杜浩宇　徐婷婷（等）

【摘 要】紅外觸摸屏不受電壓、電流和靜電干擾，透光率好，適用于戴手套操作環(huán)境和開車等環(huán)境，得到廣泛應(yīng)用。本文根據(jù)紅外觸摸屏的檢測原理，以飛思卡爾K60單片機為核心，設(shè)計低成本、高集成度的紅外觸摸屏的紅外發(fā)送及數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】紅觸摸屏；K60單片機；掃描

0 引言

紅外觸摸屏是在觸摸屏的四周布滿紅外接收管和紅外發(fā)射管，這些紅外管在觸摸屏的表面排列呈一一對應(yīng)的位置關(guān)系，形成一張由紅外線布成的光網(wǎng)，當有物體（可以是手指，帶手套的手或任何觸摸物體）進入紅外光網(wǎng)阻擋住某處的紅外線發(fā)射接收時，此點的橫豎兩個方向的接收紅外管接收到的紅外線的強弱就會發(fā)生變化，設(shè)備通過了解紅外線的接收情況的變化就能知道何處進行了觸摸。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)的核心以飛思卡爾公司的K60芯片為主控制器，它首先控制移位寄存器74HC164和譯碼器74HC138來完成接收管和發(fā)射管的矩陣掃描。然后控制信號處理模塊，不斷循環(huán)采集接收管的電壓幅度值。當有觸摸物進入觸摸區(qū)域時，由于對光線的遮擋，對應(yīng)的接收管采集到的電壓值必然發(fā)生變化，此時通過與之前的值進行比較和運算，就可計算出觸摸點的坐標。最后再將得到的坐標數(shù)據(jù)通過USB發(fā)送給PC機，最終實現(xiàn)觸摸定位功能。

2 單片機選擇

硬件系統(tǒng)以Kinetis 60微控制器為核心，具有處理速度快，功耗低，成本低等優(yōu)點，其片內(nèi)128KB的RAM，512KB的FLASH，高達16位精度A/D采樣模塊和多通道的DMA模塊完全滿足了系統(tǒng)開發(fā)的需要。同時K60包含DSP內(nèi)核，通過庫函數(shù)調(diào)用，方便進行數(shù)學運算以及數(shù)字信號處理，可以減輕硬件負擔，加快信號處理速度，減小響應(yīng)時間。

3 紅外發(fā)送與接收電路設(shè)計

3.1 紅外發(fā)射及掃描電路

紅外發(fā)射及掃描電路如圖1所示。工作原理是通過74HC164和74HC138構(gòu)成n*n（實驗以8*8做測試）掃描電路。74HC164為移位寄存器，它每次只使一個輸出腳為高電平，74HC138為38譯碼器，它每次只使一個輸出腳為低電平。圖中Cn，Cn+1為74HC164輸出腳，COUTn、COUTn+1為74HC138輸出腳。當Cn輸入低脈沖、COUTn為低電平時，紅外發(fā)射管點亮。改變Cn和COUTn，即可使不同發(fā)射管點亮，擴展此電路即可實現(xiàn)n*n掃描。

圖1 紅外發(fā)射及掃描電路

3.2 接收及放大電路

接收及放大電路如圖2所示。電路利用了三極管的開關(guān)特性來實現(xiàn)接收管部分的矩陣掃描。取樣電阻R109接在光敏三極管的集電極，當接收管接收到相應(yīng)波長的紅外光時，會產(chǎn)生一定大小的光電流，R109將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，Qn接入74LS151數(shù)據(jù)選擇器輸入端，將電壓信號輸出。電路中的Cn與發(fā)射電路是相接的，這樣就能保證發(fā)射管和對應(yīng)的接收管同時工作。

74LS151為互補輸出的8選1數(shù)據(jù)選擇器，它配合74HC164也能實現(xiàn)n*n路矩陣掃描輸出，其輸出引腳為Y腳，該引腳接到下一級的放大器進行放大處理。

圖2 紅外接收基本電路

紅外接收管被有效光照射后產(chǎn)生毫伏級別的電壓信號，需要對信號進行放大才能滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD的信號采集范圍。我們選擇低噪聲、低失真的放大器AD8330對模擬光電信號進行放大，在高增益下通過高速轉(zhuǎn)換，使其適合于作為模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的前置放大，并且頻帶寬度折中較小，設(shè)計中可以靈活的使用整個動態(tài)范圍，而不會影響帶寬或者產(chǎn)生失真。

4 串口通信

本紅外觸摸屏采用串口通信方式，把計算出的坐標信息發(fā)送給主控設(shè)備。設(shè)計中，采用RS-232通信協(xié)議，應(yīng)用MAX3232芯片吧單片機的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平。應(yīng)用串口通信，通信協(xié)議簡單，硬件實現(xiàn)方便。

5 電源電路

由于主控芯片需要3.3V的電壓，因此需要對電源電壓進行降壓處理。本系統(tǒng)采用LM1117-3.3V進行穩(wěn)壓處理，LM1117-3.3V是一個正向低壓降穩(wěn)壓器，其輸出固定電壓為3.3V，允許最大工作電流為800MA，而且芯片內(nèi)還集成了過熱保護和限流電路，因此能保證正常、穩(wěn)定的給整個系統(tǒng)供電。最后，穩(wěn)壓芯片的濾波電容要靠近引腳，數(shù)字地和模擬地要分開。

6 總結(jié)

系統(tǒng)掃描方面占用的時間最多，約為總體時間的90%，因此本文重點放在減少掃描時間上。系統(tǒng)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)對元器件精確度要求比較高，特別是運算放大器抗噪聲能力和抗漂移能力要求很高。接收光信號產(chǎn)生的微弱電流非常小，轉(zhuǎn)化的電壓值也很小，如果精確度和抗噪聲能力不夠的話，有用信號會被噪聲所湮沒，所以本文又增加了濾波電容，減少環(huán)境光對系統(tǒng)的干擾。

【參考文獻】

[1]曾一雄.基于STM32的抗強光多點紅外觸摸屏的設(shè)計與實現(xiàn)[D].電子科技大學，2013.

[2]吳娟.紅外多點觸摸技術(shù)的關(guān)鍵問題研究[D].合肥工業(yè)大學，2012.

[3]劉建軍，葉新林，劉新斌. 一種識別紅外觸摸技術(shù)上多個觸摸點的方法[P].中國：CN101075168A.

[4]Shneiderman B.Touch screens now offer compelling uses [J].Software， IEEE，1991（8）：93-94，107.

[5]P. Dietz， D. Leigh. Diamondtouch： a multi-user touch technology[C]//Proceedings of the 14th annual ACM symposium on User interface software and technology. Orlando， Florida， November 11 - 14， New York， 2001：219-226.

[責任編輯：湯靜]

【摘 要】紅外觸摸屏不受電壓、電流和靜電干擾，透光率好，適用于戴手套操作環(huán)境和開車等環(huán)境，得到廣泛應(yīng)用。本文根據(jù)紅外觸摸屏的檢測原理，以飛思卡爾K60單片機為核心，設(shè)計低成本、高集成度的紅外觸摸屏的紅外發(fā)送及數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】紅觸摸屏；K60單片機；掃描

0 引言

紅外觸摸屏是在觸摸屏的四周布滿紅外接收管和紅外發(fā)射管，這些紅外管在觸摸屏的表面排列呈一一對應(yīng)的位置關(guān)系，形成一張由紅外線布成的光網(wǎng)，當有物體（可以是手指，帶手套的手或任何觸摸物體）進入紅外光網(wǎng)阻擋住某處的紅外線發(fā)射接收時，此點的橫豎兩個方向的接收紅外管接收到的紅外線的強弱就會發(fā)生變化，設(shè)備通過了解紅外線的接收情況的變化就能知道何處進行了觸摸。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)的核心以飛思卡爾公司的K60芯片為主控制器，它首先控制移位寄存器74HC164和譯碼器74HC138來完成接收管和發(fā)射管的矩陣掃描。然后控制信號處理模塊，不斷循環(huán)采集接收管的電壓幅度值。當有觸摸物進入觸摸區(qū)域時，由于對光線的遮擋，對應(yīng)的接收管采集到的電壓值必然發(fā)生變化，此時通過與之前的值進行比較和運算，就可計算出觸摸點的坐標。最后再將得到的坐標數(shù)據(jù)通過USB發(fā)送給PC機，最終實現(xiàn)觸摸定位功能。

2 單片機選擇

硬件系統(tǒng)以Kinetis 60微控制器為核心，具有處理速度快，功耗低，成本低等優(yōu)點，其片內(nèi)128KB的RAM，512KB的FLASH，高達16位精度A/D采樣模塊和多通道的DMA模塊完全滿足了系統(tǒng)開發(fā)的需要。同時K60包含DSP內(nèi)核，通過庫函數(shù)調(diào)用，方便進行數(shù)學運算以及數(shù)字信號處理，可以減輕硬件負擔，加快信號處理速度，減小響應(yīng)時間。

3 紅外發(fā)送與接收電路設(shè)計

3.1 紅外發(fā)射及掃描電路

紅外發(fā)射及掃描電路如圖1所示。工作原理是通過74HC164和74HC138構(gòu)成n*n（實驗以8*8做測試）掃描電路。74HC164為移位寄存器，它每次只使一個輸出腳為高電平，74HC138為38譯碼器，它每次只使一個輸出腳為低電平。圖中Cn，Cn+1為74HC164輸出腳，COUTn、COUTn+1為74HC138輸出腳。當Cn輸入低脈沖、COUTn為低電平時，紅外發(fā)射管點亮。改變Cn和COUTn，即可使不同發(fā)射管點亮，擴展此電路即可實現(xiàn)n*n掃描。

圖1 紅外發(fā)射及掃描電路

3.2 接收及放大電路

接收及放大電路如圖2所示。電路利用了三極管的開關(guān)特性來實現(xiàn)接收管部分的矩陣掃描。取樣電阻R109接在光敏三極管的集電極，當接收管接收到相應(yīng)波長的紅外光時，會產(chǎn)生一定大小的光電流，R109將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，Qn接入74LS151數(shù)據(jù)選擇器輸入端，將電壓信號輸出。電路中的Cn與發(fā)射電路是相接的，這樣就能保證發(fā)射管和對應(yīng)的接收管同時工作。

74LS151為互補輸出的8選1數(shù)據(jù)選擇器，它配合74HC164也能實現(xiàn)n*n路矩陣掃描輸出，其輸出引腳為Y腳，該引腳接到下一級的放大器進行放大處理。

圖2 紅外接收基本電路

紅外接收管被有效光照射后產(chǎn)生毫伏級別的電壓信號，需要對信號進行放大才能滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD的信號采集范圍。我們選擇低噪聲、低失真的放大器AD8330對模擬光電信號進行放大，在高增益下通過高速轉(zhuǎn)換，使其適合于作為模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的前置放大，并且頻帶寬度折中較小，設(shè)計中可以靈活的使用整個動態(tài)范圍，而不會影響帶寬或者產(chǎn)生失真。

4 串口通信

本紅外觸摸屏采用串口通信方式，把計算出的坐標信息發(fā)送給主控設(shè)備。設(shè)計中，采用RS-232通信協(xié)議，應(yīng)用MAX3232芯片吧單片機的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平。應(yīng)用串口通信，通信協(xié)議簡單，硬件實現(xiàn)方便。

5 電源電路

由于主控芯片需要3.3V的電壓，因此需要對電源電壓進行降壓處理。本系統(tǒng)采用LM1117-3.3V進行穩(wěn)壓處理，LM1117-3.3V是一個正向低壓降穩(wěn)壓器，其輸出固定電壓為3.3V，允許最大工作電流為800MA，而且芯片內(nèi)還集成了過熱保護和限流電路，因此能保證正常、穩(wěn)定的給整個系統(tǒng)供電。最后，穩(wěn)壓芯片的濾波電容要靠近引腳，數(shù)字地和模擬地要分開。

6 總結(jié)

系統(tǒng)掃描方面占用的時間最多，約為總體時間的90%，因此本文重點放在減少掃描時間上。系統(tǒng)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)對元器件精確度要求比較高，特別是運算放大器抗噪聲能力和抗漂移能力要求很高。接收光信號產(chǎn)生的微弱電流非常小，轉(zhuǎn)化的電壓值也很小，如果精確度和抗噪聲能力不夠的話，有用信號會被噪聲所湮沒，所以本文又增加了濾波電容，減少環(huán)境光對系統(tǒng)的干擾。

【參考文獻】

[1]曾一雄.基于STM32的抗強光多點紅外觸摸屏的設(shè)計與實現(xiàn)[D].電子科技大學，2013.

[2]吳娟.紅外多點觸摸技術(shù)的關(guān)鍵問題研究[D].合肥工業(yè)大學，2012.

[3]劉建軍，葉新林，劉新斌. 一種識別紅外觸摸技術(shù)上多個觸摸點的方法[P].中國：CN101075168A.

[4]Shneiderman B.Touch screens now offer compelling uses [J].Software， IEEE，1991（8）：93-94，107.

[5]P. Dietz， D. Leigh. Diamondtouch： a multi-user touch technology[C]//Proceedings of the 14th annual ACM symposium on User interface software and technology. Orlando， Florida， November 11 - 14， New York， 2001：219-226.

[責任編輯：湯靜]

【摘 要】紅外觸摸屏不受電壓、電流和靜電干擾，透光率好，適用于戴手套操作環(huán)境和開車等環(huán)境，得到廣泛應(yīng)用。本文根據(jù)紅外觸摸屏的檢測原理，以飛思卡爾K60單片機為核心，設(shè)計低成本、高集成度的紅外觸摸屏的紅外發(fā)送及數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】紅觸摸屏；K60單片機；掃描

0 引言

紅外觸摸屏是在觸摸屏的四周布滿紅外接收管和紅外發(fā)射管，這些紅外管在觸摸屏的表面排列呈一一對應(yīng)的位置關(guān)系，形成一張由紅外線布成的光網(wǎng)，當有物體（可以是手指，帶手套的手或任何觸摸物體）進入紅外光網(wǎng)阻擋住某處的紅外線發(fā)射接收時，此點的橫豎兩個方向的接收紅外管接收到的紅外線的強弱就會發(fā)生變化，設(shè)備通過了解紅外線的接收情況的變化就能知道何處進行了觸摸。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)的核心以飛思卡爾公司的K60芯片為主控制器，它首先控制移位寄存器74HC164和譯碼器74HC138來完成接收管和發(fā)射管的矩陣掃描。然后控制信號處理模塊，不斷循環(huán)采集接收管的電壓幅度值。當有觸摸物進入觸摸區(qū)域時，由于對光線的遮擋，對應(yīng)的接收管采集到的電壓值必然發(fā)生變化，此時通過與之前的值進行比較和運算，就可計算出觸摸點的坐標。最后再將得到的坐標數(shù)據(jù)通過USB發(fā)送給PC機，最終實現(xiàn)觸摸定位功能。

2 單片機選擇

硬件系統(tǒng)以Kinetis 60微控制器為核心，具有處理速度快，功耗低，成本低等優(yōu)點，其片內(nèi)128KB的RAM，512KB的FLASH，高達16位精度A/D采樣模塊和多通道的DMA模塊完全滿足了系統(tǒng)開發(fā)的需要。同時K60包含DSP內(nèi)核，通過庫函數(shù)調(diào)用，方便進行數(shù)學運算以及數(shù)字信號處理，可以減輕硬件負擔，加快信號處理速度，減小響應(yīng)時間。

3 紅外發(fā)送與接收電路設(shè)計

3.1 紅外發(fā)射及掃描電路

紅外發(fā)射及掃描電路如圖1所示。工作原理是通過74HC164和74HC138構(gòu)成n*n（實驗以8*8做測試）掃描電路。74HC164為移位寄存器，它每次只使一個輸出腳為高電平，74HC138為38譯碼器，它每次只使一個輸出腳為低電平。圖中Cn，Cn+1為74HC164輸出腳，COUTn、COUTn+1為74HC138輸出腳。當Cn輸入低脈沖、COUTn為低電平時，紅外發(fā)射管點亮。改變Cn和COUTn，即可使不同發(fā)射管點亮，擴展此電路即可實現(xiàn)n*n掃描。

圖1 紅外發(fā)射及掃描電路

3.2 接收及放大電路

接收及放大電路如圖2所示。電路利用了三極管的開關(guān)特性來實現(xiàn)接收管部分的矩陣掃描。取樣電阻R109接在光敏三極管的集電極，當接收管接收到相應(yīng)波長的紅外光時，會產(chǎn)生一定大小的光電流，R109將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，Qn接入74LS151數(shù)據(jù)選擇器輸入端，將電壓信號輸出。電路中的Cn與發(fā)射電路是相接的，這樣就能保證發(fā)射管和對應(yīng)的接收管同時工作。

74LS151為互補輸出的8選1數(shù)據(jù)選擇器，它配合74HC164也能實現(xiàn)n*n路矩陣掃描輸出，其輸出引腳為Y腳，該引腳接到下一級的放大器進行放大處理。

圖2 紅外接收基本電路

紅外接收管被有效光照射后產(chǎn)生毫伏級別的電壓信號，需要對信號進行放大才能滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD的信號采集范圍。我們選擇低噪聲、低失真的放大器AD8330對模擬光電信號進行放大，在高增益下通過高速轉(zhuǎn)換，使其適合于作為模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的前置放大，并且頻帶寬度折中較小，設(shè)計中可以靈活的使用整個動態(tài)范圍，而不會影響帶寬或者產(chǎn)生失真。

4 串口通信

本紅外觸摸屏采用串口通信方式，把計算出的坐標信息發(fā)送給主控設(shè)備。設(shè)計中，采用RS-232通信協(xié)議，應(yīng)用MAX3232芯片吧單片機的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平。應(yīng)用串口通信，通信協(xié)議簡單，硬件實現(xiàn)方便。

5 電源電路

由于主控芯片需要3.3V的電壓，因此需要對電源電壓進行降壓處理。本系統(tǒng)采用LM1117-3.3V進行穩(wěn)壓處理，LM1117-3.3V是一個正向低壓降穩(wěn)壓器，其輸出固定電壓為3.3V，允許最大工作電流為800MA，而且芯片內(nèi)還集成了過熱保護和限流電路，因此能保證正常、穩(wěn)定的給整個系統(tǒng)供電。最后，穩(wěn)壓芯片的濾波電容要靠近引腳，數(shù)字地和模擬地要分開。

6 總結(jié)

系統(tǒng)掃描方面占用的時間最多，約為總體時間的90%，因此本文重點放在減少掃描時間上。系統(tǒng)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)對元器件精確度要求比較高，特別是運算放大器抗噪聲能力和抗漂移能力要求很高。接收光信號產(chǎn)生的微弱電流非常小，轉(zhuǎn)化的電壓值也很小，如果精確度和抗噪聲能力不夠的話，有用信號會被噪聲所湮沒，所以本文又增加了濾波電容，減少環(huán)境光對系統(tǒng)的干擾。

【參考文獻】

[1]曾一雄.基于STM32的抗強光多點紅外觸摸屏的設(shè)計與實現(xiàn)[D].電子科技大學，2013.

[2]吳娟.紅外多點觸摸技術(shù)的關(guān)鍵問題研究[D].合肥工業(yè)大學，2012.

[3]劉建軍，葉新林，劉新斌. 一種識別紅外觸摸技術(shù)上多個觸摸點的方法[P].中國：CN101075168A.

[4]Shneiderman B.Touch screens now offer compelling uses [J].Software， IEEE，1991（8）：93-94，107.

[5]P. Dietz， D. Leigh. Diamondtouch： a multi-user touch technology[C]//Proceedings of the 14th annual ACM symposium on User interface software and technology. Orlando， Florida， November 11 - 14， New York， 2001：219-226.

[責任編輯：湯靜]