李冬喆，陳國龍，黃子強

（電子科技大學 電子科學技術研究院，四川 成都610054）

1 引 言

紅外觸摸技術作為一種人機交互方式發(fā)展至今［1］，通過不斷的改進與完善，已經(jīng)被運用在許多重要領域，特別因其的穩(wěn)定性、堅固性、抗電磁干擾等特性廣泛應用于大尺寸觸摸屏的設計當中［2－3］。

目前的紅外觸摸屏的工作原理是橫豎方向上的紅外發(fā)射管不斷進行掃描發(fā)射紅外光，對應的紅外接收管接收相應的紅外光。當有遮擋時，紅外接收管接收到的光強會發(fā)生變化，相應的光電轉(zhuǎn)換電路輸出的電信號也會發(fā)生變化，從而判定觸摸點的位置。除了接收固定頻率外，如電路沒有良好的濾波功能和選頻功能，紅外接收電路會接收到其他頻率的噪聲信號，這樣接收到的數(shù)據(jù)和最初得到的域值［4］相比較后會產(chǎn)生非常大的偏差，導致紅外觸摸屏無法正常的判斷觸摸位置，引起紅外屏的誤操作。特別是太陽光線中紅外光約占50%，包含大量直流分量噪音與各頻段的干擾白噪聲，在有太陽光的環(huán)境中使用紅外觸摸屏極易出現(xiàn)陽光干擾接收單元的問題，這也是目前紅外觸摸屏無法運用在室外環(huán)境的原因。因此必須引進抗強光干擾技術，來濾除太陽光的干擾，實現(xiàn)選頻接收有效信號的目的。

目前在抗強光選頻接收的常用技術中，分為在設計結構上實現(xiàn)抗強光的物理式防光和在硬件電路上實現(xiàn)抗強光的電氣式防光。

在物理防光方面，為了提高紅外觸摸屏的抗強光干擾性能，要求大量削減外界光對紅外接收管的影響。因此可以在紅外接收管前安裝對傳播方向敏感的光準直溝道。只有當水平光線入射時才會有高透過率，而對于傾斜入射的光會有極大衰減［5］。

對于電氣式防光，有以下幾種常見的方案：

無源晶振法［6］：使用光電二極管和晶體諧振器構成接收端光電轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)抗強光干擾。當作用于晶體諧振器的電信號頻率等于晶體的固有頻率時，利用無源晶體諧振器的壓電效應會在輸出端輸出頻率為固有頻率的正弦信號，而其余頻率的信號會被濾除。無源晶振法能實現(xiàn)高Q 值的濾波和選頻［7］，但受限于晶振的固有頻率，在kHz頻段上只有32.768kHz一種，無法靈活選擇接收頻率。

濾波法：使用帶通濾波器和后續(xù)放大方式能消除太陽光直流分量和非發(fā)射頻率其他頻段的信號干擾［8］，并可調(diào)選頻率，但Q 值較低，并且接收管易出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。在濾波法的基礎上，利用LC諧振電路替代接收管電阻，能夠消除接收管的飽和現(xiàn)象，但電感較大，會增加接收管電路的體積，不利于多接收管紅外屏的設計。

鎖相放大法［9］：利用具有鎖相放大環(huán)節(jié)的紅外屏接收電路，將紅外發(fā)射電路發(fā)射出的紅外光經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后與參考信號進行鎖相處理，經(jīng)過放大再進行濾波。這方法具有良好的選頻接收效果，但與輸入信號頻率相近的干擾信號無法通過濾波濾除，導致Q 值偏低。

本文通過移相、互相關等方法，提出了一種新的鎖相放大算法，進一步提高選頻能力與Q 值，并在后期使用高效的硬件平臺對數(shù)據(jù)進行處理，在鎖相放大后級不用濾波器的情況下實現(xiàn)高Q值的選頻接收，達到抗強光干擾的目的。

2 算法分析和驗證

2.1 鎖相放大原理及算法改進

鎖相放大基本結構如圖1 所示。PSD 相敏檢測器是鎖相放大的核心部分，根據(jù)互相關原理，只有當兩個同頻率的三角函數(shù)信號相乘再經(jīng)過濾波積分可得到兩者幅值與正弦或是余弦的乘積，而不同頻率的三角函數(shù)信號相乘再經(jīng)過濾波積分后能濾除掉零均值隨即過程的噪聲，并能通過低頻濾波器濾除掉和頻分量。但這個方法對于和輸入信號頻率十分接近的干擾信號無法通過濾波的方式濾除，會保留兩不同頻率的差頻分量［10］，造成Q 值偏低。所以鎖相放大器只能通過LPF 的窄帶化來提高信噪比。

圖1 鎖相放大基本結構圖Fig.1 Basic frame diagram of lock－in amplifier

本文在鎖相放大原理基礎上，采用了新的算法，旨在在鎖相放大環(huán)節(jié)之后不用濾波的情況下能達到很好的選頻效果，并且能結合PSOC5硬件平臺實現(xiàn)對輸出信號的處理。

改進算法結構示意圖如圖2所示。

圖2 改進算法結構圖Fig.2 Frame diagram of improved algorithm

當輸入信號x（t）和參考信號r（t）都是三角函數(shù)余弦信號時，設

將參考信號與輸入信號進行移相，參考信號移相135°，輸入信號移相45°，即

同頻信號原兩路信號相乘為：

同頻信號移相后相乘為：

兩路信號相加為：

若是同頻信號，沒有移相的兩路信號相乘得到的差頻分量為正，能將相乘后的信號的最小幅值提高到0V 以上（式5），便于后期通過硬件平臺將相乘后得到的兩路信號進行相加處理實現(xiàn)幅值的相消，最后得到穩(wěn)定的正幅值。

而將參考信號與不同頻輸入信號通過上述方法進行處理后，得到的信號幅值是圍繞著0點上下浮動，且最大幅值的絕對值與最小幅值的絕對值相同，即為

通過PSOC5硬件平臺進行數(shù)據(jù)采樣，AD 轉(zhuǎn)換，將采樣的數(shù)據(jù)進行數(shù)字式平均或者選取最大幅值和最小幅值進行相加處理，最后能將不同頻率的信號幅值消除掉，而保留同頻信號的幅值。

2.2 算法驗證

驗證部分分為模擬電路驗證和數(shù)字仿真。模擬電路驗證的目的是分析該算法的選頻能力，驗證算法對于連續(xù)信號在波形上的穩(wěn)定性和可靠性，最后得到的數(shù)據(jù)和圖像是否與算法相符。為數(shù)字部分的采樣和數(shù)字信號處理做準備。數(shù)字仿真針對信號的采樣精度進行分析。

模擬部分主要通過PSOC5構建模擬電路來獲取信號幅值。模擬框圖如圖3 所示。利用PSOC5產(chǎn)生1kHz的內(nèi)部參考正弦信號，輸入信號通過外部信號發(fā)生器產(chǎn)生，并可調(diào)節(jié)不同頻率。移相部分可通過PSOC5內(nèi)部運算放大器來實現(xiàn)。再通過外部模擬乘法器MLT04 實現(xiàn)信號相乘，最后用運放實現(xiàn)信號相加。最后不同頻率的輸出波形可用示波器顯示并可獲取輸出波形的峰峰值。選頻Q 值由中心頻率除以0.7 倍中心頻率幅值的頻段之差獲得，因此需要測出0.7倍中心頻率幅值的頻段數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)可畫出模擬選頻接收測試結果圖如圖4。

圖3 模擬電路邏輯框圖Fig.3 Logic flow of analog circuit

圖4 模擬選頻接收測試結果圖Fig.4 Test results figure of analog receiver frequency selection

幅值在999.63Hz與1 000.33Hz 2個頻率段上，因此選頻Q 值可由圖4得到。

由圖4可以看出，由于模擬電路移相的精度不夠準確以及信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率的步長和頻偏，導致1kHz信號并不是最大幅值，附近的頻率的信號也有較大的幅值。由于兩路信號進行放大后的幅值有偏差，導致在1kHz頻率處的信號不是獲得一個穩(wěn)定的幅值，而是有上下浮動的幅值，但峰值相加后能保證獲得較大的正幅值，并且輸入頻率越高，通過運放移相后的幅值衰減越大。利用模擬硬件電路只能獲得通過算法后的波形，卻無法對波形的幅值進一步處理，所以必須要通過數(shù)字器件，通過AD 轉(zhuǎn)換提取波形的峰峰值進行處理。

數(shù)字仿真部分主要是運用matlab對信號進行采樣仿真，然后對采樣后的數(shù)據(jù)進行運算處理。通過改進式（8）可知，輸入信號頻率越接近參考信號，｜W－ω｜越小，u（t）周期越大，如果采樣數(shù)過少的話，會無法采樣到u（t）的一個完整周期，有可能不能獲得u（t）的最大最小幅值，導致在參考信號附近的頻率也會出現(xiàn)較大的幅值，影響選頻效果。因此，采樣周期越長，采樣數(shù)越多，獲得的Q 值越大。圖5為在相同采樣頻率下，左邊是采樣5個參考信號周期600個數(shù)據(jù)，右邊是采樣50個周期6 000個數(shù)據(jù)的對比圖，可以看出采樣50個周期的圖Q 值更大，選頻效果更好。

圖5 不同采樣周期對比圖Fig.5 Comparison chart of different sample period

3 硬件實驗驗證

本方案主要針對紅外觸摸屏抗強光干擾模塊進行設計，將紅外接收管接收到的信號先通過低通濾波，濾除掉太陽光中的直流分量，之后采用可編程片上系統(tǒng)芯片PSOC5將通過濾波器之后的正弦型信號使用數(shù)字處理，實現(xiàn)上述互相關鎖相放大改進算法，濾除掉其余頻段上的干擾信號，提取出有效信號的幅值，主要實現(xiàn)信號的采樣、移相、存儲，再通過串口將采樣得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端，利用matlab軟件進行后續(xù)信號處理。

PSOC5內(nèi)部提供的SAR＿ADC 內(nèi)部不包含采樣保持功能，為了在AD 采樣轉(zhuǎn)換過程中保持采樣數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，提高采樣精度，使用PSOC5提供的采樣保持模塊采樣保持輸入信號。給采樣保持觸發(fā)的時鐘為100KHZ，在時鐘下降沿采樣保持輸入數(shù)據(jù)，在上升沿采樣數(shù)據(jù)。

將通過采樣保持后的信號通過PSOC5內(nèi)部ADC進行8位的AD 轉(zhuǎn)換。考慮到PSCO5內(nèi)部存儲器SRAM 為64KB，可以存儲65 546bit的數(shù)據(jù)。如果進行8bit量化數(shù)據(jù)的AD 轉(zhuǎn)換，最多可以存儲8 192 個采樣數(shù)。若是對于頻率為10 kHz的參考信號，將采樣速率設置為600 000 SPS，最多可以進行參考信號50 個周期的采樣，每路信號采樣1 500個連續(xù)8bit數(shù)據(jù)，從這看出采樣的精度受限于存儲空間的大小。若信號幅值過小，在峰值附近波形會漸變平緩，采樣精度不高的話會導致多次采樣到峰值附近相同的值，因此需要將采樣精度提高到12bit進行采樣。受限于PSOC5ADC轉(zhuǎn)換性能，幅值過大會導致ADC 無法采樣到小于－1.024V 以下的負電壓幅值，因此需要對輸入信號進行分壓處理。

對獲得的采樣數(shù)可以通過數(shù)字移相的方式實現(xiàn)移相。因為數(shù)字相位差與數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)總個數(shù)及數(shù)據(jù)地址的偏移量有關。若一個信號周期采樣N 個數(shù)，每兩個相鄰數(shù)據(jù)之間的相位差為360°／N，通過改變數(shù)據(jù)地址的偏移量M 就能獲得360°＊M／N 相位差的信號。因此一個周期采樣數(shù)越多，相位差精度越高。

基于對上述采樣信號的精度問題考慮，為在一個周期內(nèi)采樣更多、精度更高的數(shù)據(jù)以及多周期采樣，PSOC5 的SRAM 無法存儲超過64 KB的數(shù)據(jù)，因此將參考信號和輸入信號依次進行AD 采樣和數(shù)字移相，通過UART 傳輸?shù)絇C 端用MATLAB上進行處理，不僅能提高采樣精度，還能方便處理轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。PSOC5 硬件電路原理圖如圖6。

圖6 PSOC5硬件電路原理圖Fig.6 Schematic of PSOC5hardware circuit

將PSOC5AD 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過UART 串口用MATLAB軟件進行接收。測試時，輸入信號通過分壓后的幅值為0.75V，AD 轉(zhuǎn)換精度12位，前面再加上4位符號位，因此采樣一次獲得的數(shù)據(jù)為16 位。內(nèi)部參考正弦信號頻率設置為1kHz，對于1kHz的正弦信號每個周期采樣78次，連續(xù)采樣20個周期。外部輸入信號由信號發(fā)生器提供，頻率與采樣次數(shù)與參考信號相同。圖7為在150lx光強的正常光照環(huán)境下采樣點平滑處理后的還原圖。

圖7 150lx量化后的輸入信號Fig.7 Quantified input signal in 150lx

將接收到的數(shù)據(jù)通過矩陣形式存儲，再根據(jù)算法進行矩陣位與位數(shù)據(jù)相乘與相加，最后將獲得的數(shù)據(jù)進行數(shù)字式平均，把采樣數(shù)據(jù)進行累積相加平均，獲得電壓幅值。

由于太陽光中包含各個頻段的紅外光，要求能從各個頻段的噪聲中將所需的頻段信號提取出來，因此具備良好的選頻接收能力是抗強光干擾的一個重要指標。

利用信號發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率的單頻點正弦波信號，信號發(fā)生器輸出端與PSOC5的信號輸入端口相連，從而模擬不同頻率的接收信號。設置信號電壓幅值為12V，表1為經(jīng)過相關運算并將量化值轉(zhuǎn)換為電壓幅值后的測試數(shù)據(jù)表，圖8為選頻接收測試結果圖。

表1 選頻接收測試結果表Tab.1 Results of frequency selection receiver test

圖8 光強選頻接收測試結果圖Fig.8 Results of light intensity frequency selection receiver test

可計算出Q 值為：

從表1和圖8可以看出，通過數(shù)據(jù)相關處理后能實現(xiàn)較好的選頻效果，但由于采樣過程中出現(xiàn)的誤差，個別數(shù)據(jù)會出現(xiàn)浮動。

圖9 不同光強下數(shù)字鎖相放大處理后輸出信號幅值圖Fig.9 Amplitude figure of digital lock－in amplified output signal in the different light intensity

通過測試可以看出，利用本方案的數(shù)字互相關鎖相放大能夠靈活實現(xiàn)對不同頻率的選頻接收，在沒有后級濾波電路的情況下能夠獲得較高Q 值的選頻，實現(xiàn)抗干擾功能。相比模擬驗證的測量數(shù)據(jù)有一定差距，原因在于受限于PSOC5采樣性能，若能增加每周期采樣數(shù)和采樣周期數(shù)可以提高采樣精度，獲得更大的Q 值，達到更好的選頻目的。

為驗證該方案在強光干擾下具有良好的數(shù)據(jù)接收能力，可通過控制白熾燈模擬太陽光光照，測試在不同光照強度下輸出信號電壓幅值變化。圖9為1K輸入頻率信號下驅(qū)動紅外發(fā)射管，在不同光強下的經(jīng)過鎖相放大處理后的輸出信號幅值圖。

圖9中，分別測試了在0、150、5 000、50 000 lx光強下的數(shù)字鎖相放大方案的抗強光能力，可以看出在接收管不飽和的情況下，輸出信號幅值基本不隨環(huán)境光強變化，證明了該方案具有良好的抗強光干擾能力。

4 結 論

本文從目前紅外觸摸屏在有外界強光干擾下無法正常工作的問題著手，采用了一種新的鎖相相關算法并對其進行了驗證，提出了利用PSOC5來構成硬件電路實現(xiàn)抗干擾的解決方案。通過測試證明了本文提出的方案在強光下，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的數(shù)據(jù)接收并且實現(xiàn)高Q 值的濾波與選頻接收，達到了良好的抗干擾目的。

［1］ 張偉，郭勇.基于ARM 的紅外多點觸摸屏設計［J］.液晶與顯示，2013，28（5）：698－702.Zhang W，Guo Y.The design of infrared multi－touch screen based on ARM［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2013，28（5）：698－702.（in Chinese）

［2］ 李文生，鄧春健，呂燚.基于觸摸顯示屏的人機交互手勢分析［J］.液晶與顯示，2011，26（2）：194－199.Li W S，Deng C J，Lv Y.Interaction gesture analysis based on touch screen［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2011，26（2）：194－199.（in Chinese）

［3］ 佳格科技推出創(chuàng)新的混合矩陣紅外技術［J］.現(xiàn)代顯示，2012，134：30.The mixing matrix infrared technology which Standard technology put out［J］.Advanced Display，2012，134：30.（in Chinese）

［4］ 張宏偉.多觸點抗強光紅外觸摸屏的設計與驗證［D］.成都：電子科技大學，2009：27.Zhang H W.The design and verification of multi－touch and anti－light infrared screen［D］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2009：27.（in Chinese）

［5］ 張明.抗強光干擾的高精度紅外觸摸屏設計與實現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學光電信息學院，2008：23－24.Zhang M.The design and implementation of anti－light high－precision infrared touch screen［D］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2008：23－24.（in Chinese）

［6］ 李毅.可擴展抗強光紅外觸控模塊設計與實現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學，2013：23－33.Li Y.Design and implementation of scalable，anti－light interference infrared touch module［D］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2013：23－33.（in Chinese）

［7］ 馮致禮.晶體濾波器［M］.北京：宇航出版社，1987：488－501.Feng Z L.Crystal Filter［M］.Beijing：Yuhang Press，1987：488－501.（in Chinese）

［8］ 董冠濤.紅外線感應電子白板的設計與實現(xiàn)［D］.長春：吉林大學，2009：27－33.Dong G T.Design and realization of electronic whiteboard based on infrared ray［D］.Changchun：Jilin University，2009：27－33.（in Chinese）

［9］ 周燁.基于鎖相放大技術的抗強光干擾紅外觸控技術的研究［D］.成都：電子科技大學，2011：20－21.Zhou Y.The research of anti－light infrared touch technology based on lock－in amplifier technology［D］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2011：20－21.（in Chinese）

［10］ 高晉占.微弱信號檢測［M］.北京：清華大學出版社，2002：161－162.Gao J Z.Detection of Weak Signals［M］.Beijing：Qinghua University Press，2002：161－162.（in Chinese）