基于ARM7和VC平臺(tái)的高分辨率紅外觸摸屏設(shè)計(jì)

觸摸屏是結(jié)合顯示器使用的一種透明的絕對(duì)定位系統(tǒng)，透明和優(yōu)良的定位原理是它的技術(shù)特征。目前應(yīng)用在各場(chǎng)合的觸摸屏主要有四種：電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、表面聲波觸摸屏和紅外觸摸屏。其中紅外觸摸屏的視覺效果和定位原理都優(yōu)于其它觸摸屏技術(shù)，而且不受電流、電壓和靜電干擾，可以適宜惡劣的環(huán)境條件。但是，與其它三種觸摸屏相比，紅外觸摸屏也存在分辨率低的問題，這一點(diǎn)嚴(yán)重影響了紅外觸摸屏的實(shí)際應(yīng)用。

　　為此，本文采用ARM7和VC提出了一種高分辨率的紅外觸摸屏的實(shí)現(xiàn)方案。該方法通過ARM7對(duì)接收管和發(fā)射管的控制，來實(shí)時(shí)采集與發(fā)射管一一對(duì)應(yīng)的接收管的光通量，然后計(jì)算鼠標(biāo)位置，最后通過VC編程來實(shí)現(xiàn)在Windows下的鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)。

　　1硬件平臺(tái)

　　1.1工作原理

　　紅外觸摸屏主要基于在屏幕四邊放置紅外發(fā)射管和紅外接收管。本系統(tǒng)中的微處理器控制驅(qū)動(dòng)電路依次接通紅外發(fā)射管并檢查相應(yīng)的紅外接收管，從而形成橫豎交叉的紅外線陣列，并得到定位的信息。本文通過ARM7對(duì)移位鎖存器的控制來對(duì)紅外發(fā)射管進(jìn)行逐個(gè)掃描，同時(shí)，ARM7通過地址線和數(shù)據(jù)線來尋址每個(gè)相應(yīng)的紅外接收管，從而得到相應(yīng)的光通量值。其控制原理如圖1所示。

　　本系統(tǒng)中的移位鎖存器具有移位和存儲(chǔ)兩個(gè)時(shí)鐘。ARM7通過IO口控制移位鎖存器的這兩個(gè)時(shí)鐘以及數(shù)據(jù)輸入端。通過數(shù)據(jù)輸入端將一個(gè)脈沖寫入移位寄存器后，在移位時(shí)鐘的上升沿即可將寫入的數(shù)據(jù)移人寄存器，并在存儲(chǔ)時(shí)鐘的上升沿將數(shù)據(jù)置入鎖存器中。利用移位鎖存器的這一特點(diǎn)，可在移位時(shí)鐘的上升沿將脈沖移至發(fā)射管，并在存儲(chǔ)時(shí)鐘的上升沿點(diǎn)亮發(fā)射管。寫入的脈沖會(huì)隨移位時(shí)鐘上升沿的到來不斷的移位，直到從輸出端移出。將第一個(gè)移位鎖存器的輸出端與下一級(jí)的輸入端相連，可將寫入的脈沖移人下一級(jí)。因此，通過移位鎖存器的級(jí)聯(lián)可實(shí)現(xiàn)ARM7對(duì)更多的發(fā)射管的驅(qū)動(dòng)。結(jié)合以上特點(diǎn)，即可將發(fā)射管逐個(gè)點(diǎn)亮。

　　在發(fā)射管被點(diǎn)亮的時(shí)刻，ARM7將通過地址線尋址與發(fā)射管位置上相對(duì)應(yīng)的接收管，并將接收感應(yīng)到的光通量通過放大器和AD轉(zhuǎn)換器放大并轉(zhuǎn)換成8位數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)線傳送給ARM7進(jìn)行處理。通過這樣處理可使發(fā)射管與接收管一一對(duì)應(yīng)，從而為確定觸摸位置奠定基礎(chǔ)。紅外觸摸屏的具體工作流程如圖2所示。

　　1.2高分辨率的實(shí)現(xiàn)

　　早期的紅外觸摸屏的分辨率直接由紅外對(duì)管數(shù)決定，對(duì)于接收管來說，只有接收到和沒有接收到信號(hào)兩種情況，觸摸分辨率就等于屏的物理分辨率。因此其觸摸屏的分辨率比較低。

　　但如果將接收的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行量化分級(jí)，那么，對(duì)于接收的信號(hào)，不僅要判斷是否被阻擋，還要判斷出被阻擋的程度，觸摸物的不同位置將決定是否有接收信號(hào)且接收信號(hào)的強(qiáng)度也有所不同，因此觸摸物的位置與接收的紅外信號(hào)強(qiáng)度有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即使觸摸物移動(dòng)非常小的距離也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生改變，從而可以得到極高的分辨率。該情況下的觸摸屏分辨率主要由紅外對(duì)管數(shù)和模數(shù)轉(zhuǎn)換精度決定，其觸摸屏分辨率為紅外對(duì)管數(shù)與單對(duì)紅外管能實(shí)現(xiàn)的分辨率的乘積。觸摸屏坐標(biāo)由紅外管的物理坐標(biāo)和觸摸點(diǎn)在相應(yīng)管中的坐標(biāo)共同決定。基于以上原理，可以將每次采集到的紅外接收管的光通量進(jìn)行256級(jí)量化，這樣，得到的最小分辨率就是接收管的寬度／256，從而大大提高了紅外觸摸屏的分辨率，該方法可以達(dá)到2046×768的精度。

　　1.3觸摸位置的計(jì)算

　　為了得到準(zhǔn)確的觸摸位置，在計(jì)算觸摸位置時(shí)必須排除周圍環(huán)境光的干擾。為此，本文通過確定每對(duì)管子的域值來作為判斷是否有手指觸摸的依據(jù)。該域值的確定可通過對(duì)每對(duì)管子的“0”態(tài)和“1”態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)采樣來實(shí)現(xiàn)。 “0”態(tài)，即將所有的發(fā)射管進(jìn)行一次清零，此時(shí)的發(fā)射管都為熄滅狀態(tài)，這樣，采樣得到的就是接收管接收到的周圍光的光通量；“1”態(tài)，即將所有的發(fā)射管逐個(gè)點(diǎn)亮，此時(shí)的發(fā)射管在某一時(shí)刻只有一只被點(diǎn)亮，采樣得到的是接收管接收對(duì)應(yīng)發(fā)射管及周圍光的光通量。

本文中的紅外觸摸屏的觸摸位置的計(jì)算主要是通過遮擋時(shí)與未遮擋時(shí)的光強(qiáng)比來得到的。在判斷觸摸位置時(shí)，可以先確定被遮擋的管子，計(jì)算得到被遮擋的大致位置。若被遮擋的管子為第N個(gè)管子，這個(gè)被遮擋的大致位置為Ld，則有：

　　Ld=(N-1)×管子的寬度

　　由于手指遮擋時(shí)有一定的區(qū)域，所以遮擋時(shí)有兩種可能：其一是在被確定的管子的前面；其二是在被確定的管子處。圖3所示為手指遮擋示意圖。

　　為了精確計(jì)算，需要計(jì)算這兩種情況下位置的偏移量△L1和△L2。則有：

　　其中，L為第N個(gè)管子被遮擋時(shí)的位置。△L1為手指在被確定的管子的前面時(shí)的偏移量。△L2為手指在被確定的管子處時(shí)的偏移量，XN為掃描時(shí)采樣第N個(gè)管子接收到的數(shù)據(jù)，XNmax為“1”態(tài)時(shí)采樣第N個(gè)管子接收到的數(shù)據(jù)．XNmin為“0”態(tài)時(shí)采樣第N個(gè)管子接收到的數(shù)據(jù)。

　　2鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)

　　ARM7作為硬件上的核心控制芯片，只能進(jìn)行采集以得到觸摸位置信息，而無法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的鼠標(biāo)動(dòng)作。所以，必須通過主機(jī)端的驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)。本文中的驅(qū)動(dòng)程序可通過VC++編程來實(shí)現(xiàn)串口通信和鼠標(biāo)動(dòng)作，從而完成軟件結(jié)合硬件對(duì)鼠標(biāo)的驅(qū)動(dòng)。

　　2.1? 串口通信

　　為了使主機(jī)能夠接收ARM7通過串口傳送的觸摸位置，可利用Microsoft公司提供的ActiveX控件Microsoft Communications Control，并通過VC++編程來實(shí)現(xiàn)串口通信。通過在該控件中的設(shè)置可指定通信串口號(hào)，同時(shí)可設(shè)置波特率、校驗(yàn)位、停止位、數(shù)據(jù)位等通信參數(shù)，以及接收OnComm事件門限值。其具體代碼如下：

　　由于傳統(tǒng)的鼠標(biāo)是一種相對(duì)定位系統(tǒng)，它只和前一次鼠標(biāo)的位置坐標(biāo)有關(guān)。而觸摸屏則是一種絕對(duì)坐標(biāo)系，與相對(duì)定位系統(tǒng)有著本質(zhì)的區(qū)別。因此，本文通過主機(jī)從串口接收到的觸摸點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換來得到屏幕坐標(biāo)，即觸摸屏的坐標(biāo)范圍為(0，0)到(2048，768)。而ARM7只能通過串口發(fā)送字節(jié)，且只能發(fā)送小于256的數(shù)據(jù)，所以很難實(shí)現(xiàn)直接傳輸。因此，在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，應(yīng)將采集得到的位置數(shù)據(jù)的每個(gè)位上的數(shù)分別進(jìn)行傳送。與此同時(shí)，主機(jī)端從串口接收緩沖區(qū)并取出數(shù)據(jù)，然后在驅(qū)動(dòng)程序中將這些數(shù)據(jù)重新組合起來以得到觸摸位置信息。另外，為了實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的不同動(dòng)作，也應(yīng)分別發(fā)送不同的控制字。每次串口通信的數(shù)據(jù)格式如下：

　　其中，X為觸摸位置的橫坐標(biāo)，X1為X百位上的數(shù)，X2為X十位上的數(shù)，X3為X個(gè)位上的數(shù)；Y為觸摸位置的縱坐標(biāo)，Y1為Y百位上的數(shù)，Y2為Y十位上的數(shù)，Y3為Y個(gè)位上的數(shù)。

由于剛接收的數(shù)據(jù)為VARIANT類型，故需將其轉(zhuǎn)化為int型變量來進(jìn)行以上坐標(biāo)的組合。該轉(zhuǎn)換過程是先將VARIANT類型變量賦值COle-SafeArray類，再利用COleSafeArray類中的成員函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入BYTE型數(shù)組中，最后將BYTE型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為int型。

　　2.2鼠標(biāo)動(dòng)作

　　鼠標(biāo)動(dòng)作在觸摸屏的應(yīng)用中甚為重要。它主要包括鼠標(biāo)的定位，鼠標(biāo)的移動(dòng)，鼠標(biāo)的左鍵單擊和雙擊，以及鼠標(biāo)的右鍵單擊。在VC++編程中，可通過使用API函數(shù)中的mouse_event來模擬鼠標(biāo)事件，以實(shí)現(xiàn)以上的鼠標(biāo)動(dòng)作。其實(shí)現(xiàn)代碼如下：

　　定位：SetCursorPos(X，Y)；

　　左鍵單擊：mouse_event((MOUSEEVENTF_LEFYDOWN，0，0，0，0)；

　　mouse_event(MOUSEEVENTF_LEFTUP，0，0，0，0)；

　　在模擬鼠標(biāo)動(dòng)作的同時(shí)，一個(gè)很重要的處理步驟是屏蔽采集數(shù)據(jù)時(shí)受到的干擾。另外，使鼠標(biāo)運(yùn)動(dòng)平滑化也不容忽視。

　　圖4是通過matlab軟件對(duì)鼠標(biāo)運(yùn)動(dòng)過程中的各坐標(biāo)繪制的曲線圖。通過曲線可以看到，硬件上的干擾會(huì)造成采集的坐標(biāo)數(shù)據(jù)出現(xiàn)突變點(diǎn)，曲線上有很多毛刺。這也合理的解釋了鼠標(biāo)在運(yùn)動(dòng)過程會(huì)出現(xiàn)回跳和抖動(dòng)，不能平滑運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，因此必須屏蔽這些干擾。

　　針對(duì)突變點(diǎn)，本文采用了比較法來克服。所謂比較法，就是將后一次接收到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)與前一次接收到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)做比較，并設(shè)置一定的域值范圍。當(dāng)比較得到的絕對(duì)值在該域值范圍內(nèi)時(shí)，則認(rèn)為所作的動(dòng)作是有效的。與此同時(shí)，還需比較前后數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)是否一致，只有當(dāng)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)一致，才認(rèn)為鼠標(biāo)的移動(dòng)是有效的。

　　針對(duì)毛刺，本文采用平均法和比較法來克服。所謂平均法，是將從第N組到第2N組的N組數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，然后將其作為第N組數(shù)據(jù)。這樣可以有效的減少毛刺干擾。另外，也可以對(duì)前后兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，只有當(dāng)比較得到的絕對(duì)值大于觸摸屏的最小分辨率時(shí)，才認(rèn)為鼠標(biāo)發(fā)生移動(dòng)，否則原地不動(dòng)。通過這樣的處理，可以解決鼠標(biāo)抖動(dòng)的問題。經(jīng)過處理后的鼠標(biāo)運(yùn)動(dòng)曲線如圖5所示。

　　3結(jié)束語

　　本文介紹了基于ARM7控制器和VC實(shí)現(xiàn)的紅外觸摸屏設(shè)計(jì)方案，該方案以ARM7作為硬件的核心控制芯片，并通過其利用IO口對(duì)移位鎖存器的控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射管的驅(qū)動(dòng)，利用地址線和數(shù)據(jù)線來實(shí)現(xiàn)對(duì)接收管的尋址和采樣，以形成紅外定位陣列，從而從硬件上完成了位置數(shù)據(jù)的采集。該方法可實(shí)現(xiàn)2046×768的高分辨率。而在軟件上，通過VC++編程則可實(shí)現(xiàn)主機(jī)端的串口通信，模擬鼠標(biāo)動(dòng)作，并結(jié)合比較法和平均法對(duì)鼠標(biāo)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行平滑化處理。