載人航天器儀表系統(tǒng)紅外觸摸屏硬件電路設(shè)計(jì)

摘 要： 為了設(shè)計(jì)一種滿足載人航天器儀表系統(tǒng)具體要求的觸摸屏，研究了觸摸屏的基本工作原理，選取紅外式觸摸屏技術(shù)應(yīng)用到載人航天器儀表系統(tǒng)。結(jié)合載人航天器儀表系統(tǒng)對(duì)觸摸屏的設(shè)計(jì)指標(biāo)及環(huán)境適應(yīng)性要求，設(shè)計(jì)了一種全新的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)，能適應(yīng)載人航天器工況的紅外觸摸屏的硬件電路，并簡(jiǎn)單介紹了相應(yīng)的軟件算法。對(duì)載人航天器儀表系統(tǒng)的顯示器分辨率與觸摸屏的分辨能力問題進(jìn)行了研究并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明所選器件能夠?qū)崿F(xiàn)載人航天器儀表系統(tǒng)觸摸屏的分辨能力要求。

關(guān)鍵詞： 載人航天器； 儀表； 觸摸屏； 工況； 分辨率

中圖分類號(hào)： TN219?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）18?0039?05

0 引 言

我國(guó)正在設(shè)計(jì)制造可以在空間中長(zhǎng)期運(yùn)行的載人航天器，航天器上圖像系統(tǒng)擬采用高清顯示系統(tǒng)，儀表系統(tǒng)是站上圖像系統(tǒng)的重要組成部分，提供圖像解碼和終端顯示的功能。目前載人航天器上投入使用的液晶屏，采用鍵盤或按鍵輸入方式，不具備觸摸顯示功能。對(duì)于目前的航天船載顯示，鍵盤和鼠標(biāo)等輸入設(shè)備的使用很不方便，而且占用了獨(dú)立的設(shè)備及操作空間。在載人航天器綜合顯示系統(tǒng)中，將觸摸屏應(yīng)用到儀表顯示系統(tǒng)是具有重要意義的。對(duì)于船載顯示設(shè)備，它要求觸摸屏具有高清晰度，高分辨率，高抗干擾能力，并且能夠精確定位。為了滿足未來我國(guó)載人航天發(fā)展的需要，有必要對(duì)載人航天器儀表觸摸屏應(yīng)用做深入的研究。

1 紅外觸摸屏技術(shù)原理

觸摸屏是一種用于人機(jī)交互和二維運(yùn)動(dòng)追跡的絕對(duì)定位系統(tǒng)，應(yīng)用觸摸屏裝置能夠節(jié)省空間，顯示屏就是用戶接口，接口方式可以自定義、多樣化，因此觸摸屏已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多媒體手持設(shè)備、工業(yè)控制顯示器件。我國(guó)載人航天器上人機(jī)界面將進(jìn)行全面優(yōu)化，引入觸摸屏技術(shù)，使得顯示器操作更加直觀、方便，同時(shí)，對(duì)于顯示器的功能開發(fā)也將更靈活[1]。

觸摸屏作為一個(gè)輸入裝置，由觸摸檢測(cè)部件和觸摸屏控制器組成。觸摸檢測(cè)部件安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測(cè)用戶觸摸位置，接收后送觸摸屏控制器；觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點(diǎn)檢測(cè)裝置接收觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)送給數(shù)據(jù)處理單元，同時(shí)能從數(shù)據(jù)處理單元接收命令并加以執(zhí)行。

目前主要的觸摸屏可以分為四大類：電阻觸摸屏、電容觸摸屏、表面聲波觸摸屏、紅外觸摸屏。前面兩種均屬于薄膜式，因?yàn)槭褂脮r(shí)需要在顯示屏前加貼薄膜。表面聲波觸摸屏的觸摸部分是一塊平面、球面或是柱面的玻璃平板。由于薄膜和玻璃板的存在，很大程度上影響了顯示器的光透過率。同時(shí)它們都有難以逾越的屏障，如單一傳感器的受損、老化，器件參數(shù)特性容易漂移，很難長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，觸摸界面怕受污染，維護(hù)繁雜等等問題。而紅外觸摸屏無需薄膜，光透過率為100%，而且不受電流、電壓和靜電干擾，適宜惡劣的環(huán)境條件。

紅外式觸摸屏由裝在觸摸屏外框上的紅外線發(fā)射與接收感測(cè)元件構(gòu)成。如圖1所示。在顯示屏相鄰的兩條邊上各放置一排紅外發(fā)光二極管，另外兩條邊各放置一排紅外接收探測(cè)器，形成紅外探測(cè)網(wǎng)。如果所有的紅外對(duì)管通達(dá)，表示無觸摸物體。當(dāng)有觸摸時(shí)，手指或其他物就會(huì)擋住經(jīng)過該位置的橫豎紅外線，觸摸屏掃描時(shí)發(fā)現(xiàn)并確信有一條紅外線受阻后，立刻換到另一坐標(biāo)軸再掃描，如果再發(fā)現(xiàn)另外一軸也有一條紅外線受阻，發(fā)現(xiàn)觸摸，并將兩個(gè)發(fā)現(xiàn)有阻隔的紅外對(duì)管位置報(bào)告給主機(jī)，經(jīng)過計(jì)算判斷出觸摸點(diǎn)在屏幕的位置。當(dāng)手指等物在屏面移動(dòng)對(duì)紅外線網(wǎng)形成切割時(shí)，紅外管陣列感知到的位置二元數(shù)組也在實(shí)時(shí)變化，這有利于我們僅僅通過信號(hào)變化就可以執(zhí)行位置相對(duì)變化的判斷進(jìn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)追蹤和預(yù)判。通常紅外發(fā)光檢測(cè)裝置是裝于紅外濾光外框內(nèi)，它對(duì)紅外光是透明的，對(duì)環(huán)境光起抑制作用[2]。

2 載人航天器儀表系統(tǒng)觸摸屏分辨能力

2.1 載人航天器儀表系統(tǒng)顯示器的顯示分辨率

2.2 載人航天器儀表系統(tǒng)紅外觸摸屏的分辨能力

載人航天器儀表系統(tǒng)中，顯示單元所顯示的包括文本、圖形和圖像。目前，要求人機(jī)交互界面能夠?qū)ξ谋竞蛨D形實(shí)現(xiàn)觸摸控制。研究觸摸屏的分辨能力要通過判斷載觸摸屏是否可以檢測(cè)顯示單元的最小像素塊。載人航天器上儀表系統(tǒng)顯示器的顯示分辨率為1 024[×]768，顯示單元的最小像素的尺寸約為0.3 mm。因此要驗(yàn)證遮擋位置變化0.3 mm的光強(qiáng)度變化能否被廣電轉(zhuǎn)換器探測(cè)并達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換器最小分辨值。設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的材料包括：

（1）紅外發(fā)射管IR26?51CL110TR8：構(gòu)成紅外發(fā)射電路，發(fā)出紅外光。

（2）紅外接收管PT26?51B/TR8：構(gòu)成光電轉(zhuǎn)換電路，將接收紅外光轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

（3）JXD?250A型多用途讀數(shù)顯微鏡：提供精確到0.01 mm的距離移動(dòng)，采用刻尺和讀數(shù)鼓輪進(jìn)行讀數(shù)，游標(biāo)相對(duì)固定的刻尺移動(dòng)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)讀數(shù)鼓輪可讀出0.01 mm的分化值。

（4）直流穩(wěn)定電源，數(shù)字萬用表，可調(diào)電阻等。將發(fā)射電路驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)定為5 V。

實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，將光電發(fā)射電路和光電轉(zhuǎn)換電路安裝固定，保持紅外發(fā)射管和紅外接收管對(duì)齊，對(duì)管距離為247 mm，然后使固定遮光板的JXD?250A型多用途讀數(shù)顯微鏡在x軸的位置A以0.1 mm的步徑沿y軸方向逐步遮擋兩管間的紅外光線，記錄對(duì)應(yīng)于不同遮擋程度的輸出電壓。遮擋位置與輸出電壓的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。在位置B和C處重復(fù)上述步驟。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明當(dāng)觸摸物在邊緣位置移動(dòng)0.3 mm時(shí)，電壓變化在0.01 V以上，在中心位置移動(dòng)0.3 mm時(shí)電壓變化可達(dá)0.23 V。原因是紅外發(fā)光管發(fā)出的紅外光強(qiáng)度并不均勻，凸透鏡中部光強(qiáng)度較大，而邊緣部分光強(qiáng)較弱，因此如果邊緣部分遮擋位置變化0.3 mm引起的光強(qiáng)變化能被光電轉(zhuǎn)換電路檢測(cè)到，那么就可以準(zhǔn)確反映觸摸屏是否受到觸摸。而8位ADC可以對(duì)2.5 V電壓實(shí)現(xiàn)的最小分辨量為0.01 V，所以在紅外管邊緣范圍能分辨一個(gè)像素寬的位置變化引起的電壓變化。當(dāng)遮光板處于不同位置時(shí)（靠近紅外發(fā)射管，靠近兩管中間，靠近紅外接收管）實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。所以，遮擋位置變化0.3 mm的光強(qiáng)度變化可以被廣電轉(zhuǎn)換器探測(cè)并達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換器最小分辨值。即當(dāng)采用上述紅外發(fā)射、接收器件，通過一定的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，紅外觸摸屏可以分辨載人航天器儀表顯示單元的最小像素塊。

3 紅外觸摸屏硬件設(shè)計(jì)

3.1 紅外觸摸屏設(shè)計(jì)指標(biāo)及環(huán)境適應(yīng)性要求

3.1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

（1）顯示器尺寸：12.1 inch；顯示屏分辨率：1 024×768。紅外屏電路板外形尺寸見圖3。

（2） 功耗：功耗小于1 W；

（3）響應(yīng)時(shí)間：不大于200 ms；

（4）識(shí)別大小：能識(shí)別直徑不小于5 mm的圓形物體。

3.1.2 環(huán)境適應(yīng)性

（1）工作環(huán)境溫度為0～50 ℃；

（2）能夠適應(yīng)外界自然光的干擾；

（3）工作氣壓為零至一個(gè)大氣壓。

3.2 觸摸屏紅外系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

經(jīng)過對(duì)紅外式觸摸屏原理的研究、紅外觸摸屏分辨能力的分析，根據(jù)載人航天器儀表系統(tǒng)需求，可以對(duì)載人航天器儀表系統(tǒng)紅外觸摸屏硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。紅外觸摸屏由紅外檢測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。紅外檢測(cè)部分用以確定觸摸屏的位置。控制系統(tǒng)一方面協(xié)調(diào)檢測(cè)部分的工作，另一面將紅外檢測(cè)部分傳來的信息加以分析加工。當(dāng)有觸摸操作發(fā)生時(shí)，將位置信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的坐標(biāo)，傳給綜合顯示單元主機(jī)[3]。

紅外發(fā)光管在合適的電流驅(qū)動(dòng)下，發(fā)出紅外線。同一對(duì)管內(nèi)的接收管負(fù)責(zé)接收該紅外線，輸出電壓信號(hào)，經(jīng)過濾波電路后供A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓采集，控制系統(tǒng)經(jīng)過運(yùn)算后判斷是否發(fā)生觸摸，并計(jì)算觸摸位置坐標(biāo)[4]。系統(tǒng)構(gòu)成見圖4。

硬件設(shè)計(jì)的目標(biāo)是能夠按照一定順序?qū)崿F(xiàn)紅外對(duì)管的發(fā)射和接收。控制電路的終端輸出當(dāng)前工作的接收管集電極電壓，需在濾波處理后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，供CPU采集和處理[5]。采用FPGA作為紅外觸摸屏電路的CPU，控制“燈陣”中各對(duì)管的通斷和輸出電壓采集和計(jì)算。

3.3 紅外對(duì)管的選取及控制電路設(shè)計(jì)

紅外觸摸屏作為配套設(shè)備，鑲嵌在儀表設(shè)備表面。為達(dá)到人機(jī)工效學(xué)要求，紅外屏的高度應(yīng)該越短越好，邊框?qū)挾仍秸胶谩Ｓ|摸屏電路板擬采用板材中間掏空，器件分布四周邊框的一體化設(shè)計(jì)。對(duì)于紅外發(fā)射電路，如果紅外觸摸屏上的紅外發(fā)射管同時(shí)發(fā)光，會(huì)相互干擾，所以電路設(shè)計(jì)為使紅外發(fā)射管依次發(fā)光。相應(yīng)地，紅外接收管依次接收同一對(duì)管內(nèi)紅外發(fā)射管的紅外線，每一個(gè)對(duì)管獨(dú)立工作。紅外發(fā)射管和紅外接收管是紅外觸摸屏所必須的器件，在滿足要求的情況下盡量選用小型化器件。

紅外發(fā)射管選用臺(tái)灣億光公司的IR26?51CL110TR8，采用雙端小型表貼封裝，具有低導(dǎo)通電壓，與紅外接收管匹配性強(qiáng)，不含鉛和高分子聚合物等污染物，發(fā)射功率相對(duì)較大等優(yōu)點(diǎn)。它的峰值波長(zhǎng)是940 nm（工作電流為20 mA時(shí)）。光敏三極管選用該公司的PT26?51B/TR8，采用雙端小型表貼封裝，具有響應(yīng)時(shí)間短，靈敏度高，結(jié)電容小，不含鉛和高分子聚合物等污染物，尤其適用于紅外接收[5]。它的靈敏度峰值波長(zhǎng)[6]是940 nm。根據(jù)液晶屏尺寸和紅外器件的尺寸，分布數(shù)量為橫向?qū)?4對(duì)，縱向?qū)?3對(duì)。每一對(duì)對(duì)管的基本工作電路見圖5。當(dāng)發(fā)射管不工作時(shí)，輸出電壓相當(dāng)于電源電壓；當(dāng)發(fā)射管發(fā)射紅外線時(shí)，輸出電壓下降至某點(diǎn)。

紅外發(fā)射管和光敏接收管分別組成“燈陣”。橫向發(fā)射管燈陣及控制電路圖見圖6，縱向發(fā)射管電路設(shè)計(jì)情況相同。紅外發(fā)射管的工作電流為32.5 mA。由于集成電路的輸出無法負(fù)荷該工作電流，采用開關(guān)三極管電路進(jìn)行通斷控制，發(fā)射管正極由54AC138和PNP型三極管控制接通電源，負(fù)極由54HC238和NPN型三極管控制接地。兩端譯碼器的控制線組成發(fā)射管矩陣電路。

紅外接收管采用臺(tái)灣億光公司的PT26?51B?TR8型光敏三極管，與紅外發(fā)射管配對(duì)使用。接收電路采用三極管共射放大電路，接收管工作在放大區(qū)。由RGCC4051模擬開關(guān)控制三極管集電極與電源端導(dǎo)通，54AC138控制發(fā)射極接地。為保證紅外發(fā)射管與相對(duì)的接收管同步工作，采用與發(fā)射管相同的控制信號(hào)，橫向接收電路圖見圖7。縱向接收管電路設(shè)計(jì)情況相同。

3.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

在紅外接收管接收到紅外信號(hào)后，集電極電壓會(huì)發(fā)生顯著變化，通過A/D轉(zhuǎn)換器采集該電壓判斷該對(duì)管位置是否發(fā)生遮擋。控制電路的終端輸出當(dāng)前工作的接收管集電極電壓，需在濾波處理后進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，供CPU采集和處理。

4 算法設(shè)計(jì)

對(duì)于紅外觸摸屏，當(dāng)有觸摸操作時(shí)，只要明確觸摸物體的邊界，即可以中心點(diǎn)作為觸摸位置。根據(jù)紅外屏的特性，在受到光干擾時(shí)運(yùn)行不穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮提高抗光干擾能力。軟件采用了如下設(shè)計(jì)方法：

在電路加電后依次對(duì)所有對(duì)管進(jìn)行初始化，分別記錄第n個(gè)對(duì)管不發(fā)射紅外線和發(fā)射紅外線全通過時(shí)的輸出電壓，并計(jì)算差值ΔUno。由于接收三極管工作在放大狀態(tài)，理想情況下，其差值ΔUno僅為紅外發(fā)射造成的電壓降，與干擾信號(hào)無關(guān)。在不同環(huán)境下，器件參數(shù)會(huì)發(fā)生漂移，該壓差在長(zhǎng)時(shí)間跨度內(nèi)有可能有較大變化，但在短時(shí)間相近的兩次采集，其變化量可以忽略。

在完成初始化后，順序?qū)?duì)管的狀態(tài)進(jìn)行掃描。每個(gè)對(duì)管掃描時(shí)均需計(jì)算前述電壓差ΔUno，若大于前一次記錄值的某一范圍（如80%），則認(rèn)為該對(duì)管沒有被遮擋，更新該數(shù)據(jù)，繼續(xù)掃描下一個(gè)。

若發(fā)生遮擋，則記錄當(dāng)前對(duì)管序號(hào)n1，繼續(xù)掃描至找到最后一個(gè)被遮擋的對(duì)管，記為n2。對(duì)于紅外對(duì)管的光束發(fā)生部分遮擋時(shí)，當(dāng)前輸出電壓差ΔUn1與無遮擋狀態(tài)下的ΔUn1o的比值與通過的紅外“光柱”占整個(gè)發(fā)射管“光柱”寬度的比值是相同的，可以計(jì)算出遮擋物邊界與該對(duì)管的“光柱”一側(cè)邊緣的距離。由于“光柱”的邊界與對(duì)管序號(hào)是已知的線性的關(guān)系，可以計(jì)算出觸摸物兩邊界的位置，其中心點(diǎn)即為觸摸位置。當(dāng)只有一個(gè)對(duì)管被遮擋時(shí)，另一邊界無法確定，觸摸位置定為該對(duì)管的中心點(diǎn)。

5 結(jié) 語

常用的觸摸屏類型中紅外觸摸屏可用手指、筆或任何可阻擋光線的物體來觸摸，不容易受到因操作不當(dāng)而造成的人為損害。由于不對(duì)檢測(cè)器件觸碰，與使用者的使用頻率沒有關(guān)系，其工作壽命取決于工作電路的壽命，因此使用壽命長(zhǎng)，其環(huán)境適應(yīng)性較好，穩(wěn)定性高，無基板框架結(jié)構(gòu)安裝方便，與液晶屏加固沖突較小（液晶屏加固需使用鋼化玻璃加固并在表面進(jìn)行防飛濺處理，在其表面再安裝帶透明基板的觸摸屏，需考慮兩者之間折射、反光，基板強(qiáng)度等問題），同時(shí)紅外觸摸屏驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，電路的可靠性高。由于工作原理和器件特性，在高低溫及真空等條件下均能穩(wěn)定可靠的工作，滿足航天特殊環(huán)境下使用的要求。

本文通過對(duì)紅外式觸摸屏原理的研究、載人航天器儀表系統(tǒng)紅外觸摸屏分辨能力的分析，根據(jù)載人航天器儀表系統(tǒng)的具體要求設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)的紅外觸摸屏的硬件電路。目前商用觸摸屏技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是要觸摸屏技術(shù)應(yīng)用到載人航天器上，還需要做進(jìn)一步的研究工作。這部分工作主要包括熱設(shè)計(jì)及分析、抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)、抗輻射環(huán)境設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)及靜電防護(hù)設(shè)計(jì)。

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