红外触摸屏原理与设计

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红外触摸屏最早出现在1992年，分辨率只有32x32，要求在一定的遮光环境使用，经
过20多年的发展，从1992年的第一代，发展到现在的第五代，分辨率达到1000x720，支
持手写输入和多点触摸，取得了非常大的突破fsl。现在，红外触摸屏可用于无强光干扰的各
类公共场所和工业控制场所，在大尺寸方面有很大优势，发展前景良好。
由于红外触摸屏的工作原理，导致了一些不可避免的缺陷，主要集中在分辨率和光干扰
两个方面(91。随着技术的进步，这两方面的缺陷正在逐步改善，近几年又新兴了多点触摸技
术，为人机交互领域带来了新的突破1o1。因此，目前国内外对于红外触摸屏的研究主要集中
在以下三个方面:
1、高分辨率
分辨率是触摸屏的一个重要指标，早期的红外触摸屏分辨率低，对于接收管来说，只有
收到和没收到两种情况，触摸屏的分辨率就是红外管的对数。当代产品已经解决了这个问题，
主要处理措施是将接收到的光强信号进行量化分级，触摸物的位置不同，接收到的信号强度
也有所不同，利用位置与信号强度一映射的关系，可以得到较高的分辨率

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如图1-5所示，在数据的处理过程中，对于红夕港收管收到的信号，不仅要判断其是否
被阻挡，还要判断出被阻挡的程度，因此红夕撇摸屏的分辨率如公式1-2所录izl.
触摸屏分辨率=红外管对数x单对红外管能实现的分辨率(1-2}
其中单对红外管能实现的分辨率由模数转换精度来确定，目前流行的模数转换芯片位数
很多，8位、10位、12位其罕甲高的都有，可以根据使用条件具体选招1] o
该方法软硬件实现都较容易，是成熟技术，得到了广泛的应用。但是，该方法只是依靠
软件实现提高了触摸屏的逻辑分辨率，没有从根本上解决物理分辨率低的问题。
2、抗光干扰
红外触摸屏最大的问题是易受光干扰，因为其原理是通过接收红外发射管发出的红夕hue.
进行光电转换来实现工作的，而太阳光中，红外光约占5o}(m，因此，红外触摸屏很容易受
到阳光中红夕h的干扰，产生误操作。目前市场上的红外触摸屏产品都采取了措施，满足多
种环境下的使用要求，但是对于强烈的阳光干扰，尤其是使用在飞机上，尚未涉足。
现有的解决方法是:
(1)在触摸屏外框上加装滤光体，能最大范围的遮挡外界光的照射，起到了物理结构
上防光的效果[till。该方法简单易行，但增加了结构设计的复杂度。
(2)在红外接收管前加装对传播方向敏感的光准直沟道，对水平方向上光的透过率高，
对倾斜入射的光衰减极大，则提高了抗光干扰能力[till，也属于物理防光措施。该方法的优点
是抗干扰能力强，缺点同样为增加结构设计复杂度和安装难度，对后期的装配精度要求高。
(3)使用带通滤光材料制成透光窗口，安装在触摸屏外框上。这个窗口只能通过一定
波长红外线，可增强触摸屏的抗光干扰能力[[16]。由于在显示器表面覆盖了窗口，降低了透光
率，因此适用范围受到限制，
<4)脉冲方式抗干扰，通过软件的方式，使红外发射管以一个固定的频率发射脉冲信
号，接收管只对该频率进行检测，这样提高其抗光干扰能力tip。但是，该方法要求接收管以
相同的频率进行接收，且完全同步，实现起来较为复杂。
C5)使用差分放大电路处理接收到的红外信号，提高抗光干扰能力。当环境条件相同
时，接收管收到的环境光强大致相同，在正常扫沛的接收管附近再增设少量相同型号的接收
管用来接收环境中的红外信号，然后将环境红外信号与收到的发射管红夕h}'号一起输入差分
电路，可消除光的干扰阁。该方法对于处理国屯境光的干扰非常有用，但是当干扰光线的强度
大于红外发射管的强度时，不适用。

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1万 · 2019-1-10 12:40

a点和C点是真实触摸点，A点的坐标为(x1, Y1), c点的坐标为(x2, yz，但A点
和C点同时按下，坐标就会重叠起来，处理器算出多个坐标数据，形成B点((x1, Y2)和D
点(x2, y1)两个伪点，触摸屏便不能正确响应用户的操作。
实现多点触摸的关键是要剔除伪点，目前主要使用以下三种方式来实现:
(1)外加辅助设备，增加CC。图像传感器zoo，用于扫描触摸物在屏幕表面的坐标图像，
接着将扫描到的模拟图像经过刀。转换为数字图像，数字图像与触摸屏控制装置检测至」的信
号一起传给处理器，进行图像处理和坐标计算，剔除伪点，实现多点触卿zy o
该方法实现起来极为复杂，理论可行，实际并无使用。
(2)不改变硬件公通过检测触摸事件发生的先后顺序，来识别多个触摸点}zzl。在图1-6
中，当a点和c点同时被触摸，首先按照A点和e点在触摸动作上发生的先后时间差，记录
第一个触摸点的位置，设为A点，其坐标为(x1, y1)o当第二个触摸动作叠加在第一个动
作上时，点A和点C同时存在，处理器会采集到多组坐标(x1., x2} Y1, Y2)，比较先有的A
点坐标((x1, Y1)> C点的坐标不可能与A点在、方向或Y方向上平行，从而排除掉B点<x1,
Y2)与d点(x2, y1)的可能，由此确定第二个触摸点C的坐标为(xz, Yz),这样就区分
出了真实的触摸点，剔除了伪点。
该方法虽然执行简单，但存在弊端，假设A点和C点同时发生触摸动作，则无法判断。
f3)利用同轴和离轴发射接收，进行多个方向的扫描，去除伪点，识别真实坐标{}} 4
红外发射管具有一定的发射角，因此，可以对多个方向的轴进行扫描。如图1-7，令发射管
T}, T4, T3依次发射，扫描接收管R2, R4, R6收到的信号，存入存储器，其他发射管发射
的时候，按同样方式扫描接收管，这样就在、和Y垂直坐标轴的基础上增加多个斜轴，通过
斜轴来剔除伪点。

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课题的任务是开发一款适用于特殊环境使用的红外触摸屏，设计相应的硬件电路和软件
算法达到高可靠性能的要求，并通过环境试验加以验证。特殊环境的主要特点是具有强阳光
照射、温度变化范围大、冲击振动力强。要求设计出的红外触摸屏具有以下六个特点:一、
分辨率高;二、工作温度范围宽:三、振动性能好;四、寿命长;五、抗强光干扰;六、支
持多点触摸。
课题配套的显示器尺寸大，为508mmx203mm，因此触摸屏也较大，实现难度较高，存
在以下几个问题:
1、尺寸大意味着红外管的数量多，众多管子的扫描时间叠加，必然会延长坐标的处理
周期，直接影响触摸屏的响应速度;
2、管子数量多，驱动芯片的数量要增加，同时控制管脚的数量也要相应增加，一方面
增加了主控芯片的负担，另一方面发射接收电路和控制电路之间的连接线增多，提高了安装
难度;
3、尺寸大意味着发射管和接收管的距离远，而接收管收到的信号强度与距离成负增长，
信号太弱会导致触摸动作的误判断。
因此，课题不仅要考虑实现高可靠的六大特点，还要解决大尺寸的难点。
针对六大特点，本文进行了如下的工作，如图1-9所示。

1万 · 2019-1-10 12:42

1、对于高分辨率，除了采用目前流行的成熟技术，即将接收到的光强信号利用A/。转
换进行量化处理，提高逻辑分辨率外，还设计了一种新型的红外管排布方式，从根本上提高
触摸屏的物理分辨率，同时采用硬件和软件的方式提高数据的精度。
2、关于工作温度范围宽的要求，首先从硬件选型方面进行保障，采用温度等级高的元
器件进行设计，其次通过软件的方式，消除温度剧烈变化对红外管性能的影响。
3、振动性能好，红外触摸屏无需玻璃、软膜等构造，从原理上即可保证耐振性，主要
工作量在结构设计上:PCB板外框与显示器表面完全匹配并有凹槽卡住，另外在安装过程中
采取一些减震措施。
4、寿命长，一方面通过半休眠工作方式和可调信号增益的方法在寿命期内进行维护;
另一方面当红外管损坏后，采用软件的方式，将不正常的红外管屏蔽剔除，利用临近管对替
代，延长触摸屏的使用寿命。
5、对于抗强光干扰，设计了籍位电路滤除环境光的影响，再利用光线方向的单一性，
设计了红外管双备份布局方式，有效去除强光干扰。此外，还采取了物理防光措施，减少了
环境散射光的影响。
6、对于多点触摸，利用软件控制红外管斜向扫描，通过计算距离的方法识别真实触摸
点，剔除伪点;同时设计了两点移动跟踪算法，对两个移动点的位置进行快速判断，避
免了画线延迟、断线等现象的出现。
针对大尺寸的难点，开展的工作如下:
1、选择高性能的红外发射管和接收管，缩短采样时间，提高触摸屏响应速度;
2、设计合理的驱动方式，减少驱动芯片和I/O口连接线;
3、设计增益放大电路，对收到的红外信号进行放大处理，杜绝误判断的发生。

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红外触摸屏的工作原理决定了系统的总体构架围绕三个子模块进行:一是红外发射
电路子模块，二是红外接收电路子模块，三是控制电路子模块，如图2-1所示。

1万 · 2019-1-10 12:45

红外发射电路和接收电路分布在屏幕的边框上，通常发射电路位于相邻的两条边，接收
电路位于相对的另两条边，横向负责X坐标的扫描，纵向负责y坐标的扫描。发射电路的作
用是依照一定的次序发出红外光;接收电路负责接收相应发射管发出的红外光信号[25】c
控制电路负责协调发射电路与接收电路的同步工作，控制发射电路和接收电路不断
扫描，循环采集收到的电压信号，判断是否有触摸，当触摸发生时，将收到的电信号进
行增益放大和A/。转换，经算法处理为坐标值，再按照一定的通讯协议发送给主机。
红外发射电路和接收电路主要涉及硬件设计，控制电路则融合软硬件的精华，包括
光电信号的采集与处理、微弱电信号的调理放大、高速模数转换系统的设计以及有无触
摸的判断、坐标的计算、多点触摸的处理等算法。
值得注意的是，硬件设计和软件设计这两项并不孤立，而是相辅相成，互补共存的，
设计时要综合考虑。硬件平台要能跟上软件运行的速度，软件算法要结合硬件电路原理
进行设计。

1万 · 2019-1-10 12:46

系统硬件包含上一节介绍的三个子模块:红外发射电路、红外接收电路和控制电路。
其中发射电路和接收电路作为一个整体安装在屏幕前面，根据屏幕尺寸制作成一个空心
的方框;控制电路通常独立制作成一块电路板，安装在主机系统中;控制电路和发射接
收电路之间靠导线连接。
发射电路采用多级串联的矩阵式扫描方式，逐个点亮发射管，原理框图如图2-2所
示。多级串联的控制方式既极大的减少了驱动芯片的数量，又有效的控制了端口的个数。
课题研究的红外触摸屏共有236颗发射管，分别将管子的正极和负极经过两级串联处理
后，仅需11个控制脚便可控制236颗管子的通断，对减少发射电路和控制电路之间的连
接线起到显著作用。

1万 · 2019-1-10 12:47

由图2-2可知，红外发射管的控制部分由74HCT138, 74HCT238, U1Q2003三种芯
片及三极管共同完成。其中74HCT138和74HCT238控制发射管的正极，74HCT238和
ULQ2003控制发射管的负极。
74HCT138和74HCT238都是高速的三八译码器，按照三位二进制输入码和输入条件，
从八个输出端中译出一个。它们都具有三个使能端，其中两个低有效，第三个高有效。
二者的区别在于74HC丁138被译出的一个端口为低电平，其余七个端口保持高电平，真
值功能如表2-2所示[26];而74HCT238正好相反，被译出的一个端口为高电平，其余七
个端口保持高电平，真值功能如表2-3所示[Iz}l

1万 · 2019-1-10 12:48

U LC12003是高压大电流的达林顿晶体管阵列，属于可控大功率器件。它有一个高电
平有效的使能端，七个输入端和七个输出端，输入端为高电平时，输出端为低电平，输
入端为低电平时，输出端为高电平，相当于一个七路的反相器电路。
设计中，采用发射管正负极独立控制的方式，实现矩阵式扫描，以减少引线和驱动
芯片的数量。同时，设计了多级控制的方法，进一步减少了芯片的使用量。
1、发射管的正极控制:
第一级采用74HCT238进行控制。74HCT238的使能端E3与三个地址端连接控制电
路，使能端E1与E2接低电平。74HCT238根据接收到的使能信号与地址位，选通指定
的输出端。
第二级采用74HCT138进行控制。74HCT138的使能端〔3与第一级74HCT238的输
出端相连，使能端E1和E2接低电平，地址端与控制电路相连。将每八颗发射管分为一
组，同组内的八颗发射管正极接在一起，通过三极管接在74HCT138的一个输出端。因
为74HCT138的驱动能力有限，因此不能直接连接红外发射管，需要通过三极管进行驱
动。三极管的发射极经过限流电阻连接+5V电源，集电极与发射管的正极相连。这样，
一个74HCT138共八个输出端就可以控制64颗发射管正极的打开与关断。

1万 · 2019-1-10 12:49

图2-3示意了发射管正极部分二级驱动的原理，根据计算，1片74HCT238可以控制
8片74HCT138，每片74HCT138又能控制64颗发射管，因此该设计的最大容量为512
颗发射管。
本系统的实际设计中，发射管共236颗，理论上使用4片74HCT138和30个三极管
即可，但是由于发射管分布在四个边框，因此根据PCB布板的要求，使用了6片74HCT138
和31个三极管，74HCT238则使用1片即可。
2、发射管的负极控制:
第一级同样采用74HC丁238，接收控制电路发送过来的使能信号和地址位，选通指
定的输出脚。
第二级采用ULQ2003o ULQ2003共有七个输入端，分别连接至74HCT238的七个输
出端。将所有发射管的负极共分为八组，同组内的负极短接起来，其中的七组与ULQ2003
的七个输出端相连，第八组连接在利用三极管自制的反相器上，如图2-4所示。这样，
1片74HC丁238,1片ULQ2003和1个三极管就可以控制所有的发射管负极的打开与关断。

1万 · 2019-1-10 12:55

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由图2-5可知，红外接收管的控制部分由74HCT138, 74HCT238及74HCT4051三种
芯片共同完成。
74HCT4051是一个高速的八通道数字控制模拟电子开关，有三个地址选择端和一个
低有效的使能端，八个独立输入/输出端和一个公共输出端，其真值表如表2-4所示(zsl