紅外觸摸屏抗強光干擾的設計與實現

權蕾　朱莉

摘 要：紅外觸摸屏的使用越來越廣泛，針對其易受紅外光干擾的缺點，本文采用電氣防光和物理防光兩方面的措施進行解決。通過箝位電路消除信號中環境光的直流分量，利用增益放大電路提高信噪比，不僅提升了觸摸屏的抗光干擾能力，并且有助于提高信號的采樣精度，同時設計了左右兩側分別排布發射管和接收管的雙備份布局方式，再配合使用濾色片，經實驗證明解決了紅外觸摸屏的抗強光干擾問題。

關鍵詞：紅外觸摸屏；抗強光干擾；箝位，增益放大；雙備份

在日常生活中，觸摸屏隨處可見，應用相當普及，已經成為人機界面的標準配置，給使用者帶來極大的方便。紅外觸摸屏作為觸摸屏的一種，它由安裝在觸摸屏外框上的紅外發射管和接收管構成，發射管和接收管互相對應，形成橫豎交叉的紅外線探測矩陣，當發生觸摸時，觸摸物會擋住經過該位置的橫豎兩條紅外線，控制電路通過計算即可判斷出觸摸點的位置。紅外觸摸屏的特點是防爆且不隨環境變化產生漂移，不受電流、電壓和靜電的干擾，適宜惡劣的環境條件，對觸摸物沒有要求，最大的優點是100%透光率；其缺點主要是會受強紅外線干擾，如遙控器或者太陽光中的紅外光。針對該缺點，本文采用了新型的設計方案，包括電氣防光和物理防光，確保紅外觸摸屏可實現抗強光干擾的功能。

1 電氣防光

電氣防光是指從電路的角度出發，通過設計合理的軟硬件電路來使紅外觸摸屏達到防紅外光的效果。本系統的電路總體框架如圖1所示，一是紅外發射電路子模塊，二是紅外接收電路子模塊，三是控制電路子模塊。

在紅外發射和接收電路模塊，采用了新型的紅外管雙備份布局方式；在控制電路模塊，主要通過設計箝位電路和增益放大電路，來實現抗強光干擾的功能。

1.1 紅外管雙備份布局

當紅外接收管處于強光照射的環境中時，很容易達到飽和狀態，導致無法識別觸摸動作，因此必須采取措施進行處理。本文利用陽光直射的單一方向性設計了新型的紅外管雙備份布局方式，解決了強光干擾問題。

如圖2所示，紅外觸摸屏的上邊框排布接收管，下邊框排布發射管，左右兩側邊框則都排布了發射管和接收管。

在圖2中，所有的接收管均排布在發射管的后排，最大程度的減少入射陽光的影響。由于觸摸屏是配合顯示器使用的，顯示器正常垂直放置，陽光不可能從下側射入，因此下邊框排布了發射管，與太陽光反向，排除干擾。而左右兩側，則都有可能受到陽光照射，因此分別布置了發射管和接收管。

在同一個時刻，陽光只會從一側射入，當光強使得一側的接收管達到飽和無法檢測觸摸時，另一側的接收管由于與陽光反向，完全不受影響，仍處于正常工作狀態，因此只需要單邊即可完成觸摸檢測功能和坐標計算功能。只使用一邊，相當于觸摸屏Y方向的物理分辨率減少了一半，觸摸精度一定會收到影響，但由于作為長邊的X方向不受影響，所以從整體上看，短邊Y方向帶來的影響不大。

該方案簡單可靠，不需復雜的軟硬件設計，有效地解決了紅外觸摸屏在強光條件下觸摸失效或誤操作的問題。

1.2 箝位電路

當環境光的強度不大，不足以使紅外接收管達到飽和狀態時，常用的做法是在觸摸屏的初始化階段關閉所有的發射管，接收管對環境光進行采樣，將此采樣值存儲起來，當正常工作檢測觸摸計算坐標時，再將初始化的值減掉。這樣做一是增加主控制器的負擔，二是當環境光強度有所改變時，不能實時檢測。因此，本文設計了一種新型的箝位電路，來消除環境光的干擾。

所謂箝位，就是將信號疊加到某一電平上使之保持相對的恒定。箝位電路就是將脈沖信號波形的頂部或底部固定在一個確定的直流電平上，而使原信號其余部分的波形保持不變的電路。箝位電路可以使失去直流分量的脈沖信號恢復直流成分。

在本系統中，紅外接收電路收到的是一個個高頻脈沖信號，環境光可以看成是直流信號，因此可以采用箝位的方法，消除環境光的影響。設計中只需要一個電容和模擬開關就可以完成，如圖3所示。

電容器是一個在其電場中儲存能量的無源元件，對直流電而言，電容是開路的，對高頻而言，電容相當于短路。設計中正是巧妙利用了電容高頻短路這一特點，濾除環境光的直流分量。

電容與模擬開關的工作狀態是：在發射管未工作時，接收管只收到環境光，此時命令模擬開關導通，近似為直流信號的環境光被迅速過濾掉，輸出被強制拉為參考電壓；在發射管工作時，命令模擬開關斷開，電容對高頻脈沖導通，則輸出的信號就是濾除掉環境光的有用信號。該方法設計簡單，成本低廉。

為了保證采樣的可靠性，本系統設計了三級箝位，同時配合三級增益放大。其原理框圖如圖4所示。

圖4 接收信號處理框圖

三級箝位和三級增益放大的作用各不相同。第一級箝位電路的參考電平為0.5V，遠高于環境光的0.05V左右，目的是排除環境光甚至強光的影響，將接收脈沖的底部穩定在0.5V；第一級增益放大的倍數不能太大，因為會同時將脈沖底部的0.5V放大。第二級箝位參考電平為0V，將脈沖底部拉回低電平；第二級增益放大利用軟件可調，實現對每一顆接收管的信號分別調整增益的功能。第三級箝位和增益放大電路再將信號做一次處理，使數據的準確性大大提高，避免了環境光的影響。

在系統實現過程中，采用的箝位電路原理如圖5所示。

74HCT4066是PHILIPS公司生產的可控四通道高速模擬開關，根據控制腳電平的高低開關相應的通道，高電平打開，低電平關閉。利用電容與開關的配合，實現直流分量的濾除。由于74HCT4066通道多，因此，1片74HCT4066即可完成三級箝位。

2 物理防光

除了采用改進電路的措施，本系統還對觸摸屏進行了物理防光處理，在紅外管的前方加裝紅外光譜波段濾色片，減少或消除紅外發射管主波峰波段外的環境散射光影響，提高觸摸屏抗環境散射光的能力。在濾色片的選擇上，由于本系統的紅外發射管主波波長為940nm，因此設計濾色片波段通過范圍為940±20nm，就可以消除環境光中770 nm～920 nm及960nm～1200 nm波長紅外波段環境雜散光對紅外接收管的干擾。

安裝時，將電路板的背面朝上，這樣紅外管隱藏在電路板下方，不容易被環境光直射，只要保證紅外發射管和對應的接收管處于同一個水平線，就不會影響正常的發射與接收；然后在外框的內側即紅外管的前方裝上濾色片，如圖6所示。

圖6 濾色片安裝結構圖

另外，在制作印制板時，也有細節方面的改進，常規的印制板是綠色的，本系統改為黑色印制板，減少環境光的反射與散射。

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