高分辨率红外多点触控器设计

2万 · 2019-1-3 15:46

高分辨率红外多点触控器设计
多点触控器技术在近年来的人机交互中扮演着十分重要的角色。
目前的触摸屏往往价格昂贵、结构复杂，易受温度、操作环境的影响，
因此开展多点触控器技术的研究来降低系统成本、简化系统结构、提
高识别精度是一个必然要求。
本文提出了一种基于FPGA的触点识别的逻辑控制方法，并在设
计的红外触控器的硬件平台上得以实现。本文的主要工作包括:
1、利用lighttools软件对红外发光二极管的辐射曲线进行了仿真，
获取其在有无遮挡两种情况下的辐射照度曲线。通过实际测量实验将
实际测量曲线与仿真曲线趋势进行对比，验证了本文设计的系统工作
原理的可行性，确定了遮挡点的坐标计算方法。
2、设计并实现了基于红外二极管的以STM32及FPGA为核心的
红外触控器。所设计的触控器为二维二轴结构，由FPGA控制各发射
接收通道，由STM32计算触摸点坐标，并上传给上位机。
3、设计了FPGA的软件系统，通过SPI接收STM32的控制命令，
根据地址校验的结果，确定当前的工作状态，并根据译码结果完成对
发射接收通道的逻辑控制，实现系统对发射接收通道的灵活选择。
4、实验分析了红外触控器的识别精度和帧频速度，实验结果表明
该触控器识别精度可以突破红外管尺寸限制，达到亚像素级。

2万 · 2019-1-3 15:47

随着信息技术的飞速发展，人类步入了信息时代，数据终端计算
机的作用越来越重要，人类的口常生活与计算机之间的联系也愈加紧
密。相对于传统的人机交互模式，例如用户界面已经以图形为主的键
盘鼠标、平面显示器，人机交互技术需要提供更自然、更方便的交互
方式，来形成以人为主的交互体系。
触控技术是一种重要的新型的人机交互技术，基本原理是用户通
过手指在平面上的滑动、触摸等操作代替传统的键盘、鼠标、游戏手
柄等装置进行交互，沉浸感更强;且具备同时接收多点息输入、坚固
耐用、易于使用、节省空间、反应速度快等优点。双手的触摸是人类
最为自然的感知手段，所以在人机操作的友好性上，触控交互相比于
其他交互方式有着显著的优势。
近年触控技术得到迅猛发展，应用领域包括}r} 5_8} .
公共信息查询:电信局、银行、税务局、交易会展业务显示等，
主要通过触控器显示终端向群众传达信息;
工业自动化:从工业过程控制到家庭自动化处理等多个领域，通
过输入界面与显示界面的集成，节省了宝贵的工作空间;操作者可以
通过简单的触控图形界面，就可以完成复杂的监控工作;
多媒体娱乐:在MP3、手机、平板电脑以及其他终端上的触控器
有助于使用者更为方便地对终端进行控制，提高设备的可操作性与交
互性能;
模拟和训练:借助触控器模拟机舱、训练驾驶员驾驶飞机，可以
降低培训成本，加快学习速度。
触控器的种类很多，根据其工作原理主要分为电阻式触控器、电
容式触控器、表面声波式触控器和红外触控器，不同种类的触控器技
术优点和缺陷也各有不同。本文对各类触控器技术进行了介绍，并对
比分析了优缺点，着重介绍了红外触控器的工作原理、优势缺陷以及
技术发展趋势，在此基础上提出并实现了一种红外触控器系统整体技
术方案。

2万 · 2019-1-3 15:53

电阻式触控器是最常见使用最广泛的一种触控器，采用串联电阻
分压原理，在电阻层将X轴和Y轴分别作为两个电阻，两端分别加上
SV和OV的电压，如图1.2 C a)所示。当触摸物接触屏幕时，由于触
摸压力的作用，使得两层导电层在触摸点位置有了接触，两层导电层
由相互绝缘变成导通，电阻层在X轴和Y轴方向分别被触摸点分成两
个部分，产生了四个电阻，引起电阻值和电流值发生变化，在X轴和
Y轴上分别产生的电压信号，通过AD C转换测量出模拟电压值，如图
1.1 (b>所示。触摸点到触控器边缘的距离与所测电压是正比例关系，
根据串联电阻分压原理计算出触摸点的X轴和Y轴的坐标值[6]。
电阻式触控器具有成本低，易于制造，分辨率高，灵敏度高，稳定
性好，抗干扰能力强，与外界完全隔离，不怕水蒸气和尘埃，适用于
恶劣环境下，可以用笔代替手指等优点。但是，复合薄膜的外层塑胶
材料影响显示器透光性，降低显示亮度，并且薄膜容易划破，很大程
度的影响其使用效果，同时减少使用寿命。

2万 · 2019-1-3 15:54

电容式触控器技术是利用人体感应电流进行工作，在导电层四边
均镀上狭长的电极，在导电层内形成一个低电压交流电场。人体是一
个地面的负电场，当手指触控器幕时，大量正电荷聚集在导电层的触
点位置形成正极，手指与导体层间形成一个藕合电容，四边电极发出
的微弱的高频电流流向触点，根据电流强弱与手指到电极的距离成反
比的关系，根据计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点位置，如图
1.2所示[51]

2万 · 2019-1-3 15:57

表面声波式触控器是根据声波在刚性表面传播的特性设计而成。
表面声波是一种沿介质表面传播的超声波，小角度定向发射，具有尖
锐明显的频率特性。表面声波式触控器是由触摸层、声波发射器、声
波反射板和声波接收器组成，如图1.3所示[[48]。声波发射器发送超声
波，在屏幕表面形成均匀的声波栅格，当有遮挡物时，一部分声波被
阻挡，接收信号出现衰减，对比遮挡前后接收信号强弱关系计算出遮
挡点位置。

2万 · 2019-1-3 16:02

红外触控器技术(Infrared Touch Screen Technology)是利用红外
光作为探测手段进行的一种人机交互装置，由红外发射管、红外接收
管和处理器组成。当发生触摸时，因为触摸物遮挡红外光线，导致红
外接收管接收到的光强减弱，转换为电压值的电信号降低，处理器根
据信号强度计算出触摸点的位置。
根据工作原理，红外触控器可分为FTIR式、LLP式、散射光触控
技术、红外矩阵式以及红外对射式[f}l，主要介绍红外对射式触控器的工
作原理。
红外对射式触控器是在屏幕横轴、纵轴上安装红外发射和红外接
收对管，并且发射管和接收管相对放置，构成红外扫描阵列栅格网[[50]
横轴、纵轴方向上持续不间断扫描探测，当有触摸时，手指或笔尖等
交互设备会遮挡红外光，对应的红外接收管的接收光强发生变化，同
时引起相应电路电压值的变化，通过模数转换电路传递给处理器，计
算出触摸点坐标，如图1.4所示。

2万 · 2019-1-3 16:03

在初期，红外对管的数目决定了红外触控器的分辨率，因此屏幕
的物理分辨率即是触控器的分辨率，即红外触控器分辨率=X轴红外管
数目*Y轴红外管数目，但是红外对管尺寸一般较宽，安装在屏幕上的
红外对管数量有限，因此分辨率低是红外触控器急需解决的缺陷。后
期随着技术的发展，红外触控器的分辨率不仅取决于红外对管数目，
还与像素数量和定位精度有关，即与单个遮挡点的分辨率有关，即红
外触控器分辨率=红外对管数*单个遮挡点的分辨率[f2Gl。关于提高红外
触控器的分辨率，目前国内外有以下几种方法:
(1)对器件进行特殊处理，打磨红外发射和接收管的侧边，使得
其在安装过程中更容易对准。
(2)采用光准直沟道法，发射管和接收管对齐，使得水平方向传
播的红外光透过率高，而其他方向的光透过率很低，提高电压变化的
准确性[49]
(3)量化分级接收到的红外光强度，遮挡点和接收管的距离和输
出电压呈现一种近似线性关系，根据信号强度的改变计算出触摸点的
坐标[35]
(4)一发两收方法，即发射管点亮，打开对应接收管以及对应接
收管为中心的某个邻域的接收管两个通道采集数据，相当于在两个发
射管之间增加了一个虚拟发射管，在数据处理时增加了一倍的管子数
目[3‘,4G]。
太阳光的光谱波长范围是0.15}m}4}m，可见光波段约占其中43%
红外光波段占据50%，红外接收管的感光范围被完全覆盖，因此红外
触控器对环境光照变化较为敏感，当外界环境中太阳光较强时，红外
触控器会受到较大干扰。现有技术的抗光干扰方法有以下几种[[27,35].
(l)脉冲方式，红外发射管和接收管采用相同固定的频率扫描，
红外发射管以固定频率发送信号，接收管响应这一固定频率的红外光
信号，能从各种红外光中有效地分离出有用信号。目前红外触控器大
部分都采纳了这一方法。
(2)两种红外波长错开摆放交替发射方式，纵横方向各放置一组
或者多组发射模块和接收模块，相邻模块采用频率不同的红外发射接
收对管，避免了上下和左右红外对管的干涉。
(3)动态闽值方式，遮挡是否出现的判定标准是红外接收管探测
到的电平值是否低于闽值。当红外触控器的外界环境光照变化时，探
测到的红外光强度最小值会发生较大改变，那么如果判定标准不变，
有可能造成误判。
(4)差动放大方式，增加额外红外接收管用来探测环境中的红外
光强，增加差分信号放大器减去环境红外光强，再进行遮挡点坐标的
计算。
(5)物理抗光干扰，在装配好的红外触摸电路板外加滤光条，或
者对接收管进行环氧封装，滤光条吸收可见光，只允许红外光透过，
这一方法可以过滤一些波段的干扰。
红外触控器拥有完全透光，不影响显示器的清晰度，不受静电、
电流、电压等的干扰，能够在恶劣的电磁工作环境下工作，适用于大
尺寸户外展示等优点。但是红外触控器的分辨率较低，受光照影响较
大，多点触摸技术不完善，伪点排除是红外触控器的技术难点。随着
提高分辨率和改善抗光干扰性能技术的研究以及系统功能上的扩展如
多点触摸，红外触控器的发展迅速，拥有了更加丰富的应用领域。

2万 · 2019-1-3 16:04

在初期，红外对管的数目决定了红外触控器的分辨率，因此屏幕
的物理分辨率即是触控器的分辨率，即红外触控器分辨率=X轴红外管
数目*Y轴红外管数目，但是红外对管尺寸一般较宽，安装在屏幕上的
红外对管数量有限，因此分辨率低是红外触控器急需解决的缺陷。后
期随着技术的发展，红外触控器的分辨率不仅取决于红外对管数目，
还与像素数量和定位精度有关，即与单个遮挡点的分辨率有关，即红
外触控器分辨率=红外对管数*单个遮挡点的分辨率[f2Gl。关于提高红外
触控器的分辨率，目前国内外有以下几种方法:
(1)对器件进行特殊处理，打磨红外发射和接收管的侧边，使得
其在安装过程中更容易对准。
(2)采用光准直沟道法，发射管和接收管对齐，使得水平方向传
播的红外光透过率高，而其他方向的光透过率很低，提高电压变化的
准确性[49]
(3)量化分级接收到的红外光强度，遮挡点和接收管的距离和输
出电压呈现一种近似线性关系，根据信号强度的改变计算出触摸点的
坐标[35]
(4)一发两收方法，即发射管点亮，打开对应接收管以及对应接
收管为中心的某个邻域的接收管两个通道采集数据，相当于在两个发
射管之间增加了一个虚拟发射管，在数据处理时增加了一倍的管子数
目[3‘,4G]。
太阳光的光谱波长范围是0.15}m}4}m，可见光波段约占其中43%
红外光波段占据50%，红外接收管的感光范围被完全覆盖，因此红外
触控器对环境光照变化较为敏感，当外界环境中太阳光较强时，红外
触控器会受到较大干扰。现有技术的抗光干扰方法有以下几种[[27,35].
(l)脉冲方式，红外发射管和接收管采用相同固定的频率扫描，
红外发射管以固定频率发送信号，接收管响应这一固定频率的红外光
信号，能从各种红外光中有效地分离出有用信号。目前红外触控器大
部分都采纳了这一方法。
(2)两种红外波长错开摆放交替发射方式，纵横方向各放置一组
或者多组发射模块和接收模块，相邻模块采用频率不同的红外发射接
收对管，避免了上下和左右红外对管的干涉。
(3)动态闽值方式，遮挡是否出现的判定标准是红外接收管探测
到的电平值是否低于闽值。当红外触控器的外界环境光照变化时，探
测到的红外光强度最小值会发生较大改变，那么如果判定标准不变，
有可能造成误判。
(4)差动放大方式，增加额外红外接收管用来探测环境中的红外
光强，增加差分信号放大器减去环境红外光强，再进行遮挡点坐标的
计算。
(5)物理抗光干扰，在装配好的红外触摸电路板外加滤光条，或
者对接收管进行环氧封装，滤光条吸收可见光，只允许红外光透过，
这一方法可以过滤一些波段的干扰。
红外触控器拥有完全透光，不影响显示器的清晰度，不受静电、
电流、电压等的干扰，能够在恶劣的电磁工作环境下工作，适用于大
尺寸户外展示等优点。但是红外触控器的分辨率较低，受光照影响较
大，多点触摸技术不完善，伪点排除是红外触控器的技术难点。随着
提高分辨率和改善抗光干扰性能技术的研究以及系统功能上的扩展如
多点触摸，红外触控器的发展迅速，拥有了更加丰富的应用领域。

2万 · 2019-1-3 16:04

   本文主要分为以下几个部分:
   第一章阐述了论文研究的目的和意义。总结并比较了现有各类触
控器的研究趋势和发展现状，着重介绍了红外触控器的工作原理、优
势缺陷以及技术发展趋势。
第二章提出了红外对射式触控器的解决方案，介绍了系统的架构，
工作模式和模块设计，并对方案的实现细节进行了介绍。
第三章描述红外触控器的硬件电路设计方案。以STM32和FPGA
为主的控制部分是该硬件电路的核心。系统通过STM32及FPGA两级
控制电路来实现对各模拟开关的控制，实现发射、接收通道的切换，
完成系统的扫描。接收端将红外接收管采集到的信号传递给AD9203
进行模数转换，得到数据送入STM32进行触摸点坐标的计算;最终由
STM32通过USB接口将计算得到的触摸点坐标上传给上位机，实现人
机交互。
   第四章介绍红外触控器系统的程序设计。包括主从控制通信、发
射接收模块逻辑控制、遮挡点坐标计算、抗光干扰设计、控制器与上
位机通信以及触摸手势的定义，同时介绍了系统程序涉及的SPI总线
和USB接口。论文在MDK环境下采用C语言对STM32微控制器进行
编程，使用VHDL语言对FPGA  A3P030进行逻辑编程。
第五章介绍了系统调试和实验。主要包括硬件电路的调试，系统
的性能测试和上位机操控测试。分析了系统扫描频率以及识别精度，
使用上位机操控测试实验验证系统的可行性。
系统采用的架构示意图如图2.1所示(空心点代表发射管，实心点
代表接收管)，发射接收管按照X, Y方向对应排列。如图中所示，当
无遮挡时，探测器理论上接收到的辐射曲线为对称光照度分布。当有
遮挡发生时，如图2.2所示，辐射曲线的曲率会发生三次改变，遮挡点
所在光路上的红外光被遮挡住，照度曲线会发生如图示意的变化，红
外接收管接收到的红外光强度小于闽值。扫描发生遮挡的点左右的各
接收管的测量值，取这些测量值中两个最大值，一个最小值，如图中
所示。依据这三点，以接收管通道编号为横坐标，红外光强度测量值
为纵坐标绘制二次曲线，计算该二次曲线的顶点坐标，该二次曲线的
顶点的横坐标即为遮挡点的X轴坐标，对Y轴用同样的方法即可得出
遮挡点的Y轴坐标，从而得出遮挡点的坐标。

2万 · 2019-1-3 16:40

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(1)初始化
系统上电后首先进行初始化，初始化分为两个步骤:背景光测量、
强度归一化;
a)背景光测量
系统上电后首先进行背景光测量，在不点亮发射管的情况下，依
次选通各个红外接收管的通道，测量每只红外接收管测量到的环境背
景光强度，对各个接收管测量到的背景光值求取期望，将该平均值的
三倍设定为触摸判断的闽值。由于当触摸点遮挡住红外发射光时，被
遮挡的红外接收管测量到的辐射值来源于背景光，所以测量环境中的
背景光将有助于更好的设定判断触摸的闽值。
b)强度归一化
在背景光测量后，系统进行强度归一化，强度归一化按照X轴和
Y轴分别进行。首先逐只点亮X轴上的红外发射管，并同时选通与其
相对放置的红外接收通道，记录每个红外发射管的红外光强度。取各
接收管测量到的红外光强度的期望值，作为X轴的归一化电平。用这
个基准与每个管子测量到的发射强度值做比较，得出每个发光管的校
正系数，存储在STM32中。当每次进行触摸判断时，STM32将每个管
子得到的A/D转换值乘以自身的校正系数，再进行后续的触摸判断。
完成X轴的强度归一化后，对Y轴进行同样的归一化操作。由于每个
发光管各自强度存在差异，所以通过发光强度基准对各个管子强度做
归一化，可以减少器件间的差异对系统性能的影响，增强系统的稳定
性。

2万 · 2019-1-3 16:43

}2} x轴轮询
完成了系统初始化，触控器进入x轴轮询工作状态，逐只点亮x
轴上的红外发光管，并选通与其相对放置的红外接收通道，判断其接
收到的照射强度是否低于闽值，如果强度高于闽值，则没有遮挡，继
续轮询的状态;如果强度低于闽值，则说明在该光路上存在遮挡，系
统进入x轴坐标计算，计算当前被遮挡的红外接收管的位置no
(3) X轴坐标计算
在X轴坐标计算中，以图2.4中所示为例，测量被遮挡红外接收
管n左右【n-4,n+4]区间内9个红外接收管所测量到的红外光强度值。
取这9个点中两个最大值点，和一个最小值点绘制二次曲线:取【n-4,
川5个红外接收管中的红外光强度最大和最小的两个点:(n-2 ,  a)和(n,
b)，取【n+ 1 ,  n+4 ] 4个红外接受管中红外光强大最大和最小的两个点:
(n+2,  c)和(n+1,  d)。对两个最小值b和d进行对比，如果b<d，则选
择(n-2 ,  a) ,  }n-1,  b)和(n+2 ,  c)三个点绘制二次曲线，反之取(n-2,  a),
}n+1,  d)和(n+2 ,  o)三个点绘制二次曲线，二次曲线以管子编号作为横
坐标，红外光强度值作为纵坐标，并求出该二次曲线的顶点的横坐标，
该横坐标即为触摸点的X轴坐标。
除了上述两种情况外有可能出现b=d的情况，此时则取(n ,  b)和
(n+1, d)两点横坐标的中间值(n+0. 5)以及纵坐标b，结合(n-2, a), (n+2,
c)两个点绘制二次曲线

2万 · 2019-1-3 16:43

高分辨率红外多点触控器设计

技术奇才奖章

伴坛终老