红外触摸屏的原理简述知识分享

红外触摸屏的原理简

述

红外触摸屏的原理简述

红外触摸屏技术是在屏幕四周安装红外发射管和红外接收管，形成红外光矩阵，然后分别在横、竖两个方向上不断的扫描并探测，当触摸物阻挡红外光时进行位置判断的坐标定位技术。一般是在显示器的前而安装一个电路板框架，在电路板上四边安装对应红外发射管和红外接收管，如下图所示，白色的是红外发射管，黑色的是红外接收管，通过电路驱动红外发射管发出红外光，位置相对的接收管接收红外光信号。用户在触摸屏幕时，手指就会挡住经过该位置的横竖方向的外线，光信号的改变引起光电探测电路输出的电信号发生变化，通过对电信号处理可以对触摸点在屏幕的位置进行定位。任何对红外光不透明的触摸物体都可阻断红外线实现触摸定位。本文由红外线供应网提供

红外触摸屏的原理是在屏幕四边放置红外发射管和红外接收管，微处理器控制驱动电路依次接通红外发射管并检查相应的红外接收管，以形成横坚交叉的红外光阵列，得到定位的信息。本论文中以Philips公司的ARM7芯片LPC2132为微处理器，通过对移位锁存器

74HC595的控制对红外发射管的逐个扫描，同时微处理器通过12C总线寻址每个相应的红外接收管，得到相应的光强值。微处理器根据接收到的被遮挡前后的光强信号得到触摸的位置信息，并通过串口将该信息传送给主机。控制方式如下图所示：

微处理器电路：

微处理器在红外触摸屏硬件系统中起着核心的作用:

1、完成对红外发射电路的驱动;

2、完成对红外接收电路的驱动;

3、完成对是否被触摸的判断以及触摸位置信息的计算;

4、将触摸位置信息通过中P1传送给主机;

5、调试整个程序的运行。

本论文中采用Philips公司的ARM7芯片LPC2132作为微处理器。该芯片是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDMI微控制器，并带有64kB的嵌入的高速Flash存储器。具有EmbeddedICE-RT和嵌入式跟踪接口，可实时调试；多个串行接口，包括2个16C550工业标准DART，2个高速I2C接口 SP1;多个32位定时器、1个10位8路ADC, 10位DAC，PWM通道和47个GP10以及多达9个边沿或电平触发的外部中断。

这部分电路中主要包括驱动红外发射部分，驱动红外接收部分，出口通信部分，JTAG调试部分。驱动红外发射部分是由芯片上的第4脚，第44脚，第48脚来完成的，它们分别用于控制红外发射管亮暗状态的信号:DS、 SH-CP、ST-CP。电路原理理如下图所示：

微处理器通过分别将二个信号按照一定的时序置高低电平，来控制每支红外发射管的亮暗状态。每个管脚最大耐压为 5V，但由于需要驱动165支红外发射管，导致电流很大，以至于容易将管脚烧坏。为了解决这样的问题，在以上二个管脚上分别接上NPN管采用集电极输出电路来增大驱动能力。同时由于输出反向，所以需将原来写入的高电平置为低电平，低电平置为髙电平。

驱动红外接收部分是由芯片上第8脚，第12脚，第16脚，第37脚，第41脚来成的。其中第37脚，第41脚分别为I2C总线上的信号SCL，SDA;第8脚，第12脚，第16脚是芯片74HC4051的地址线信号。电路原理于如下图所示：

这部分主要是微处理器通过I2C总线来寻址每个ADS7830来完成165支红外接收管的光强信号的放大、模数转换并将值传回到微处理器中。由于165支红外接收管需要21片

ADS7830来完成寻址，而微处理器上只有2个I2C接口所以必须要扩展I2C接口。这里选用芯74HC4051，用二个地址线来扩展得到5个I2C接口，选通五组红外接收模块。这样微处理器可以通过I2C总线逐一的寻址每支红外接收管。串口通信部分是由第19脚，第21脚来完成的。它们分别是串口总线上的信号TxDO,RxDO,用来将处理得到的触摸位置信息传送给主机。电路原理图如下图所示：

由于RS-232串行接口标准为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。其传送距离最大约为15米，最高速率为20kb/s。 RS-232是为点对点(即只用一对收、发设备)通讯而设计的，其驱动器负载低，只适合本地设备之间的通信。它是一种非平衡的传送方式。为了更好的满足红外触控的要求，这里采用RS-422标准串行接口进行传输。RS-422标准全

称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。由于接收器采用髙输入阻抗，发送驱动器比RS-232具有更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。即一个主设备(Master)，其余为从设备(Salve,从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。RS-422的最大传输距离为4000英尺(约1219米)，最大传输速率为10Mb/s。

本文中采用芯片Max3490作为RS-422的串行接口芯片。Max3490是一款工作在3.3V 电压下，传输速率可达到10M bps的RS-422发送接收器。它的引脚定义及应用电路如下图所示：

微处理器芯片中具有11个不同功能的寄存器。这些寄存器用来实现串口上数据的接收和发送，它的基本功能框图如下

JTAG调试部分是由第20脚，第24脚，第52脚，第56脚，第60脚，第64脚来成。它们分别是TRST,TDI,TMS，TCK，TDO，RTCK。其中信号TRST作为输入，用来测试复位；信号TDI作为输入，用来测试数据的输入；信号TMS作为输入，用来测试模式的选择;信号TCK作为输入，用来测试时钟；信号TDO作为输出，用来测试数据的输出；信号RTCK作为输出，是返回的测试时钟。其电路原理图如下：

红外发射电路：

本论文中红外触摸屏采用逐一点亮红外发射管的工作方式，整个红外发射电路是通过每片74HC595扫描8支红外发射管来实现的，其中红外发射管选用EVERL1GHT公司的发射管，其电路实现如下所示：

由于红外发射管采用5V电压供电，而74HC595输出的高电平也为5V,这样在驱动红外发射管时就必须加限流电阻，以免造成芯片引脚被损坏。而发射管电性曲线图（正向电压一正向

电流）可知，红外发射管驱动电压在1-1.5V变化时，电流在10-100mA间变化，因此对于10~100mA的驱动电流，限流电阻阻值可估算出来。

74HC595是一个可以实现8位数据的串入串出或串入并出的移位锁存器。它具有移位时钟(SHCP)和存储时钟(STCP)，都是上升沿有效。其时序如图下所示：

微处理器主要是控制这两个时钟以及数据输入端(DS)。通过数据输入端将一个脉冲写入移位寄存器，在移位时钟的上升沿可将写入的数据移入寄存器，并在存储时钟的上升沿将数据置入内部锁存器中。利用这样的特点，在移位时钟的上升沿可实现将输入的脉冲移至发射管，在存储时钟的上升沿点亮发射管。输入的脉冲会随移位时钟上升沿的到来不断的移位一直到从输出端移出。将第一个的移位锁存器的输出端与下一级的输入端相连，可将前级的脉冲移入到下

一级中。因此，可实现移位锁存器的级联，同时微处理器实现了对更多的发射管的驱动，结合以上特点，可以实现将发射管逐个点亮。整个红外发射电路的扫描过程如下图所示：

其中变量Count为被扫描的红外发射管的个数。由于是一行扫描过去的，所以当一支红外发射管被点亮后Count自加。当所有的红外发射管被逐一点亮后Count应该等于红外发射管的总数。当不等于165时说明扫描过程还没有结束，所以被置入的脉冲继续在移位时钟和存储时钟作用下扫描下一支红外发射管。

由于未上电前芯片的内部状态是随机的，所以刚一上电后所有的红外发射管并不是理想的“0”态，会出现很多支红外发射管同时被点亮。这种状态造成红外发射管的电流过大，整个系统中的驱动电压被严重拉下来，使得微处理器芯片不能正常的工作。所以必须采用大电流的电源输入，在上电后对红外发射电路进行清零处理。通过这样的处理使得芯片可以正常工作。只需要向数据端DS写入0,即可实现对红外发射电路进行清零处理。

红外接收电路:

在红外触摸屏中红外接收电路至关重要，它完成了相对应的红外发射管的光强信号的采集，得到了判断是否被触摸的基础数据。本论文中的红外接收电路是通过芯片ADS7830来实现的，电路原理如下图所示：（只列出四组接收）

红外接收管选用EVERLIGHT（亿光）公司的光敏三极管。它是一种快速响应，高灵敏度的光电二极管，具有高速、高灵敏度的NPN型外延平而，响应波长为980nm。

ADS7830是一个带有I2C接口的8路采样通道的8位模数转换器。它的采样速率可以达到70kHz;既可以4对差分输入，也可以8路单独输入;工作在2.7V到5V的电压下;其内建参考电压为2.5V;支持标准、快速、高速二种I2C工作模式。它的结构如下图：

I2C总线是双向传输的总线，在传送数据过程中共有四种类型信号，它们分别是:开始信号、结束信号、应答信号和位传送信号

1)开始信号:SCL为髙电平时，SDA山髙电平向低电平跳变，开始传送数据。

2)结束信号:SCL为髙电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

3)应答信号:接收数据的从器件在接收到8Bit数据后，向发送数据的主器件发出特定的低电平脉冲，表示巳收到数据。主器件向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应

答信号，从器件接收到应答信号后，根据情况做出判断是否要继续传递信号。若未收到应答信号，则判断为受控单兀出现问题。

4)位传送信号:在I2C总线启动后或应答信号后的第1个到8个时钟脉冲对应十一个字节的8Bit数据传送。脉冲髙电平期间，数据串行传送;低电平期间为数据准备，允许总线上数据电平变换。