基于ARM7和VC平臺的高分辨率紅外觸摸屏設計

觸摸屏是結合顯示器使用的一種透明的絕對定位系統，透明和優良的定位原理是它的技術特征。目前應用在各場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于其它觸摸屏技術，而且不受電流、電壓和靜電干擾，可以適宜惡劣的環境條件。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，這一點嚴重影響了紅外觸摸屏的實際應用。

　　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現方案。該方法通過ARM7對接收管和發射管的控制，來實時采集與發射管一一對應的接收管的光通量，然后計算鼠標位置，最后通過VC編程來實現在Windows下的鼠標驅動。

　　1硬件平臺

　　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射管和紅外接收管。本系統中的微處理器控制驅動電路依次接通紅外發射管并檢查相應的紅外接收管，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對移位鎖存器的控制來對紅外發射管進行逐個掃描，同時，ARM7通過地址線和數據線來尋址每個相應的紅外接收管，從而得到相應的光通量值。其控制原理如圖1所示。

　　本系統中的移位鎖存器具有移位和存儲兩個時鐘。ARM7通過IO口控制移位鎖存器的這兩個時鐘以及數據輸入端。通過數據輸入端將一個脈沖寫入移位寄存器后，在移位時鐘的上升沿即可將寫入的數據移人寄存器，并在存儲時鐘的上升沿將數據置入鎖存器中。利用移位鎖存器的這一特點，可在移位時鐘的上升沿將脈沖移至發射管，并在存儲時鐘的上升沿點亮發射管。寫入的脈沖會隨移位時鐘上升沿的到來不斷的移位，直到從輸出端移出。將第一個移位鎖存器的輸出端與下一級的輸入端相連，可將寫入的脈沖移人下一級。因此，通過移位鎖存器的級聯可實現ARM7對更多的發射管的驅動。結合以上特點，即可將發射管逐個點亮。

　　在發射管被點亮的時刻，ARM7將通過地址線尋址與發射管位置上相對應的接收管，并將接收感應到的光通量通過放大器和AD轉換器放大并轉換成8位數據，再通過數據線傳送給ARM7進行處理。通過這樣處理可使發射管與接收管一一對應，從而為確定觸摸位置奠定基礎。紅外觸摸屏的具體工作流程如圖2所示。

　　1.2高分辨率的實現

　　早期的紅外觸摸屏的分辨率直接由紅外對管數決定，對于接收管來說，只有接收到和沒有接收到信號兩種情況，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強度進行量化分級，那么，對于接收的信號，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且接收信號的強度也有所不同，因此觸摸物的位置與接收的紅外信號強度有直接的對應關系，即使觸摸物移動非常小的距離也會導致信號強度發生改變，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管數和模數轉換精度決定，其觸摸屏分辨率為紅外對管數與單對紅外管能實現的分辨率的乘積。觸摸屏坐標由紅外管的物理坐標和觸摸點在相應管中的坐標共同決定。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行256級量化，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，該方法可以達到2046×768的精度。

　　1.3觸摸位置的計算

　　為了得到準確的觸摸位置，在計算觸摸位置時必須排除周圍環境光的干擾。為此，本文通過確定每對管子的域值來作為判斷是否有手指觸摸的依據。該域值的確定可通過對每對管子的“0”態和“1”態時的數據采樣來實現。 “0”態，即將所有的發射管進行一次清零，此時的發射管都為熄滅狀態，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，即將所有的發射管逐個點亮，此時的發射管在某一時刻只有一只被點亮，采樣得到的是接收管接收對應發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算主要是通過遮擋時與未遮擋時的光強比來得到的。在判斷觸摸位置時，可以先確定被遮擋的管子，計算得到被遮擋的大致位置。若被遮擋的管子為第N個管子，這個被遮擋的大致位置為Ld，則有：

　　Ld=(N-1)×管子的寬度

　　由于手指遮擋時有一定的區域，所以遮擋時有兩種可能：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。

　　為了精確計算，需要計算這兩種情況下位置的偏移量△L1和△L2。則有：

　　其中，L為第N個管子被遮擋時的位置。△L1為手指在被確定的管子的前面時的偏移量。△L2為手指在被確定的管子處時的偏移量，XN為掃描時采樣第N個管子接收到的數據，XNmax為“1”態時采樣第N個管子接收到的數據．XNmin為“0”態時采樣第N個管子接收到的數據。

　　2鼠標驅動

　　ARM7作為硬件上的核心控制芯片，只能進行采集以得到觸摸位置信息，而無法實現相應的鼠標動作。所以，必須通過主機端的驅動程序來實現。本文中的驅動程序可通過VC++編程來實現串口通信和鼠標動作，從而完成軟件結合硬件對鼠標的驅動。

　　2.1? 串口通信

　　為了使主機能夠接收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++編程來實現串口通信。通過在該控件中的設置可指定通信串口號，同時可設置波特率、校驗位、停止位、數據位等通信參數，以及接收OnComm事件門限值。其具體代碼如下：

　　由于傳統的鼠標是一種相對定位系統，它只和前一次鼠標的位置坐標有關。而觸摸屏則是一種絕對坐標系，與相對定位系統有著本質的區別。因此，本文通過主機從串口接收到的觸摸點坐標數據并進行轉換來得到屏幕坐標，即觸摸屏的坐標范圍為(0，0)到(2048，768)。而ARM7只能通過串口發送字節，且只能發送小于256的數據，所以很難實現直接傳輸。因此，在數據發送時，應將采集得到的位置數據的每個位上的數分別進行傳送。與此同時，主機端從串口接收緩沖區并取出數據，然后在驅動程序中將這些數據重新組合起來以得到觸摸位置信息。另外，為了實現鼠標的不同動作，也應分別發送不同的控制字。每次串口通信的數據格式如下：

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

由于剛接收的數據為VARIANT類型，故需將其轉化為int型變量來進行以上坐標的組合。該轉換過程是先將VARIANT類型變量賦值COle-SafeArray類，再利用COleSafeArray類中的成員函數將數據寫入BYTE型數組中，最后將BYTE型數據轉化為int型。

　　2.2鼠標動作

　　鼠標動作在觸摸屏的應用中甚為重要。它主要包括鼠標的定位，鼠標的移動，鼠標的左鍵單擊和雙擊，以及鼠標的右鍵單擊。在VC++編程中，可通過使用API函數中的mouse_event來模擬鼠標事件，以實現以上的鼠標動作。其實現代碼如下：

　　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)；

　　在模擬鼠標動作的同時，一個很重要的處理步驟是屏蔽采集數據時受到的干擾。另外，使鼠標運動平滑化也不容忽視。

　　圖4是通過matlab軟件對鼠標運動過程中的各坐標繪制的曲線圖。通過曲線可以看到，硬件上的干擾會造成采集的坐標數據出現突變點，曲線上有很多毛刺。這也合理的解釋了鼠標在運動過程會出現回跳和抖動，不能平滑運動的現象，因此必須屏蔽這些干擾。

　　針對突變點，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數據與前一次接收到的坐標數據做比較，并設置一定的域值范圍。當比較得到的絕對值在該域值范圍內時，則認為所作的動作是有效的。與此同時，還需比較前后數據的變化趨勢是否一致，只有當數據的變化趨勢一致，才認為鼠標的移動是有效的。

　　針對毛刺，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組數據進行平均，然后將其作為第N組數據。這樣可以有效的減少毛刺干擾。另外，也可以對前后兩組數據進行比較，只有當比較得到的絕對值大于觸摸屏的最小分辨率時，才認為鼠標發生移動，否則原地不動。通過這樣的處理，可以解決鼠標抖動的問題。經過處理后的鼠標運動曲線如圖5所示。

　　3結束語

　　本文介紹了基于ARM7控制器和VC實現的紅外觸摸屏設計方案，該方案以ARM7作為硬件的核心控制芯片，并通過其利用IO口對移位鎖存器的控制來實現對發射管的驅動，利用地址線和數據線來實現對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據的采集。該方法可實現2046×768的高分辨率。而在軟件上，通過VC++編程則可實現主機端的串口通信，模擬鼠標動作，并結合比較法和平均法對鼠標運動進行平滑化處理。