基于K60單片機(jī)的紅外多點(diǎn)觸摸屏硬件設(shè)計(jì)

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(kāi)車(chē)等環(huán)境，得到廣泛應(yīng)用。本文根據(jù)紅外觸摸屏的檢測(cè)原理，以飛思卡爾K60單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)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(jī)；掃描

0 引言

紅外觸摸屏是在觸摸屏的四周布滿(mǎn)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(duì)應(yīng)的位置關(guān)系，形成一張由紅外線(xiàn)布成的光網(wǎng)，當(dāng)有物體（可以是手指，帶手套的手或任何觸摸物體）進(jìn)入紅外光網(wǎng)阻擋住某處的紅外線(xiàn)發(fā)射接收時(shí)，此點(diǎn)的橫豎兩個(gè)方向的接收紅外管接收到的紅外線(xiàn)的強(qiáng)弱就會(huì)發(fā)生變化，設(shè)備通過(guò)了解紅外線(xiàn)的接收情況的變化就能知道何處進(jìn)行了觸摸。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(lái)完成接收管和發(fā)射管的矩陣掃描。然后控制信號(hào)處理模塊，不斷循環(huán)采集接收管的電壓幅度值。當(dāng)有觸摸物進(jìn)入觸摸區(qū)域時(shí)，由于對(duì)光線(xiàn)的遮擋，對(duì)應(yīng)的接收管采集到的電壓值必然發(fā)生變化，此時(shí)通過(guò)與之前的值進(jìn)行比較和運(yùn)算，就可計(jì)算出觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)。最后再將得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)USB發(fā)送給PC機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)觸摸定位功能。

2 單片機(jī)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(diǎn)，其片內(nèi)128KB的RAM，512KB的FLASH，高達(dá)16位精度A/D采樣模塊和多通道的DMA模塊完全滿(mǎn)足了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的需要。同時(shí)K60包含DSP內(nèi)核，通過(guò)庫(kù)函數(shù)調(diào)用，方便進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算以及數(shù)字信號(hào)處理，可以減輕硬件負(fù)擔(dān)，加快信號(hào)處理速度，減小響應(yīng)時(shí)間。

3 紅外發(fā)送與接收電路設(shè)計(jì)

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(guò)74HC164和74HC138構(gòu)成n*n（實(shí)驗(yàn)以8*8做測(cè)試）掃描電路。74HC164為移位寄存器，它每次只使一個(gè)輸出腳為高電平，74HC138為38譯碼器，它每次只使一個(gè)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(dāng)Cn輸入低脈沖、COUTn為低電平時(shí)，紅外發(fā)射管點(diǎn)亮。改變Cn和COUTn，即可使不同發(fā)射管點(diǎn)亮，擴(kuò)展此電路即可實(shí)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(kāi)關(guān)特性來(lái)實(shí)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(dāng)接收管接收到相應(yīng)波長(zhǎng)的紅外光時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定大小的光電流，R109將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，Qn接入74LS151數(shù)據(jù)選擇器輸入端，將電壓信號(hào)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(duì)應(yīng)的接收管同時(shí)工作。

74LS151為互補(bǔ)輸出的8選1數(shù)據(jù)選擇器，它配合74HC164也能實(shí)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(jí)的放大器進(jìn)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(jí)別的電壓信號(hào)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大才能滿(mǎn)足模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD的信號(hào)采集范圍。我們選擇低噪聲、低失真的放大器AD8330對(duì)模擬光電信號(hào)進(jìn)行放大，在高增益下通過(guò)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(jì)中可以靈活的使用整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，而不會(huì)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(jì)算出的坐標(biāo)信息發(fā)送給主控設(shè)備。設(shè)計(jì)中，采用RS-232通信協(xié)議，應(yīng)用MAX3232芯片吧單片機(jī)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(jiǎn)單，硬件實(shí)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(duì)電源電壓進(jìn)行降壓處理。本系統(tǒng)采用LM1117-3.3V進(jìn)行穩(wěn)壓處理，LM1117-3.3V是一個(gè)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(guò)熱保護(hù)和限流電路，因此能保證正常、穩(wěn)定的給整個(gè)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(kāi)。

6 總結(jié)

系統(tǒng)掃描方面占用的時(shí)間最多，約為總體時(shí)間的90%，因此本文重點(diǎn)放在減少掃描時(shí)間上。系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)對(duì)元器件精確度要求比較高，特別是運(yùn)算放大器抗噪聲能力和抗漂移能力要求很高。接收光信號(hào)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(huà)，有用信號(hào)會(huì)被噪聲所湮沒(méi)，所以本文又增加了濾波電容，減少環(huán)境光對(duì)系統(tǒng)的干擾。

【參考文獻(xiàn)】

[1]曾一雄.基于STM32的抗強(qiáng)光多點(diǎn)紅外觸摸屏的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2013.

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

[3]劉建軍，葉新林，劉新斌. 一種識(shí)別紅外觸摸技術(shù)上多個(gè)觸摸點(diǎn)的方法[P].中國(guó)：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(zé)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(kāi)車(chē)等環(huán)境，得到廣泛應(yīng)用。本文根據(jù)紅外觸摸屏的檢測(cè)原理，以飛思卡爾K60單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)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(jī)；掃描

0 引言

紅外觸摸屏是在觸摸屏的四周布滿(mǎn)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(duì)應(yīng)的位置關(guān)系，形成一張由紅外線(xiàn)布成的光網(wǎng)，當(dāng)有物體（可以是手指，帶手套的手或任何觸摸物體）進(jìn)入紅外光網(wǎng)阻擋住某處的紅外線(xiàn)發(fā)射接收時(shí)，此點(diǎn)的橫豎兩個(gè)方向的接收紅外管接收到的紅外線(xiàn)的強(qiáng)弱就會(huì)發(fā)生變化，設(shè)備通過(guò)了解紅外線(xiàn)的接收情況的變化就能知道何處進(jìn)行了觸摸。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(lái)完成接收管和發(fā)射管的矩陣掃描。然后控制信號(hào)處理模塊，不斷循環(huán)采集接收管的電壓幅度值。當(dāng)有觸摸物進(jìn)入觸摸區(qū)域時(shí)，由于對(duì)光線(xiàn)的遮擋，對(duì)應(yīng)的接收管采集到的電壓值必然發(fā)生變化，此時(shí)通過(guò)與之前的值進(jìn)行比較和運(yùn)算，就可計(jì)算出觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)。最后再將得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)USB發(fā)送給PC機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)觸摸定位功能。

2 單片機(jī)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(diǎn)，其片內(nèi)128KB的RAM，512KB的FLASH，高達(dá)16位精度A/D采樣模塊和多通道的DMA模塊完全滿(mǎn)足了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的需要。同時(shí)K60包含DSP內(nèi)核，通過(guò)庫(kù)函數(shù)調(diào)用，方便進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算以及數(shù)字信號(hào)處理，可以減輕硬件負(fù)擔(dān)，加快信號(hào)處理速度，減小響應(yīng)時(shí)間。

3 紅外發(fā)送與接收電路設(shè)計(jì)

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(guò)74HC164和74HC138構(gòu)成n*n（實(shí)驗(yàn)以8*8做測(cè)試）掃描電路。74HC164為移位寄存器，它每次只使一個(gè)輸出腳為高電平，74HC138為38譯碼器，它每次只使一個(gè)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(dāng)Cn輸入低脈沖、COUTn為低電平時(shí)，紅外發(fā)射管點(diǎn)亮。改變Cn和COUTn，即可使不同發(fā)射管點(diǎn)亮，擴(kuò)展此電路即可實(shí)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(kāi)關(guān)特性來(lái)實(shí)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(dāng)接收管接收到相應(yīng)波長(zhǎng)的紅外光時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定大小的光電流，R109將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，Qn接入74LS151數(shù)據(jù)選擇器輸入端，將電壓信號(hào)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(duì)應(yīng)的接收管同時(shí)工作。

74LS151為互補(bǔ)輸出的8選1數(shù)據(jù)選擇器，它配合74HC164也能實(shí)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(jí)的放大器進(jìn)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(jí)別的電壓信號(hào)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大才能滿(mǎn)足模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD的信號(hào)采集范圍。我們選擇低噪聲、低失真的放大器AD8330對(duì)模擬光電信號(hào)進(jìn)行放大，在高增益下通過(guò)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(jì)中可以靈活的使用整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，而不會(huì)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(jì)算出的坐標(biāo)信息發(fā)送給主控設(shè)備。設(shè)計(jì)中，采用RS-232通信協(xié)議，應(yīng)用MAX3232芯片吧單片機(jī)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(jiǎn)單，硬件實(shí)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(duì)電源電壓進(jìn)行降壓處理。本系統(tǒng)采用LM1117-3.3V進(jìn)行穩(wěn)壓處理，LM1117-3.3V是一個(gè)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(guò)熱保護(hù)和限流電路，因此能保證正常、穩(wěn)定的給整個(gè)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(kāi)。

6 總結(jié)

系統(tǒng)掃描方面占用的時(shí)間最多，約為總體時(shí)間的90%，因此本文重點(diǎn)放在減少掃描時(shí)間上。系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)對(duì)元器件精確度要求比較高，特別是運(yùn)算放大器抗噪聲能力和抗漂移能力要求很高。接收光信號(hào)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(huà)，有用信號(hào)會(huì)被噪聲所湮沒(méi)，所以本文又增加了濾波電容，減少環(huán)境光對(duì)系統(tǒng)的干擾。

【參考文獻(xiàn)】

[1]曾一雄.基于STM32的抗強(qiáng)光多點(diǎn)紅外觸摸屏的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2013.

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

[3]劉建軍，葉新林，劉新斌. 一種識(shí)別紅外觸摸技術(shù)上多個(gè)觸摸點(diǎn)的方法[P].中國(guó)：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(zé)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(kāi)車(chē)等環(huán)境，得到廣泛應(yīng)用。本文根據(jù)紅外觸摸屏的檢測(cè)原理，以飛思卡爾K60單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)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(jī)；掃描

0 引言

紅外觸摸屏是在觸摸屏的四周布滿(mǎn)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(duì)應(yīng)的位置關(guān)系，形成一張由紅外線(xiàn)布成的光網(wǎng)，當(dāng)有物體（可以是手指，帶手套的手或任何觸摸物體）進(jìn)入紅外光網(wǎng)阻擋住某處的紅外線(xiàn)發(fā)射接收時(shí)，此點(diǎn)的橫豎兩個(gè)方向的接收紅外管接收到的紅外線(xiàn)的強(qiáng)弱就會(huì)發(fā)生變化，設(shè)備通過(guò)了解紅外線(xiàn)的接收情況的變化就能知道何處進(jìn)行了觸摸。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(lái)完成接收管和發(fā)射管的矩陣掃描。然后控制信號(hào)處理模塊，不斷循環(huán)采集接收管的電壓幅度值。當(dāng)有觸摸物進(jìn)入觸摸區(qū)域時(shí)，由于對(duì)光線(xiàn)的遮擋，對(duì)應(yīng)的接收管采集到的電壓值必然發(fā)生變化，此時(shí)通過(guò)與之前的值進(jìn)行比較和運(yùn)算，就可計(jì)算出觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)。最后再將得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)USB發(fā)送給PC機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)觸摸定位功能。

2 單片機(jī)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(diǎn)，其片內(nèi)128KB的RAM，512KB的FLASH，高達(dá)16位精度A/D采樣模塊和多通道的DMA模塊完全滿(mǎn)足了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的需要。同時(shí)K60包含DSP內(nèi)核，通過(guò)庫(kù)函數(shù)調(diào)用，方便進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算以及數(shù)字信號(hào)處理，可以減輕硬件負(fù)擔(dān)，加快信號(hào)處理速度，減小響應(yīng)時(shí)間。

3 紅外發(fā)送與接收電路設(shè)計(jì)

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(guò)74HC164和74HC138構(gòu)成n*n（實(shí)驗(yàn)以8*8做測(cè)試）掃描電路。74HC164為移位寄存器，它每次只使一個(gè)輸出腳為高電平，74HC138為38譯碼器，它每次只使一個(gè)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(dāng)Cn輸入低脈沖、COUTn為低電平時(shí)，紅外發(fā)射管點(diǎn)亮。改變Cn和COUTn，即可使不同發(fā)射管點(diǎn)亮，擴(kuò)展此電路即可實(shí)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(kāi)關(guān)特性來(lái)實(shí)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(dāng)接收管接收到相應(yīng)波長(zhǎng)的紅外光時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定大小的光電流，R109將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，Qn接入74LS151數(shù)據(jù)選擇器輸入端，將電壓信號(hào)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(duì)應(yīng)的接收管同時(shí)工作。

74LS151為互補(bǔ)輸出的8選1數(shù)據(jù)選擇器，它配合74HC164也能實(shí)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(jí)的放大器進(jìn)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(jí)別的電壓信號(hào)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大才能滿(mǎn)足模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD的信號(hào)采集范圍。我們選擇低噪聲、低失真的放大器AD8330對(duì)模擬光電信號(hào)進(jìn)行放大，在高增益下通過(guò)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(jì)中可以靈活的使用整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，而不會(huì)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(jì)算出的坐標(biāo)信息發(fā)送給主控設(shè)備。設(shè)計(jì)中，采用RS-232通信協(xié)議，應(yīng)用MAX3232芯片吧單片機(jī)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(jiǎn)單，硬件實(shí)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(duì)電源電壓進(jìn)行降壓處理。本系統(tǒng)采用LM1117-3.3V進(jìn)行穩(wěn)壓處理，LM1117-3.3V是一個(gè)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(guò)熱保護(hù)和限流電路，因此能保證正常、穩(wěn)定的給整個(gè)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(kāi)。

6 總結(jié)

系統(tǒng)掃描方面占用的時(shí)間最多，約為總體時(shí)間的90%，因此本文重點(diǎn)放在減少掃描時(shí)間上。系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)對(duì)元器件精確度要求比較高，特別是運(yùn)算放大器抗噪聲能力和抗漂移能力要求很高。接收光信號(hào)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(huà)，有用信號(hào)會(huì)被噪聲所湮沒(méi)，所以本文又增加了濾波電容，減少環(huán)境光對(duì)系統(tǒng)的干擾。

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[責(zé)任編輯：湯靜]