二維平面雷達觸控系統的設計與研究

索猛

（南京機電職業技術學院，江蘇 南京 210000）

大屏幕觸控技術問題與大屏幕坐標的定位有關系。觸控技術不斷發展使得高精度定位檢測技術成為可能。大屏幕可以通過圖、聲等效果為使用者提供豐富的數據和信息。操作者可以對獲得的信息進行加工后執行輸入系統操作。對操作者輸入操作的檢測依靠精度較高的觸控點識別及定位技術，可以較迅速地響應用戶的觸控操作，從而使操作者和計算機能夠雙向進行交互。本文應用的觸摸屏是能夠接收雷達觸控信號的任意顯示裝置。點擊二維平面上的圖形按鈕后，屏幕上的觸控反饋系統能夠按照編寫好程序激活各種連接元件，可以代替機械式操作按鈕模塊，通過顯示屏和聲音輸出裝置產生動態的視覺和聽覺效果。基于雷達測距技術，本系統具有觸控操作精度較高、抗干擾性好、成本低等特點，采用激光測距定位系統對接觸點進行定位，安裝了高精度時間測量（TDC）芯片，可以提高激光測量中測得的時間差精度，這樣就能提高觸控點的高精度定位，同時詳細介紹了高精度時間測量（TDC）對時間計時以及工作原理。依靠不斷切換多面體反射棱鏡進行掃描輸出，提高了檢測次數，讓雷達測距檢測裝置在顯示屏顯示區域進行檢測和定位。根據雷達測距方法獲取的觸控點信息和掃描模塊的轉動位置，分析雷達觸控操作點在屏幕上所處的位置信息。

1 系統硬件設計

本系統采用24 V直流電源供電，用到的電壓為3.3 V、5 V和12 V，12 V為各個檢測儀表供電，MCU需要提供的電壓為3.3 V，同時也是DAC的參考電壓，采用以單片機為核心的控制電路和循環檢測電路的工作原理以及相應設計，設計出了電路原理圖。雷達發射器除了能確定聲源，還能對信號進行調制。

觸控系統發射模塊電路如圖1所示。

圖1 發射機驅動電路

接收機的頻帶大小會造成輸入信噪比增大，這樣會造成波形失真。采用最佳匹配濾波器的優點是靈敏度最好，缺點為輸出會產生較大失真，會影響觸控系統的精確度。因此，接收機帶寬的選擇要根據具體用途靈活選擇。接收管驅動電路正常工作需要設計產生高壓電路，最終的接收電路如圖2所示。

圖2 激光接收機電路

這個觸控裝置單機掃描半徑達到4 m，觸點精確，可以安裝在8 m×4 m的大型LED屏上，或者在投影屏幕上實現全屏觸控。在不同光照環境中都能使用，通過打開和關閉傳感器信號，對信號進行差模運算，這樣獲得更精確的測量精度。計算傳感器的打開和啟動的時間差，然后通過此來計算元件的轉動角度，目標坐標是通過這兩個值來確定的。

一個周期為開始波形和下一個波形之間的時間，獲取這兩個時間，對這兩個數據進行處理，并清除之前存儲數據，整個時間周期都是精確的。

2 系統軟件設計

在本設計中，軟件系統包括激光測距部分，經過微處理器對數據進行處理，發送和接收裝置的配合及協調，通過算法對所獲的數據進行處理。本系統采用模塊化設計，可以方便移植到其他平臺，并且對程序的編譯效率較高，執行速度也較快，而且能對底層硬件進行控制。系統程序結構采用自上而下的模塊設計。STM32控制器輸出脈沖寬度調制控制電機高速轉動。雷達發射模塊輸出連續相應信號，這個信號經過反射裝置對屏幕進行檢測，信號識別到觸控點位后會產生反射，經過反射后，雷達接收電路使模擬波形變成單片機能夠識別的二進制數，通過軟件濾波程序對信號進行處理，再用放大器對信號進行放大，最終獲得檢測到的信息。

對屏幕上的點的定位是通過雷達測距實現的。時間是通過程序算法分析處理的，這個程序實現對雷達發送和接收的處理。要完成高精度測時芯片外圍設備的工作流程，當異常流程再次出現時，對異常流程進行處理。時間間隔檢測程序的流程如圖3所示。掃描程序進程，首先調用初始化，然后等待掃描程序啟動。通過停拍傳感器確定起飛時間。在掃描期間，兩個通道被連續采樣并存儲在外部存儲器中。在區域目標檢測的情況下確定目標檢測。利用激光距離數據進一步計算目標位置數據是可能的。

圖3 程序流程圖

3 雷達觸控系統工作原理

二維平面觸控點探測與定位系統主要分為雷達發射硬件、雷達接收硬件、主要控制電路、時間測量計時電路、掃描電路，首先對前面的電路進行測試，接著再對雷達觸控系統進行系統調試。通過貼標記對墻面建立坐標，方便實驗過程中進行數據采集。數據采集與處理電路主要是采集并處理雷達串行數據，對接收數據進行分類，然后通過計算獲取有效坐標，進一步通過坐標轉換程序，將獲得的有效坐標對應在二維顯示屏上，觸控電路是將屏幕坐標應用在對應坐標的輸出及識別上，坐標定位電路處理屏幕坐標和人機交互處理，數據的通信是通過網絡模塊實現的。大屏幕交互雷達觸控系統解決了獲得數據不能使用的弊端，采用分類后再聚類的這種算法可以得到更精確的數據，使程序開發更快，運行更可靠，可以移植在不同的平臺，讓數據獨立存在，這樣就能讓多個雷達觸控系統同時工作，進一步就可以擴展系統應用。

4 結論

雷達觸摸技術可以有效地將虛擬現實等二維平面上的數據信息發送給觸摸屏操作人員。操作員可以實時與觸摸操作，以廉價的方式構建一個信息流的閉環。二維接觸點探測和定位技術才剛剛開始。與移動終端和物聯網一樣，接觸點檢測和定位技術也需要在大屏幕上花費時間。然而，人們正在使用二維平面接觸點檢測和定位技術，它們可以普遍在電腦和手機上被使用。它可以成為人們未來生活中不可替代的產品，就像現代虛擬現實技術和改進的現實技術一樣。這樣的檢測和定位技術也會在生活的其他各個領域有所應用，如貿易、自動化、治療、教育等。二維觸點檢測定位技術使其實現突破性的變化成為可能。任意顯示屏幕的接觸點檢測和定位技術與虛擬現實技術一起，在生活中有很多應用。根據激光測量精度高、抗干擾能力強、激光測量技術性價比高的特點，采用激光定位方法應使用對時間參數進行測量，計算目標坐標。采用高精度時間測量芯片作為核心間隔測量模塊進行時間測量，利用旋轉多面體棱鏡幫助激光在平面上掃描，由距離值和角度值計算平面上的位置坐標。以上模塊主要由微控制器控制。本設計主要說明了大屏幕上進行觸控操作的方法，包括電路的設計順序、相應的參數部件、實現的方法原理和整個系統的設計。