基于STM32的紅外觸摸屏的研究與實現

蔡昌勇 朱靜

摘要：交互式液晶面板尺寸越來越大，傳統的觸摸屏如電阻式觸摸屏存在壽命較短、電容式觸摸屏價格高的缺點。針對以上問題，本文設計了一種基于STM32的紅外觸摸屏，通過逐一掃描安裝在液晶屏下面及右面的紅外發光二極管、安裝在液晶屏上面及左面的紅外接收二極管，將紅外接收二極管輸出電壓通過STM32內部的ADC轉換為數字量，通過數據濾波處理，計算出觸摸操作點的坐標，并將坐標值通過USB接口上傳至Windows操作系統，實現觸摸操作響應。

關鍵詞：STM32;紅外;觸摸屏

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）14-0083-03

隨著液晶顯示面板制造工藝提升，液晶面板尺寸越來越大，對屏幕具備觸摸功能的應用場景越來越多。電阻式觸摸屏雖然具有成本低、高分辨率等優點，但存在容易被劃傷、使用壽命不長的缺點;電容式觸摸屏壽命長、分辨率高，但是其價格較貴，特別是當屏幕尺寸越來越大時，采用電容式觸摸屏往往無法獲得較高性價比[1]。

采用多組紅外發光二極管、紅外接收二極管布設于屏幕的對邊，依次點亮單只紅外發光二極管，將對應位置紅外接收二極管檢測到的光線變化信號濾波、放大后輸入STM32內部ADC轉化為數字信號，通過數字濾波，計算出觸摸點的坐標，通過USB接口將該坐標值上傳實現觸摸響應。紅外式觸摸屏具有成本低廉、安裝簡單、透光性好等優點，且不會造成顯示圖像質量下降，在中大尺寸屏幕應用中有較高的應用價值[2]。

1 系統總體設計

為了簡化系統設計提高系統實用性，系統采用USB接口實現觸摸坐標上傳及系統供電。通過STM32控制掃描驅動電路實現紅外二極管逐一點亮，待二極管發光穩定后，將其對應位置的接收二極管輸出電壓進行放大并完成ADC轉換，如果某個二極管被遮擋，ADC值會遠小于正常閾值，通過軟件處理可以計算出遮擋物體的坐標。將坐標值通過USB上傳至Windows操作系統，實現觸摸操作響應。

為了滿足紅外式觸摸屏對識別精度的要求，紅外觸摸屏尺寸越大所需的二極管數量越多[3]，一般為幾十只至幾百只，因此紅外二極管采用矩陣方式驅動，以簡化電路設計。為了兼容不同尺寸觸摸屏設計，方便電路級聯擴展，系統中行驅動控制信號通過串并轉換實現，列驅動控制信號通過譯碼器驅動，以提高電路掃描速度。紅外接收二極管輸出信號經多路選擇開關放大濾波后，輸出至STM32內部ADC采樣，行列驅動電路配合實現每只二極管掃描，實現觸摸監測。

2 硬件電路設計

2.1 系統主控電路

STM32F103是一款基于ARM Cortex?-M3內核設計的高性能、低功耗單片機[4]。內核最高時鐘可達72M，配置有USB接口、12位逐次逼近ADC，只需要少數外圍電路即可實現紅外收/發二極管的驅動及掃描電壓轉換與運算。系統主控電路如圖3所示。

本系統采用STM32F103C8T6單片機作為微控制器，主要用于控制掃描紅外發射管、紅外發光二極管的接收、A/D轉換、觸點定位識別的運算以及控制USB通信等操作。USB2.0最多可以提供500 mA的電流，完全能夠滿足系統的供電要求，為簡化設計，系統采用USB接口實現通信及供電。AMS1117-3.3將5V穩壓至3.3V為主控器供電。

2.2 紅外發射二極管驅動電路

紅外發光二極管采用行列形式連接，一個完整單元為8行8列，最多64只二極管，也可級聯及任意剪裁，方便適應不同尺寸觸摸屏需求。74HC164及三極管8550實現行驅動控制，74HC238與三極管8050實現列驅動控制。

在單片機I/O的驅動下，當I_CP上升沿時74HC164將輸入數據引腳電平移位輸出至Q0～Q7，實現行選控制，配合74HC238可實現任意二極管控制。

2.3 紅外接收二極管驅動及信號處理電路

紅外接收部分的行驅動與發射相同，采用74HC164配合三極管8550實現列選控制。接收部分列選采用8通道模擬選擇開關74HC4051實現，在輸入信號A、B、C的控制下實現列選控制，完成任意二極管的掃描。LM833實現接收信號放大及濾波，放大后的信號輸出至單片機內部ADC轉換。

3 軟件設計

軟件部分主要包括單片機初始化、紅外管掃描、坐標計算、USB枚舉設計等模塊。MCU初始化部分包括USB模塊初始化、按鍵接口初始化、中斷初始化、Systick初始化、掃描初始化與紅外發射功率控制燈。

紅外觸摸屏的工作可以采用一邊掃描一邊處理數據的方式，也可以采用掃描完后再進行數據處理的方式。本系統先進行掃描，然后再進行坐標計算，根據紅外對管傳遞的數據，可以判斷是否被遮擋以及遮擋的序號，如果有觸摸，則根據序號進行坐標計算，然后再通過USB將坐標數據上傳給PC電腦端，否則就進行新一輪的掃描。

3.1 紅外管掃描程序設計

由硬件原理圖可知，紅外發射管與紅外接收管采用不同的控制方式。發射管由PB15產生串行信號CPUT_AB信號進入74HC164芯片生成8位并行信號后控制紅外發射管高端;定時器Timer4定時產生紅外調制信號，該信號作用于HC238的OE引腳（低電平有效），PB10、PB11、PB12引腳輸出邏輯信號經38譯碼器輸出8位并行信號控制紅外發射管低端。而接收管高端控制邏輯類似發射部分，但低端則為STM32輸出3位邏輯信號控制八選一模擬多路復用器輸出接收管AD采樣電壓，經信號處理電路后送入STM32 ADC引腳進行采樣。

在紅外發射功能期間開啟ADC采樣與DMA，自動保存ADC（紅外接收）數據。ADC工作在獨立模式，單詞轉換，定時器T4_CC4上升沿觸發ADC采樣，采樣數據右對齊，順序進行規則轉換，開啟ADC連續采樣DMA功能，然后開啟ADC校準。一次最多掃描8只二極管（由于多板拼接等可能最后不足8只），掃描完成后處理數據，再掃描下一行。

3.2 坐標計算

觸摸位置定位是通過檢測紅外接收信號的強度變化情況進行定位的。首先判斷觸摸點的物理位置，即紅外管序號;其次將在紅外管區域內進行位置細化，提高分辨率;最后將細化后的位置坐標通過映射成計算機屏幕上的坐標。

程序在上電初始化后，首先進行閾值計算，具體方法為：分別打開和關閉所有的發射管，采集接收管的ADC值，根據每組對管的最大值[ADCmax]和最小值[ADCmin]計算出是否進行觸摸的閾值[ADCthreshold]，通常計算方法為：

[ADCthreshold=12ADCmax+ADCmin]

為了提高分辨率，紅外管的區域分為邊緣1.5mm和中間2mm三部分，兩邊緣部分1.5mm各對應5個像素，中間2mm部分對應7個像素。通過紅外接收管的不同采樣值即可判斷具體觸摸位置。但在實際編程的過程中還需要對算法進行濾波，觸摸屏在按下與抬手過程中會有抖動，另外還有各種原因導致觸摸點的跳躍。通常采用限幅濾波與滑動平均濾波相結合的方式實現。

對于紅外觸摸屏，在兩點觸摸的情況下存在真實點和偽點，如圖7所示。偽點在硬件上無法區分出來，只能通過軟件實現。圖中的狀況會輸出兩組橫坐標與兩組縱坐標，根據組合共有四個觸摸點，其中兩點為偽點，如何剔除偽點也是坐標計算的難點之一，并且當超過兩點觸摸時，偽點會呈指數增長[5]。本系統采用了斜掃描的方式剔除偽點，無須對硬件進行改造，只要在程序上進行額外的設置即可。

3.3 USB程序設計

USB程序設計關鍵在于USB設備的枚舉，本系統使用USB HID類進行STM32和PC機的通信。對本系統來說，USB設備的枚舉就是從紅外觸摸屏讀取描述符信息，PC機根據這些信息加載對應的驅動，確定是觸摸屏，方可進行通信。總體USB部分程序包括USB連接控制、USB終端配置、USB時鐘配置、USB模塊初始化等。

對本系統來說，需要進行自定義USB，USB的標準描述符有設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符以及字符串描述符[6]。設備描述符是設備成功枚舉的關鍵，包括設備所使用的USB協議版本號、設備類型、廠商ID和產品ID等。其中USB設備描述符部分定義如圖8所示。

4 總結

本系統基于STM32與紅外對管設計了紅外觸摸屏硬件，同時基于硬件設備進行了軟件設計，完成了紅外管掃描、坐標計算、USB枚舉設計等功能，經過軟硬件聯合測試，成功實現了USB觸摸屏設備識別以及坐標識別，具有較高的工程價值。

參考文獻：

[1] 李博.電容式觸摸信息傳感技術研究與實現[D].西安：西北工業大學，2017.

[2] 王允.基于HID類的紅外觸摸屏的研究與實現[D].合肥：安徽大學，2014.

[3] 胡哲.基于交互式紅外電子白板的定位算法及實現技術[D].重慶：重慶大學，2018.

[4] 史籍.基于ARM的數據采集系統的設計[D].上海：上海交通大學，2016.

[5] 曾一雄.基于STM32的抗強光多點紅外觸摸屏的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2013.

[6] 唐貽發.基于STM32和FPGA的光學多點觸摸屏的設計與實現[D].廣州：華南理工大學，2013.

收稿日期：2021-12-30

基金項目：本文得到了四川省教育廳科研項目（編號：17ZB0038）資助

作者簡介：蔡昌勇（1980—），通信作者，男，研究方向為嵌入式技術;朱靜（1987—），男，主要研究方向為電子技術、機器學習。