机载大屏幕显示器红外触摸组件设计

（海军装备部驻上海地区军事代表局，江苏苏州215151）

在信息化战争条件下，战场信息的爆炸式增长对战斗机的人机交互性能提出了更高的要求。战斗机显示系统需要向飞行员提供更加丰富的导航、任务、战场态势等信息以支持高效的战斗。满足大量信息显示的主流解决方案是采用大屏幕显示器。而大屏幕显示器（20 inch×8 inch）与传统的小屏幕显示器（不大于8 inch×6 inch）相比，显示面积和信息量增加了近4倍，采用传统的周边物理按键的控制方式已无法满足飞行员操作使用的需求。

触摸控制技术以其“所触即所得”的操控方式极大地提高了显示器的操作效率。红外触摸控制技术采用光学非接触触摸方式，与一般的电阻触控技术和电容触控技术相比，它具有不受电流、电压和静电干扰，触摸面不怕污染，可佩戴手套操作，维护成本低，适宜恶劣环境等优点[1-3]。红外触控技术在民用领域使用广泛[4-9]，在军用机载设备领域使用还处于起步阶段。美国F-35 战斗机的机载大屏幕显示器首次应用红外触摸技术作为人机交互输入方式。目前，国内还没有红外触控屏幕相关的国军标或行业标准。本文根据机载大屏幕显示器的人机交互输入设计需求，针对机载座舱特殊使用环境对高抗强光干扰能力、高精度、高分辨率、高可靠性的要求，设计了机载大屏幕显示器的红外触摸组件。

1 组件硬件设计

红外触摸组件的工作原理如下：在大屏幕显示器四周安装数对红外发射管和红外接收管，控制红外发射管分别在横、竖2个方向上不断扫描，发出的红外光线形成栅格状矩阵，同时控制相对的红外接收管不断探测。当飞行员触摸大屏幕显示器某一位置时，红外触摸组件检测到横向和纵向的红外光线被阻隔，从而识别触摸并将计算得到的触摸坐标实时传递给显示器。显示器根据接收的触摸信息触发相应功能，从而完成飞行员触摸控制的完整操作。

红外触摸组件由红外收发模块和触摸控制模块组成，如图1所示。其中，红外收发模块为框架式结构，安装于机载大屏幕显示器前端；触摸控制模块安装于大屏幕显示器内部。2个模块通过接插件连接。触摸控制模块通过串行接口与大屏幕显示器进行通讯，完成人机交互输入功能。

图1 红外触摸组件组成框图Fig.1 Composition diagram of infrared touch component

1.1 双向红外收发模块

红外收发模块包括红外发射管阵列、红外接收管阵列和驱动控制电路。一般红外发射管发射的红外光线主波长为850～1 040 nm，红外接收管的敏感波长范围为770～1 200 nm。由于太阳光中含有非常强的红外光部分，波长范围包括了红外接收管的敏感波长，直接辐射强度远超红外发射管辐射到红外接收管位置的强度，导致无法识别触摸[4]。特别是在机载座舱环境中，由于战斗机在高空飞行时太阳光辐射较强，且战斗机可能以任何姿态飞行，姿态变换速度较快，所以在红外收发模块设计中必须考虑抗全角度强光直射问题。此外，作为机载设备，保证其在恶劣环境中高可靠性工作的余度设计也是需要考虑的关键问题之一。

1.1.1 红外发射接收阵列

红外发射接收阵列采用双向红外收发的方式，如图2所示。

在红外收发模块的上下和左右两侧各安装2排交错排列的红外发射接收管，包括一排红外发射管和一排红外接收管；上下左右4个方向总共4 排红外发射管和4 排红外接收管，每排灯管单独驱动控制。在红外收发模块扫描时可以组合4种正常扫描方式：上发下收（A）左发右收（C）、上发下收（A）左收右发（D）、上收下发（B）左发右收（C）、上收下发（B）左收右发（D）。这样的4种组合方式可以在太阳光以任意角度射入红外收发模块时，通过环境光强扫描，选择不受影响的红外发射接收管组合方式，避开受阳光干扰强烈的接收管方向，解决抗强光直射干扰的问题。同时，双排红外发射接收管设计在2 排红外发射接收管中有一排发生损坏的情况下，可使用另一排灯管替代，达到余度设计的目的，保证了红外触摸组件作为机载设备的高可靠性要求。当战斗机飞行任务在阴天或者夜间无强光直射且无红外发射接收管损坏时，采用双排灯管全扫描方式（E），可以将红外触摸分辨率提高一倍。

红外发射管选用型号为KEL-5315C 红外发射二极管，红外接收管选用型号为KDT-6315A的硅光电晶体管（响应波长为700～1 050 nm，中心波长为880 nm），它们的封装形式为扁平封装，体积小，适用于密集排列的红外收发模块安装。

1.1.2 动态地址扫描电路

驱动控制电路采用动态地址扫描的方式控制红外收发管。对上下左右4个方向的每排红外发射管和红外接收管均采用单独控制，相当于每个红外发射接收管都对应着一个“地址”，主控制器根据“地址表”可以单独控制任意一个红外发射接收管工作。相比于串行控制方式，并行控制方式在非正常全范围扫描中能够更加灵活的控制特定位置的红外发射接收管工作。红外发射接收管驱动控制电路原理如图3所示。

图3 红外发射接收管驱动控制电路原理Fig.3 Drive control circuit principle of infrared launching and receiving tubes’

1.2 触摸控制模块

触摸控制模块是红外触摸组件的核心，主要功能为：红外发射接收管扫描控制、光电信号处理、触摸坐标计算和与显示器通讯的功能[5-7，10]。触摸控制模块包括主控制器、信号采集调理电路和外部接口电路，如图4所示。

图4 触摸控制模块硬件设计原理Fig.4 Design of touch control module’s hardware

主控制器选用基于Cortex-M3 内核的ARM 处理器STM32F103VEH7，主要完成对红外收发模块的红外发射接收管扫描控制、红外接收管响应电压（模拟电信号）采集、触摸坐标计算和外部接口控制。红外发射管和红外接收管要求同步工作，采用脉冲方式严格按照时序控制，红外接收管的响应电压采集也需要采用脉冲采集方式，由模拟开关74HC4066 通断控制实现。红外接收管的响应电压值比较小，为20～50 mV之间，所以在输入ARM端ADC 采样之前需要进行小信号放大，由信号调理电路完成。信号调理电路由运放芯片AD8694 和数字电位器MAX5407组成，AD8694的4路运放进行级联放大。由于每个红外接收管存在性能差异，特别是长时间使用后差异更加明显，为保持响应电压的一致性，采用32级可调数字电位器MAX5407 芯片调整各红外接收管的放大倍数。ARM端的ADC 接口对模拟电信号进行模数转换后，根据响应电压值进行触摸坐标的计算。外部接口电路由ARM 控制，主要包括用于与显示器通讯传递触摸坐标的RS232串口模块，用于产品后期软件升级的在线编程功能模块，5 V 转3.3 V的电源转换模块以及外部时钟，JTAG调试端口和硬件复位模块。

2 组件软件设计

红外触摸控制软件主要完成上电初始化、扫描控制、触摸数据采集、触摸坐标计算和与显示器的串口通讯功能。红外触摸控制软件按照模块化设计方案主要由初始化模块、扫描控制模块、数据采集模块、触摸定位模块、串口通讯模块和故障检测模块6 部分组成，软件设计的模块化框图如图5所示。

图5 红外触摸控制软件模块化设计Fig.5 Software’s modular design of infrared touch control

初始化模块主要完成硬件驱动初始化和红外收发模块的红外发射接收管阵列地址表（A8-A0，B8-B0）的初始化工作。

扫描控制模块的功能分为3部分：环境光强扫描、单点触摸扫描和多点触摸扫描。因为战斗机在执行飞行任务时姿态变化频繁，环境光也随机身姿态变化而改变，所以须定时检测因环境光强变化而造成的接收管响应电压值变化，来选择红外发射接收管组合方式，抗强光直射干扰。飞行员对大屏幕显示器主要通过点击、滑动和拖拽等单点触摸动作来完成屏幕显示信息的操作。此外，对导航、地图信息操作涉及到画面缩放、旋转等需求，需要多点触摸来完成操作。因此，在正常工作时扫描控制采用单点扫描流程，在检测到有多点触摸时启用多点扫描流程。在扫描控制中严格按照时序控制红外发射管、红外接收管和信号采集同步工作。

数据采集模块主要完成对接收管响应电压值的ADC采集，并根据预设遮挡阈值（一般为0.5～0.8）和红外接收管的响应电压值来判定当前扫描序号的红外对管是否被遮挡。

触摸定位模块主要根据数据采集模块记录的被遮挡红外对管的位置计算出触摸中心坐标，根据之前扫描周期中是否有触摸来判定当前触摸状态是无触摸、开始触摸、持续触摸或者结束触摸状态。同时该模块还包括对触摸坐标跳跃、漂移等现象的稳定性优化算法，保证红外触摸组件的触摸稳定性和精确定位。

串口通讯模块主要完成2 部分工作：一是显示坐标映射，将触摸坐标位置映射到机载大屏幕显示器的显示坐标系中。由于红外发射接收管的安装数量受显示器尺寸限制，远小于显示器的分辨率，因而采用硬件量化分级策略，将每个红外接收管对应ADC采样的响应电压值分为N级，N 与横向和纵向红外发射接收管数量和显示器分辨率相关。本文取N=32，每个灯管宽度为5 mm，则触摸精度可达到0.15 mm，完全满足大屏幕显示器的分辨率要求。二是按照与显示器的接口协议将映射后的显示触摸坐标和触摸状态打包发送给显示器处理，触发显示画面的相应功能。

故障检测模块主要完成2 部分工作：一是坏管检测，在红外触摸组件每工作一定时间后扫描所有红外发射接收管的工作状态，确定已损坏的红外发射接收管。二是分辨率补偿，即对已损坏的红外发射接收管采用最近距离的正常灯管替代扫描，从而保证在有故障管存在时红外触摸组件的触摸分辨率不降低。这对红外触摸组件的可靠性和使用寿命均有所提高。

3 性能指标测试

根据机载大屏幕显示器的人机交互技术需求，参照红外触摸屏行业内的测试项目，采用模拟大屏幕显示器真实显示画面的测试软件，进行性能指标测试。测试项目和性能指标测试结果如表1所示。

表1 红外触摸组件性能指标测试Tab.1 Performance test of infrared touch component

表1的测试结果和性能指标表明，本文设计的红外触摸组件的各性能指标完全满足机载大屏幕显示器的人机交互需求。

4 总结

针对传统周边物理按键无法满足机载大屏幕显示器人机交互需求的问题，设计了机载大屏幕显示器的红外触摸组件。该设计采用了双向红外收发、动态地址扫描、环境光强扫描、多点触摸扫描等技术。通过模拟画面测试软件对该红外触摸组件进行了性能指标测试。结果表明，该组件具有高分辨率、高精度、高可靠性、抗强光直射干扰、支持多点触控等特点，完全满足机载大屏幕显示器的人机交互需求。随着机载大屏幕显示器红外触摸组件的配装，根据飞行员的使用体验和飞行试验数据的积累，将进一步改进红外触摸组件的性能。

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