波电路实现红外接收信号滤波和放大。滤波放大功能由低噪声轨至轨运算放大器TLC2274构成的2阶Butterworth带通滤波电路实现，中心频率100kHz，通频带为20kHz，用于滤除红外接收信号中的高频干扰噪声和直流偏置；本设计中红外接收信号的幅值为90 mV，该电路带内增益为20倍，从而保证了滤波放大后的信号有较大的幅度并留有一定的余量。滤波电路采用Sallen Key电路形式，电路结构及参数如图4所示，系统中采用2片TLC2274构成8通道带通滤波放大电路。

图4 带通滤波电路Fig.4 Band－pass filter circuit

4 系统软件设计

本系统采用二次扫描的方法，保证红外触摸屏响应速度的同时提高了识别精度，提高了分辨率。二次扫描的流程如图5所示，其工作原理是：首先对X 轴每个发射管用高速脉冲扫描一次，判别出该发射管所对应的区域是否存在触点，并记录触点与该发射管中心线的偏差，当完成对X 轴所有发射管的扫描后，首先判别是否有触点存在；如果存在则实施细分扫描，测量触点在两支特定发射管单独作用下在接收管上的投影位置，并依此提高X 坐标的测量精度，并估算Y 轴坐标。然后执行Y 轴扫描，扫秒方法和X 轴类似，得到触点的Y 轴坐标，通过比较实测Y 轴坐标和估算Y轴坐标来剔除红外触摸屏多点触摸是出现的假触摸点，最后完成触点坐标的上报。

图5 系统软件工作流程图Fig.5 System flow chart

4.1 脉冲扫描方式工作原理与实现方法

由于直流扫描的方式存在能耗高、红外信号衰减大的不足，目前红外屏普遍使用脉冲调制方式驱动红外发射管，然后再接收端对脉冲信号进行滤波、放大并积分，最后通过判别积分电压的大小判断红外管被阻挡的情况。积分电路温度稳定性较差，并且降低了系统的响应速度。脉冲扫描方式直接在发射端脉冲高电平期间对接收信号进行测量，无需对信号进行积分，只需要一个脉冲便可完成一个发射管的扫描。脉冲扫描方法对系统ADC性能要求较高，需要与扫描脉冲同步进行采集，并需要在较短的时间内完成多个通道信号的采集。

本系统充分利用了STM32F205处理器的高性能定时器和具有自动触发功能的ADC，实现了对红外管的高速脉冲扫描与同步信号采集。对红外发射管施加周期为10μs的扫描脉冲，在扫描脉冲高电平期间同步采集该发射管所对应区域24路接收信号的电平，据此来判断该区域是否有触点存在。本系统的红外接收电路只能同时采集8路红外接收信号，因而需要对每个发射管扫描3个脉冲，每个脉冲高电平期间采集8路接收信号。扫描方法如图6所示，由定时器TIM2的比较匹配通道1（CH1）产生周期为10μs的方波信号，高电平持续时间为5 μs，施加于发射电路中74HC138的使能端G1，TIM2的通道2（CH2）的比较匹配信号高电平持续时间为1.5μs。当CH2发生比较匹配时自动触发ADC1 和ADC2启动转换。ADC1 和ADC2 都工作在SCAN 模式，分别采集4路接收信号，采集4路信号用时2 μs，并在ADC转换完成中断服务程序中保存AD值并切换下一组接收通道，为下一次转换做好准备。为了实现对每个红外管施加3个扫描脉冲，本设计采用TIM1对TIM2CH1的输出信号进行计数，比较匹配值为3，当计数到3 个脉冲时，会触发TIM1比较匹配中断，在中断服务程序中完成对24路接收信号的分析，判断该区域是否存在触点，并切换下一个发射管的选通电路。

图6 脉冲扫描方法示意图Fig.6 Schematic diagram of pulse－scanning method

4.2 细分扫描设计

细分扫描具有两个功能：一方面可以提高红外触摸屏的分辨率，提高定位精度，避免实际使用中在某些位置触点坐标来回跳动的弊端；另一方面通过对X 轴的细分扫描可以初步判别触点的Y 轴坐标，与实测的触点Y 轴坐标相比较便可以剔除多点触摸下的假触摸点。

首次扫描时，采用差值量化偏移定位算法［6］判别出触点在接收端的投影位置，据此求出：（1）在X 轴方向上与触点最接近的发射管的序号，记作A1；（2）在接收端有投影且与A1偏差最大的发射管序号，记做A2。然后对A1和A2单独扫描，采集接受管的信号，并通过二次曲线拟合的方法分别得触点的投影x′1和x′2。

图7 细分扫描示意图Fig.7 Schematic diagram of high resolution scanning

细分扫描分为两步：首先计算触点的Y 轴坐标，然后根据Y 轴坐标计算触点在的X 轴上相对于x1的偏移量，如图7所示。

如图7（a）所示，由发射管A1和A2的序号和发射管的直径可以计算出其X 轴坐标x1和x2，结合触点在接收端的投影坐标x′1和x′2，由公式（1）可以求出触点的Y 轴坐标y，其中Y 为Y 轴总长度。

如图7（b）所示，根据发射管X 轴坐标x1，触点投影坐标x′1和触点Y 轴坐标y，由公式（2）求出触点X 轴左边偏移量Δx，最终得到触点的X轴坐标x1＋Δx。

通过细分扫描使触点X 轴坐标更加精准，同时也初步确定了Y 轴坐标，在后续Y 轴扫描得到触点Y 轴坐标后可以通过比较Y 轴坐标来剔除多点触摸时的假触点。

4.3 HID报告描述符设计

为了提高红外触摸屏使用便利性，本系统采用USB接口，并且模拟成HID 外设，实现免驱安装，即插即用。

标准的鼠标报告描述符使用的是相对坐标，而红外触摸屏返回的是绝对坐标值，因而需要将报告描述符中Input条目的属性修改为绝对坐标，并将坐标数据长度改为2字节，逻辑最大值设置为4 096。为了使红外触摸屏既能够支持单点触摸又支持多点触摸，本系统设计了两个报告描述符，分别适用于单点触摸和多点触摸两种工作模式，此外设计一个“特性报告”，将其用途特性定义为“设备配置”，用于向操作系统报告改特性，并由操作系统设定其工作模式。

5 结 论

本文针对目前红外屏应用存在的分辨率不高、响应速度慢的不足提出了一种高分辨率多点触控红外触摸屏的设计方案。首先介绍了系统的硬件结构，给出了二维选通扫描电路和接收信号调理电路，然后给出了基于STM32F205 处理器片内定时器和ADC 的红外屏脉冲扫描实现方法，并研究了二次细分扫描的工作原理和触点坐标计算方法，最后给出了HID 报告描述符的设计方法。实际应用表明，该方案在不增加硬件成本的基础上大大提高了分辨率，有效避免了触点抖动的弊端，同时缩短了扫描时间，使整个红外屏的扫描时间缩短至15ms以内，提高了系统的响应速度。

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［6］ 董冠涛.红外线感应电子白板的设计与实现［D］.长春：吉林大学，2009.Dong G T.D［J］.Design and realization of electronic whiteboard based on infrared ray［D］.Changchun：Jilin University，2009.（in Chinese）