新型并行掃描抗強光紅外觸摸屏模塊設計

夏厚胤，吳 亮，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

觸摸屏技術作為一種人機互交方式已廣泛應用于信息產業、商務、娛樂、金融、公共設施、醫療服務等各個方面［1］。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，適宜惡劣的環境條件。相比其他觸摸屏而言，紅外觸摸屏在清晰度、精確定位、穩定性方面有很大優勢。但紅外接收管的響應波段為770～1 070 nm。紅外觸控屏的缺點在于容易受到環境光尤其是太陽光的干擾。太陽輻射光譜的波長范圍在150～4 000nm，所以紅外接收管的響應波長完全包含在太陽光的輻射光譜的波段內，且在太陽光中，紅外波段的能量占有48.3%。因此，現階段紅外觸摸屏還不能在室外強光的環境中使用。抗強光也一直是紅外觸摸屏難以解決的問題。

目前在紅外屏抗強光問題上提出兩種方式，一是物理防光，；二是電氣防光［2］。

物理防光是通過在紅外屏的設計結構上減少外界光線對紅外接收管的影響，常見的方案有以下幾種：

光準直溝道法是指通過改變紅外接收管的形狀，使其只接收垂直投射過來的紅外光，從而減少了接收斜入射的太陽光［3］。這種方法會減弱紅外接收管的受光面積，衰減紅外接收管的接收信號。

粘貼偏振片法是通過在紅外觸摸屏內框上粘貼偏正片，同一掃描模塊內，紅外發射管與紅外接收管前方的偏振片的方向是一致；相鄰模塊所使用的偏正片方向剛好垂直［4］。這種方法有一定的抗強光能力和減小并行掃描紅外觸摸屏模塊間的干擾，但同樣減弱了紅外接收管的信號。

窄帶帶通濾光條法是通過在紅外觸摸屏內框上加上一層特定波段的窄帶通光條，帶通濾光條會讓紅外發射管中心波段的紅外光通過［5］。這樣太陽光中的大部分強光會被衰減，從而起到抗強光干擾作用。

物理防光只能減小強光的干擾，但同樣會對紅外發射管發出的紅外信號進行衰減，不能從根本上解決強光干擾問題。因而提出了紅外信號的調制與解調的方法，以濾除陽光產生的直流紅外信號，達到強光干擾信號的濾除的目的。

基于選頻放大法的紅外觸摸屏是通過使用濾波器對紅外接收管接收的信號進行選頻放大。太陽光照射在紅外接收管上，產生直流或緩變交流干擾信號這樣的噪聲可以通過濾波器濾除，從而提取出紅外發射管發射的紅外信號［6］。但是濾波法的紅外觸摸屏的選頻Q值較低，元件較多，抗強光能力較弱。且濾波器法的紅外屏系統達到穩定狀態所需要的時間較長（一般需要10個信號周期以上），平均每個管子的掃描時間至少200μs［7］。

基于鎖相放大法的紅外觸摸屏是通過使用利用相關檢測技術，使輸入待測的周期信號與頻率相同的參考信號在相關器中實現互相關，從而將非相關噪聲中的有用信號檢測出來，起著檢測器和窄帶濾波的雙重作用［8－9］。使用鎖相放大器的紅外觸摸屏的選頻Q值較高，較有效的濾除強光干擾，抗強光能力能達到50 000lx。但是使用鎖相放大器的電路復雜，調試較繁，所用元件較多，平均每個管子的掃描時間要大于500μs。

由此看來，抗強光紅外觸摸屏的響應時間主要消耗在掃描的過程上。若將掃描過程轉化為并行工作方式，紅外觸控屏的工作時間將大大縮短。為此，本論文報告了并行工作方式的抗強光紅外觸控屏的結構與檢測結果，其特點在于，觸控屏包含了8個檢測模塊（以下簡稱為模塊），每個模塊使用8種頻率的無源晶振作為紅外發射管發射信號的頻率源，在接收電路使用與之對應的8種頻率的無源晶振作為選頻濾波器件，模塊內部采用并行方式同時檢測8路觸控信號。當紅外接收管接收信號與晶體濾波器的本征頻率一致時，信號可以通過晶體濾波器；當紅外接收管接收信號與晶體濾波器的本征頻率不同時，信號會被極大的衰減，從而達到窄帶濾波器的效果。與前兩種方法相比，采用無源晶振具有結構簡單，Q值高，選頻效果好的優點［10－11］。本論文所提出的8路不同頻率的紅外信號同時、并行發射、接收，保留了抗強光干擾的優點，且將信號檢測時間降低至1／8。與本文類似的工作在國內外均未見報道。

2 并行掃描抗強光紅外觸摸屏模塊總體方案

紅外觸摸屏包含8個檢測模塊和1個主控制器組成。每個檢測模塊中包含有8個并行通道和1個可編程片上系統組成。當檢測模塊檢測到觸摸時發出中斷請求，主控制器響應中斷并讀取檢測模塊給出的觸摸坐標位置。若觸摸發生在兩個檢測模塊之間的位置時，主控器須根據兩模塊給出的觸摸坐標計算出實際的坐標。由此看來，紅外觸控屏總的響應時間主要取決于單個檢測模塊的響應時間。紅外觸控屏總體框架和單個檢測模塊結構示意圖如圖1和圖2所示。

圖1 紅外觸控屏總體框架Fig.1 Overall diagram of infrared touch screen design

圖2 單個檢測模塊結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of one detecting module

系統在運行時，8個檢測模塊共64個紅外信號通道（以下簡稱為“通道”）同時并行工作，每個檢測模塊獨立實現8個通道的觸摸信息檢測，觸控發生時檢測模塊發出中斷信號，然后將觸控位置通過I2C總線傳給主控制器。主控制器在接收完所有檢測模塊的觸摸數據后，計算出觸摸位置，再通過I2C通信將觸摸位置信息傳送給上位計算機。

如上所述，并行掃描抗強光紅外觸摸屏單元模塊的設計方案包括1個可編程片上系統和8個通道，每個通道獨立發射和接收 紅外信號。單個通道包含信號發生、紅外發射、紅外接收、選頻濾波、峰值保持等單元。為使通道性能達到最優，信號發生器的頻率須與選頻濾波器的中心頻率相同。為區分8個通道發出的紅外信號，8個通道的信號發生器的信號頻率均不相同。單個通道的結構示意圖如圖3所示。當模塊運行時，8個通道同時工作，由信號發生器產生的電信號由紅外發射電路轉換成紅外信號，在紅外接收電路處將紅外信號再轉換成電信號，再由選頻濾波電路濾除外界強光產生的低頻噪音和相鄰單元的串擾信號，然后通過信號放大和峰值保持，最終由可編程片上系統內部的模擬電路實現8個通道的信號檢測和電路刷新。

圖3 單個通道結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of one detecting channel

（1）信號產生與紅外發射電路：由于無源晶振作為濾波器時的通頻帶很窄，所以紅外發射信號的信號源的頻率要在其中心頻率上。使用LC振蕩器的信號發生器具有頻率可調，輸出頻帶寬的特點，但輸出頻率不夠穩定。使用有源晶振的信號發生器具有輸出頻率穩定的特點，但有源晶振在100kHz以內只有32.768kHz一種，而本模塊設計需要8種不同頻率的信號發生器，所以也不能滿足設計要求。因此檢測模塊中使用無源晶振，負載電容，反饋電阻，非門組成晶體振蕩電路，其特點是輸出的信號穩定，輸出頻率由無源晶振的并聯諧振頻率決定，可以通過調節負載電容改變振蕩頻率，使輸入信號頻率與無源晶振串行諧振頻率相同。在紅外電路中再增加放大器，使紅外發射管達到額定電流。

（2）紅外接收濾波電路：紅外接收管為光敏電流器件，其光電流隨外界光強增大而增大。因后面有選頻電路，這里的放大器前加電容隔直作簡單的濾波已經足夠。

（3）選頻放大電路：在紅外接收電路輸出信號中即包含了外界強光的直流噪音和低頻噪音，又包含了相鄰發射管發出的高頻串擾信號。選頻電路要有很高的Q值以濾除強光的噪音和模塊內的串擾信號。模塊中選頻電路采用無源晶振，如后所述。

（4）峰值檢測電路：主要包括放大電路、峰值保持電路。

（5）A／D數據生成：采用Psoc 5內部的A／D模塊電路完成。

3 并行掃描抗強光模塊的具體電路設計與分析

本論文設計的并行掃描抗強光檢測模塊的總體框圖如圖4所示。

圖4 并行掃描抗強光模塊的總體框圖Fig.4 Overall diagram of parallel scanning anti－light infrared touch screen module

并行掃描抗強光紅外觸摸模塊包含8個通道。每個通道分別包含非門晶體振蕩器，紅外發射電路，紅外接收電路，無源晶振濾波器，放大電路，峰值保持電路。每個通道內的門振蕩器和無源晶振濾波器的中心頻率相同。8個掃描單元所使用的中心頻率皆不相同，依次為30.072kHz、36kHz、38kHz、38.4kHz、40kHz、48kHz、50 kHz、51.2kHz。

由于Psoc5芯片內的模擬端口不能互連，所以每個單元分別連接到2個Psoc 5的IO口，一個IO（P0.0）實現掃描單元的模數轉換，另一個IO（P0.1）實現電路的刷新。單個通道的具體電路如圖5所示。通道之間除無源晶振頻率不同外，其他器件相同。以下對電路中各部分做詳細介紹和分析。

圖5 單個通道電路圖Fig.5 Circuit diagram of one detecting channel

3.1 信號產生電路

信號發生電路使用30.072kHz、36kHz、38 kHz、38.4kHz、40kHz、48kHz、50kHz、51.2 kHz的無源晶振作為振蕩器的核心器件。電路采用皮爾斯非門振蕩器電路，輸出的信號頻率可以調節到無源晶振串聯諧振頻率。

非門晶體振蕩電路如圖6所示，圖中Ct1和Ct2用于微調振蕩頻率，R1為反饋電路。

由于信號發生器的頻率須與選頻濾波器的中心頻率相同才能使使通道性能達到最優，以下以38kHz晶體振蕩器電路為例說明頻率調整的方法與必要性。

無源晶振的符號及等效電路如圖7所示，Lq為動態電感，Cq為動態電容，rq為動態電阻，Co為靜態電容［12］。從等效電路中可以看出無源晶振有兩個諧振頻率，當無源晶振作為振蕩器時其頻率為并聯諧振頻率，其值為：

圖6 晶體振蕩器電路Fig.6 Circuit diagram of crystal oscillator

圖7 無源晶振符號及等效電路Fig.7 Crystal symbol and equivalent circuit

當無源晶振作為濾波器時，其特征頻率為晶體的串聯諧振頻率，其值為：

無源晶振的Q值為：

38kHz晶振的動態電感Lp為2.744H，動態電容Cq為6.4fF，靜態電容Co為1.3pF，動態電感rq約為150Ω，則：

誠然，無論是個體層面還是群體層面對智商與自殺關系的研究，大多數都是相關研究，無法驗證因果，但是依然提供了這樣的可能性：高智商者能夠無意識地(也可能是有意識地)權衡自殺是否能帶來整體適應度的提高。另外，鑒于自殺這一領域的研究，難以使用實驗室研究來直接確定因果關系，因此使用多方面相關研究來推測因果關系，是較為穩妥合適的方法。

在非門晶體振蕩器中負載電容CL和門電路的延遲t會對輸出信號頻率產生影響。首先考慮負載電容CL的影響，其輸出信號頻率為：

然后考慮門電路延遲的影響，由于門電路的時間延遲t會在非門的反相端產生相位誤差Δθ，由諧振回路的相頻特性可知相位誤差會造成頻率誤差［13］。由CD4069的資料可得時間延遲t＝310ns，fp1為具有負載電容負載電容CL的無源晶振并聯諧振頻率，Q為晶振的品質因數。則相位誤差Δθ和頻率誤差Δf分別為

信號輸出頻率為：

由信號輸出頻率fw對負載電容CL求導可得：

由極限條件可知，

當CL為0時；

當CL為∞時；

由于fw1＞fq＞fw2，fw單調遞減，則存在一個CL的值使輸出頻率fw等于無源晶振串行諧振頻率fq。圖8為實驗中38kHz晶振的負載電容與輸出頻率的曲線圖。

圖8 38kHz無源晶振的負載電容與輸出頻率的關系Fig.8 Relationship between the load capacitance and the output frequency of 38kHz crystal

從圖7中可以看出，當負載電容約為70pF時，輸出頻率等于無源晶振的串行諧振頻率，則說明非門晶體振蕩器可以使通道的性能達到最優。

3.2 紅外發射電路

紅外發射電路由1個紅外發射管，1個限流電阻，運算放大器構成。其電路設計點如圖9所示，圖中電阻Ra1為限流電阻，其值為47Ω。紅外發射管導通電壓Von為0.7V。通過計算可得，紅外發射管最大電流為：

圖9 紅外發射電路Fig.9 Circuit of light emitting diode

3.3 紅外接收濾波電路

紅外接收電路使用1個紅外接收管、2個電阻和1個隔直電容構成，其設計電路如圖10所示。圖10為50 000lx強光下，不同接收電阻上的直流電壓幅值。圖11為在50 000lx光強下，不同接收電路與接收電壓上直流分量的關系曲線圖，從圖11中可以看出，電路中接收電阻RE1選擇10kΩ，強光產生的電壓幅值為電源電壓一半，則為50 000lx光強下最佳接收電阻。

圖10 紅外接收電路Fig.10 Circuit of infrared receiver diode

3.4 選頻電路

圖11 接收電阻與接收電壓直流分量的關系曲線圖Fig.11 Relationship between resistances and DC component of received voltage

模塊中每個通道的選頻電路中心頻率各不相同，分別實現對 30.072kHz、36kHz、38kHz、38.4kHz、40kHz、48kHz、50kHz、51.2kHz的信號選頻。選頻電路以無源晶振為核心，形成無源晶振串聯式選頻網絡，電路如圖12所示。當電路的輸入信號頻率和無源晶振的固有頻率相同時，通過逆壓電——壓電效應，在輸出端輸出無源晶振固有頻率的正弦波。圖13為8種無源晶體在輸入信號電壓為3V，不同輸入頻率和輸出電壓的曲線圖和局部放大圖。

圖12 無源晶振選頻電路Fig.12 Frequency selective circuit of crystal

從圖13中可以看出無源晶振的通頻帶很窄，Q值很高，選頻效果很好；8種無源晶振選頻的中心頻率各不相同，可以濾除模塊內的信號串擾；強光產生的直流和低頻噪音不在無源晶振的通頻帶內，會被選頻電路濾除。

3.5 檢測電路

檢測電路由同相放大電路，峰值保持電路和可編程片上系統芯片Psoc 5內部電路組成，對選頻輸出信號進行放大和檢測。

圖13 無源晶振選頻電路的輸入信號頻率與輸出電壓的關系圖（a）和局部放大圖（b）Fig.13 Relationship between the frequency of input signal and the voltage of output signal and partial enlarged drawing

圖14 信號檢測電路Fig.14 Signal detection circuit

具體電路如圖14所示。其中P0.0和P1.0為為Psoc 5的IO口，同相放大電路使用TI公司的OPA1216運算放大器外加電阻組成。峰值保持電路使用肖特基二極管和電容構成，電容大小為10μF。

可編程片上系統芯片Psoc 5硬件電路原理圖如圖15所示，其功能為實現8通道信號檢測、通道刷新和信息傳遞。由于Psoc 5電路設計規則的限制，模擬端口不能相互連接，所以需要互連的模擬端口只能在外部連接。在設計電路中每個掃描通道連接2個IO，一個IO為信號檢測端口，另一個為通道刷新端口。圖15中實線表示Psoc 5內部連線，虛線表示端口外部需要添加的連線。Psoc 5通過控制Amux＿9模擬復用器實現8通道信號檢測端口的電壓轉換，而連接刷新通道的端口被懸空；然后信號檢測的端口被懸空，停止信號檢測；再通過控制Amux＿1至Amux＿8實現8通道的同時刷新。Psoc 5外部的放電電阻R1～R8的大小均為4.7Ω。并行掃描抗強光紅外觸摸屏單元掃描模塊內的可編程片上系統芯片Psoc 5被設置成從機，觸摸信息通過I2C匯報給主控制器。

圖15 Psoc 5硬件電路原理圖Fig.15 Schematic of Psoc 5hardware circuit

4 并行掃描抗強光紅外觸摸屏模塊的實驗結果及分析

4.1 單個檢測通道的性能驗證

并行掃描抗強光紅外觸摸屏含有8個檢測通道，為測試檢測通道內各部分的電路設計是否達到設計要求，首先對單個檢測通道的性能進行驗證。單個檢測通道的裝置圖如圖16所示。

裝置中包含白熾燈泡，光度計，信號產生電路，紅外發射電路，紅外發射管，紅外接收管，紅外接收電路，選頻電路，峰值保持電路和Psoc 5。其中白熾燈泡作為強光干擾源，光度計用于檢測外界光強。光度計放置于紅外發射管和紅外接收管同一平面上，并緊靠紅外接收管。在檢測通道中共設有3個檢測點，使用示波器作為檢測儀器，分別檢測紅外發射信號的波形，紅外接收信號的波形和選頻電路的輸出波形。

圖16 單個檢測通道實驗裝置圖Fig.16 Configuration diagram of one detecting channel test

圖17 信號產生電路的輸出波形Fig.17 Output waveform of the signal generating circuit

圖18 強光環境下接收電路的輸出波形Fig.18 Output waveform of infrared receiver circuit under the strong light

圖19 強光環境下接收電路輸出信號的交流分量波形圖Fig.19 Output waveform of AC component of infrared receiver circuit under the strong light

圖20 選頻電路的輸出波形Fig.20 Output waveform of frequency selective circuit

實驗開始時，先觀察紅外發射信號檢測點和選頻信號檢測點，通過調節信號產生電路的負載電容使選頻電路的輸出信號達到最大值，即信號產生電路的輸出信號頻率等于無源晶振的串行諧振頻率。然后將白熾燈泡通電并直接照射紅外接收管，在貼近接收管的地方放置光度計探頭，用以測試強光環境下接收電路的輸出波形，并使用光度計測得外界光強度。

圖17為信號產生電路的輸出波形，圖18為外界光強為512001x下，接收電路的輸出波形，圖19為外界光強為51 200lx下，接收電路輸出信號的交流分量波形圖，圖20為選頻電路的輸出波形。實驗表明檢測通道可以濾除強光干擾，實現紅外信號的調制、解調過程，系統穩定可靠。

4.2 并行掃描抗強光紅外觸摸屏模塊的性能測試

并行掃描抗強光紅外觸摸屏模塊的性能測試裝置如圖21所示。

圖21 模塊的實驗裝置圖Fig.21 Configuration diagram of the module

裝置中包含8個檢測通道，1個Psoc5芯片，1個主控制器，白熾燈泡，光度計和上位計算機。8個檢測通道的內部裝置一樣，如圖16所示。Psoc5芯片使用I2C通信，將通道檢測情況匯報給與主控制器。主控制器使用串口和上位機通信。

實驗開始時，通過單個通道的測試方法調整8個檢測通道信號產生電路的輸出頻率。然后將白熾燈泡通電，檢測強光環境中接收電路的飽和度狀況。最后檢測強光環境中各通道遮擋狀況與Psoc5A／D轉換后的量化值之間的關系。

表1為外界光強為51200lx下，無外界遮擋時，檢測模塊的飽和度測試結果。表2為外界光強為51 200lx，信號接收性能測試結果，即各通道遮擋狀況與Psoc5A／D轉換后的量化值之間的關系。

表1 強光下飽和度測試結果表Tab.1 Result of saturation testunder the strong light

從表1中可以看出，外界光強為51200lx時，每個通道上接收電阻的直流信號電壓幅值與交流信號電壓幅值之和小于供電電壓5V，則說明接收管未飽和，選頻電路可以提取出對側紅外發射管發射的紅外信號。表1的整體結果說明本設計模塊在外界光強為51200lx時可以正常工作。

從表2中可以看出，外界光強為51200lx時，當無遮擋時，每個接收通道都可以接收到較強的紅外信號；當通道全都被遮擋時，每個接收通道都不能夠接收到紅外信號；當只有單一通道被遮擋時，只會減小當前遮擋通道的紅外接收信號，而不對其他通道的紅外接收信號造成影響，即遮擋通道的紅外信號不會對其他通道產生串擾。

表2 強光下信號接收測試結果表Tab.2 Results of signal receiving testunder the strong light

4.3 并行掃描抗強光紅外觸摸屏模塊的性能分析

傳統的并行掃描抗強光紅外觸摸屏模塊［14］中，無源晶振的頻率為32.768kHz，無源晶振穩定所需要的信號周期數為16。UART在等待無源晶振穩定時通信，縮短掃描周期。則單個檢測單元占用的時間為480μs。由于模塊內部使用串行掃描的方式，則傳統的抗強光并行掃描模塊完成一次檢測的時間為3 840μs.在本論文中設計的并行掃描紅外觸摸屏模塊，使用的無源晶振最小頻率為30.072kHz，系統等待信號無源晶振穩定的最長時間為532μs。通道切換時間為5.5μs，AD轉換時間為20μs，I2C發送8個通道的檢測值的時間為110μs，通道刷新的時間為112μs。由于本設計模塊內部8個通道同時工作，Posc 5根據通道中無源晶振的頻率從高到底依次檢測。模塊完成所有通道檢測的時間為552μs。I2C在Posc5等待無源晶振穩定時通信，縮短檢測周期。則本模塊的掃描周期為通道檢測時間和通道刷新時間之和，其值為664μs。表3為本論文設計的抗強光并行掃描模塊與傳統的無源晶振法抗強光模塊之間的數據對比。表4為本論文設計模塊與一般紅外屏的性能對比表［3］。

從表3中可以上可以看出傳統的紅外觸摸屏模塊具有很高的抗強光能力，實現了紅外觸摸屏在強光干擾下的正常使用。但是受限于單個掃描通道的檢測時間影響，使用傳統無源晶振法的抗強光紅外觸摸屏難以滿足觸摸屏響應時間的要求。本論文在相同的抗強光干擾能力下，設計出減小掃描通道平均檢測時間的并行掃描抗強光模塊，提升了紅外觸摸屏的掃描速度，縮短了紅外觸摸屏的掃描周期。

從表4中可以看出本論文設計的并行掃描抗強光模塊無論是抗強光能力還是掃描速度都優于一般的紅外觸摸屏。

表3 本設計模塊與傳統模塊性能對比表Tab.3 New module and traditional module performance comparison table

表4 本設計模塊與傳統紅外觸摸屏性能對比表Tab.4 New module and traditional infrared screen performance comparison table

5 結 論

本文從并行紅外觸摸屏的強光干擾問題和信號間的串擾問題入手，采用8種無源晶振作為紅外發射信號的核心器件，調節發射信號的頻率為無源晶振的串聯諧振頻率。使用8種無源晶振對接收信號選頻，既濾除了強光干擾的低頻信號，又濾除了管間串擾信號，提高了紅外觸摸屏的平均掃描速度，減小了抗強光紅外觸摸屏掃描周期，為并行掃描抗強光紅外觸摸屏提供了新方法。

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