星載高分辨率紅外觸摸屏的設計與實現

李泰國　李文新　董義鵬　馬　文　夏加高

(蘭州空間技術物理研究所，甘肅 蘭州　730000)

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星載高分辨率紅外觸摸屏的設計與實現

李泰國李文新董義鵬馬文夏加高

(蘭州空間技術物理研究所，甘肅 蘭州730000)

針對航天電子產品特殊的應用環境，為優化航天儀表產品人機交互方式，研究了基于現場可編程門陣列(FPGA)+數字信號處理(DSP)架構的星載高分辨率紅外觸摸屏的設計與實現方法。在介紹了星載紅外觸摸屏系統整體架構的基礎上，詳細闡述了星載紅外觸摸屏的硬件設計、FPGA設計、圖形用戶界面(GUI)設計以及基于拉格朗日插值的DSP算法設計。針對星載紅外觸摸屏的特殊用途，分析了星載紅外觸摸屏的可靠性設計；對裝配完成后的星載紅外觸摸屏進行了系統性能測試。測試結果表明，該系統簡單可靠、工作穩定、屏幕分辨率高，可以滿足航天儀表產品的特殊需求。

航天儀表人機交互紅外觸摸屏拉格朗日插值可靠性系統性能DSP算法FPGAGUI

0　引言

在航天領域中，傳統的儀表產品都使用按鍵進行人機交互。觸摸屏作為新的輸入設備，是目前較為簡單、方便、自然的人機交互方式，它比鍵盤操作更直觀[1]。此外，紅外觸摸屏與現有的電容觸摸屏、電阻觸摸屏等相比，其優勢是完全透光，不影響顯示器的清晰度，而且不受電流、電壓和靜電干擾，能適應惡劣的電磁工作環境。由于太空環境是一個微重力、高真空、超高或超低溫、強輻射和等離子體的環境，航天電子產品不但要適應苛刻的太空環境，還要經過嚴格的沖擊、振動、熱真空及高低溫試驗的考核。因此，紅外觸摸屏在航天儀表產品領域中具有很好的應用前景。本文設計的紅外觸摸屏可靠穩定、分辨率高，可以滿足載人航天儀表產品的特殊需求。

1　系統架構設計

1.1系統描述

星載高分辨率紅外觸摸屏采用現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)+數字信號處理(digital signal processing,DSP)架構，由FPGA對紅外觸摸屏硬件進行控制與通信。FPGA通過A/D轉換電路周期性地采集紅外觸摸屏紅外發射管在開/關兩種狀態下的電壓值，FPGA將采集到的電壓值分組保存到數據緩存器中，DSP通過響應中斷讀出數據緩存器中的電壓值[2-3]。紅外觸摸運算器根據數據緩存器中的電壓值確定本次觸摸事件的觸摸區間，并判斷是單點觸摸還是多點觸摸。當判斷為單點觸摸時，由紅外觸摸運算器對觸摸區間的電壓數據作拉格朗日插值運算，由插值運算后的極值確定本次觸摸的觸摸物理坐標。將觸摸的物理坐標轉換為屏幕坐標后傳遞給圖形用戶界面(graphical user interface,GUI)，GUI根據坐標信息進行相關的觸摸事件響應。

1.2系統構成

星載高分辨率紅外觸摸屏系統由以下幾部分組成：紅外觸摸屏硬件模塊、FPGA模塊、DSP算法模塊、GUI顯示模塊。其中，紅外觸摸屏硬件部分包括紅外發射管、紅外接收管、A/D轉換電路、紅外對管選通電路、濾波電路等。FPGA采用Xilinx Virtex-II(TM)產品，型號為XQR2V3000-4BG728V。DSP采用TI的SMJ320C6415。紅外觸摸屏系統總體框圖如圖1所示。

圖1　系統總體框圖Fig.1　Overall block diagram of system

2　硬件設計

星載高分辨率紅外觸摸屏硬件的設計目標是：按照一定順序實現紅外對管的發射和接收控制。由于紅外發射管在發射紅外線時有一定的發散角度，在紅外對管排列較為緊密時，同時檢測多個紅外對管會對相鄰管間產生干擾。因此，在設計時需考慮某一時刻僅允許有1個對管工作[4]。

本文設計的紅外觸摸屏使用歐司朗公司的紅外發射管SFH4255和紅外接收管SFH325FA。根據屏幕的觸摸區域和紅外對管的尺寸，確定X方向共使用47個對管(序號為0到46)，Y方向共使用35個對管(序號從0到34)。利用邏輯電路和分立器件構成的開關電路，控制發射管正極與電源，以及負極與地端的通斷，達到控制燈陣中發射管的目的。同理，控制接收管集電極與電阻，以及發射極與地端的通斷，使發射管對應的接收管的電壓被采集。

紅外發射管和光敏接收管分別組成“燈陣”，由54AC138、54HC238和RGCC4051這3種具有有效輸出唯一性的集成電路組成控制電路，保證在同一時刻僅有1個對管工作。

受紅外觸摸屏電路板尺寸和布局限制,在滿足要求的情況下，其與FPGA的接口應盡量少。因此，A/D轉換電路選擇了16位串行A/D轉換器AD677，轉換周期為10 μs。電壓參考器件為輸出可編程器件AD584，輸出參考電壓為5 V。

3　軟件設計

3.1FPGA

星載高分辨率紅外觸摸屏系統中，FPGA的功能是紅外屏硬件電路的控制、時序控制以及A/D數據的采集與存儲。首先，FPGA控制紅外發射管驅動電路，當紅外發射管關閉時，采集紅外接收管電極電壓Ug并保存到指定的存儲區域。然后控制紅外發射管驅動電路打開紅外發射管，采集紅外接收管電極電壓Uad并保存到指定存儲區域。按照先Y軸(M對紅外管)后X軸(N對紅外管)的順序，依次采集在紅外發射關閉和打開情況下U1和U2的A/D值并進行保存。在采集完成后，FPGA向DSP產生中斷，由DSP讀取采集后的數據。

3.2DSP算法設計

紅外觸摸屏在整屏掃描的過程中，由FPGA對同一組對管接收管電極電壓采集2次，分別是紅外發射管關閉時的電壓Ug和打開時的電壓Uad。當有觸摸操作時，紅外發射管發射的紅外光被遮擋，Ug和Uad的差值ΔU很小，理想情況下為0。當無觸摸操作時，紅外發射管發射的紅外光線照射在接收管上。假定紅外發射管發射的紅外光在接收管的基極產生光電流ib，外界環境光在基極產生的電流為ib1，則二者疊加后在集電極產生的電壓降為(ib+ib1)×β×R2。此時ΔU=U1-U2=Ucc-ib1×β×R2-[Ucc-(ib+ib1)×β×R2]。該電壓差值只與發射管的光照強度和接收管的放大倍數有關。所以，在紅外觸摸屏坐標定位算法中，采用電壓差值作為判斷觸摸屏是否發生觸摸事件的依據，可以有效地排除環境光因素的影響、提高判斷的準確性。在星載高分辨率紅外觸摸屏系統中，觸摸屏坐標定位算法的基本思想如下：

FPGA控制紅外觸摸屏底層硬件完成數據采集后，會產生DSP中斷，DSP響應中斷后從指定存儲區域讀取數據。DSP將紅外發射管關閉時的A/D采集值保存至數組Ug[M]，將紅外發射管打開時的A/D采集值保存至數組Uad[N]。在X軸方向，根據式(1)的觸摸屏坐標定位算法，判斷在該對紅外管之間是否發生了觸摸事件，在整個軸方向判斷是單點觸摸或者是多點觸摸。當判斷為單點觸摸時，通過算法確定本次觸摸的觸摸位置區間。在觸摸區間內，將ΔU根據式(2)作拉格朗日插值，通過插值法找出觸摸區間內的最小值所對應的軸方向的坐標X_Coordinate，將X_Coordinate代入式(3)計算出本次觸摸操作對應的LCD的屏幕坐標[5-6]。Y軸方向的觸摸坐標計算與X軸方向的計算方法類似。算法在計算坐標的同時，判斷本次觸摸操作的狀態是按下、彈起還是無效。GUI根據坐標定位算法計算的屏幕坐標及觸摸操作狀態，對本次觸摸操作作出響應。

ΔU=|Ug-Uad|

(1)

(2)

X=(Ax×X_Coordinate+Bx)×

X_LCD/X_LEN+Dx_LCD

(3)

Y=Y_LCD-(Ay×Y_Coordinate+By)×

Y_LCD/Y_LEN+Dy_LCD

(4)

式中：Ax為X軸方向相鄰紅外對管的中心距；Bx為X軸方向第一個紅外管與外框之間的距離；X_Coordinate為通過插值法在觸摸區間內的最小ΔU所對應的坐標；X_LCD為LCD在X軸方向的像素點；X_LEN為LCD在X軸方向的物理長度；Dx_LCD為觸摸點的物理坐標與算法計算出的坐標之間的校準值。

圖2　確定觸摸點X坐標流程圖Fig.2　Flowchart of determining the X coordinates of touch point

本文中的紅外觸摸屏算法采用了閾值法作為有無觸摸事件發生的依據。由于紅外觸摸屏很容易受自然光的干擾,所以為提高觸摸判斷的正確性和可靠性，不宜采用固定閾值，必須采用自適應的方法動態調整閾值。在觸摸屏打開前，將ΔV初值設為0。觸摸屏打開后利用式(1)判斷：如果當前的ΔU滿足式(1)的條件，則認為本次有觸摸；否則認為無觸摸。當無觸摸時，就將ΔU值保存起來。當有30(可以調整)組無觸摸的ΔU值，就對此30組ΔU值取平均值，并將該平均值作為更新閾值的依據。

3.3GUI

星載高分辨率紅外觸摸屏系統中移植了Micrium公司μC/GUI3.2.4。μC/GUI有完整的觸摸屏響應機制，觸摸屏坐標定位算法只需將計算出的觸摸坐標和狀態傳遞給GUI，由GUI根據觸摸狀態判斷是否發出觸摸消息；發出觸摸消息后，由GUI消息處理模塊WM_Exc()進行處理，從而調用相關程序和改變屏幕信息。GUI的響應過程如下：

GUI根據傳遞參數判斷其是否為有效觸摸事件。如果X坐標或Y坐標不在屏幕分辨率的有效范圍，即被判斷為無效觸摸事件，GUI不作處理。

當觸摸事件有效時，應用程序會查找觸摸位置所對應的控件句柄。如果返回值為0，說明沒有對應的控件，不產生觸摸消息；如果觸摸控件的句柄不為0，則會對控件發出觸摸消息。控件接收到消息后將會重繪控件并調用控件中要執行的程序模塊。觸摸事件處理流程如圖3所示。

圖3　觸摸事件處理流程圖Fig.3　Flowchart of touch event processing

4　可靠性設計

星載紅外觸摸屏屬于航天電子產品，它與普通地面電子產品有很大的區別。首先，它的設計指標更為苛刻，要求質量輕、體積?。黄浯危膽铆h境極為惡劣，受到空間輻照、高低溫交變、真空、振動沖擊、電磁干擾等影響，必須采用一系列措施減少空間環境應力的影響；除此之外，由于衛星電子產品還具有不可維修的特點。因此，針對特殊的應用環境開展星載高分辨率紅外觸摸屏的可靠性設計具有非常重要的意義。

4.1硬件電路可靠性設計

方法2：加熱鑒別法。取等量水樣于兩支潔凈試管中，加熱，在管壁內留下較多水垢的水樣是硬水，水垢較少的水樣是軟水。

考慮到星載紅外觸摸屏在軌工作所處的空間環境，在其設計、加工過程中，必須對紅外觸摸屏硬件電路進行充分的環境影響分析，并實施全面的耐環境設計，包括抗力學設計、熱設計、抗輻照設計、電磁兼容性設計、故障樹分析(FTA)、失效模式與效應分析(FMEA)等。在整個星載紅外觸摸屏系統中，使用滿足空間環境要求的高等級(宇航級)電子元器件，可提高星載紅外觸摸屏硬件電路的可靠性。

4.2抗光干擾性設計

紅外觸摸屏通過紅外光線工作，因此它對周圍環境光照因素的變化非常敏感。在太陽光中紅外波段占其能量分布的48.3%左右，在太陽光環境下使用紅外觸摸屏會受到極大干擾，在光照變化較大時可能會引起誤動作。為了增強紅外觸摸屏防光干擾、提高紅外觸摸屏的可靠性，需采取措施使太陽光干擾對整個系統影響降低到可以忽略[7-9]。措施主要有以下幾種：

①在結構方面，可以采用對傳播方向敏感的“光準直溝道”，將其安裝在紅外接收管前，以提高抗干擾能力。由于紅外接收管與紅外發射管處于同一平面保持對齊，而外界光只能以一定傾角對紅外接收管造成影響，可以實現在水平方向上光透過率很高而對于傾斜方向入射的光衰減極大，盡可能地削減外界光對紅外接收管的影響；同時，對紅外發射管發出的紅外光的衰減不影響紅外接收管的正常接收。

②對接收管可加裝紅外濾光片或進行環氧封裝，以濾除部分光干擾。紅外發射管前端加裝凸透鏡有利于增加接收光的強度，從而增加各等級信號間強度的差值，減弱接收信號對干擾信號的敏感度，提高抗光干擾的能力[10]。

③脈沖方式抗干擾。紅外探測采用脈沖方式，即紅外發射管發射一個固定頻率的信號，而接收方只對這一頻率進行檢測。為提高抗干擾能力，對發射管和接收管均采用相同的固定頻率掃描，發射管發射固定頻率的信號，同時以同樣頻率采集相對應的接收管信號。

④采用差動輸入濾除干擾信號，在接收管附近設有少量同型號紅外接收管接收環境光中的紅外信號，對于采集的紅外脈沖和環境光中的紅外光混合信號，采用差動輸入的方式濾除干擾信號。

在系統設計中，可以考慮從原理上解決光干擾的問題。本文主要采用動態調節閾值和安裝對傳播方向敏感的光準直溝道相結合的方法，增強了紅外觸摸屏的抗干擾能力。

4.3軟件可靠性設計

星載高分辨率紅外觸摸屏中的FPGA軟件和DSP軟件屬于航天嵌入式軟件，為了防上單粒子翻轉，必須提高軟件的可靠性。在星載紅外觸摸屏FPGA軟件中對重要數據采用“三模冗余”(triplemoduleredundancy,TMR)的處理方式，保證重要數據的正確性。在星載紅外觸摸屏DSP軟件中，對于關鍵變量需要有3個或以上的備份；安全關鍵信息不得使用1位的邏輯“1”和“0”表示，至少要使用4位;各信息應分區存儲。

5　試驗驗證

整機裝配完成后對紅外觸摸屏的整體性能進行了測試，對設備的顯示界面進行觸摸操作，處理器利用3.2節的算法表達式計算出本次觸摸坐標，GUI可正確響應觸摸操作。

6　結束語

本文在詳細介紹了紅外觸摸屏工作原理的基礎上，提出了基于FPGA+DSP架構的星載高分辨率紅外觸摸屏的設計實現方案。此方案有利于時序控制，并可以提高數據的運算速度及觸摸事件的響應速度。使用GUI響應觸摸事件，可以簡化觸摸事件的處理流程。文中采用拉格朗日插值法計算觸摸坐標，可以簡化運算模型并提高觸摸坐標的分辨率，使最小分辨率可達到1個像素。針對航天電子產品特殊的應用環境，開展了可靠性設計。試驗結果表明，該系統簡單可靠、工作穩定、屏幕分辨率高，可以滿足航天儀表產品的特殊需求。

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Design and Implementation of the Space-borne High Resolution Infrared Touch Screen

According to the special application environment of aerospace electronic products, the human-computer interaction of aerospace instrumentation products is optimized, and the design and implementation methods of space-borne high resolution infrared touch screen based on FPGA+DSP architecture are studied. The hardware design of the touch screen, the design of FPGA and GUI, and the DSP algorithm based on Lagrange interpolation are expounded in detail. For the special purposes of the space-borne infrared touch screen, its reliability design is analyzed; the systematic performance test of such touch screen completely assembled is conducted. The test results show that the system is simple and reliable, stable in operation, with high screen resolution; it can meet the special needs of aerospace instrumentation products.

Spacecraft instrumentHuman-computer interactionInfrared touch screenLagrange interpolationReliabilitySystem performanceDSP algorithmFPGAGUI

李泰國(1985—)，男，2010年畢業于武漢大學計算機專業，獲碩士學位，工程師；主要從事空間電子科學與技術方向的研究。

TH7;TP216+.1

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修改稿收到日期：2016-04-17。