基于K60單片機的紅外多點觸摸屏硬件設計

杜浩宇　徐婷婷（等）

【摘 要】紅外觸摸屏不受電壓、電流和靜電干擾，透光率好，適用于戴手套操作環境和開車等環境，得到廣泛應用。本文根據紅外觸摸屏的檢測原理，以飛思卡爾K60單片機為核心，設計低成本、高集成度的紅外觸摸屏的紅外發送及數據采集硬件系統。

【關鍵詞】紅觸摸屏；K60單片機；掃描

0 引言

紅外觸摸屏是在觸摸屏的四周布滿紅外接收管和紅外發射管，這些紅外管在觸摸屏的表面排列呈一一對應的位置關系，形成一張由紅外線布成的光網，當有物體（可以是手指，帶手套的手或任何觸摸物體）進入紅外光網阻擋住某處的紅外線發射接收時，此點的橫豎兩個方向的接收紅外管接收到的紅外線的強弱就會發生變化，設備通過了解紅外線的接收情況的變化就能知道何處進行了觸摸。

1 硬件系統設計

系統的核心以飛思卡爾公司的K60芯片為主控制器，它首先控制移位寄存器74HC164和譯碼器74HC138來完成接收管和發射管的矩陣掃描。然后控制信號處理模塊，不斷循環采集接收管的電壓幅度值。當有觸摸物進入觸摸區域時，由于對光線的遮擋，對應的接收管采集到的電壓值必然發生變化，此時通過與之前的值進行比較和運算，就可計算出觸摸點的坐標。最后再將得到的坐標數據通過USB發送給PC機，最終實現觸摸定位功能。

2 單片機選擇

硬件系統以Kinetis 60微控制器為核心，具有處理速度快，功耗低，成本低等優點，其片內128KB的RAM，512KB的FLASH，高達16位精度A/D采樣模塊和多通道的DMA模塊完全滿足了系統開發的需要。同時K60包含DSP內核，通過庫函數調用，方便進行數學運算以及數字信號處理，可以減輕硬件負擔，加快信號處理速度，減小響應時間。

3 紅外發送與接收電路設計

3.1 紅外發射及掃描電路

紅外發射及掃描電路如圖1所示。工作原理是通過74HC164和74HC138構成n*n（實驗以8*8做測試）掃描電路。74HC164為移位寄存器，它每次只使一個輸出腳為高電平，74HC138為38譯碼器，它每次只使一個輸出腳為低電平。圖中Cn，Cn+1為74HC164輸出腳，COUTn、COUTn+1為74HC138輸出腳。當Cn輸入低脈沖、COUTn為低電平時，紅外發射管點亮。改變Cn和COUTn，即可使不同發射管點亮，擴展此電路即可實現n*n掃描。

圖1 紅外發射及掃描電路

3.2 接收及放大電路

接收及放大電路如圖2所示。電路利用了三極管的開關特性來實現接收管部分的矩陣掃描。取樣電阻R109接在光敏三極管的集電極，當接收管接收到相應波長的紅外光時，會產生一定大小的光電流，R109將電流信號轉換成電壓信號，Qn接入74LS151數據選擇器輸入端，將電壓信號輸出。電路中的Cn與發射電路是相接的，這樣就能保證發射管和對應的接收管同時工作。

74LS151為互補輸出的8選1數據選擇器，它配合74HC164也能實現n*n路矩陣掃描輸出，其輸出引腳為Y腳，該引腳接到下一級的放大器進行放大處理。

圖2 紅外接收基本電路

紅外接收管被有效光照射后產生毫伏級別的電壓信號，需要對信號進行放大才能滿足模數轉換器AD的信號采集范圍。我們選擇低噪聲、低失真的放大器AD8330對模擬光電信號進行放大，在高增益下通過高速轉換，使其適合于作為模數轉換系統的前置放大，并且頻帶寬度折中較小，設計中可以靈活的使用整個動態范圍，而不會影響帶寬或者產生失真。

4 串口通信

本紅外觸摸屏采用串口通信方式，把計算出的坐標信息發送給主控設備。設計中，采用RS-232通信協議，應用MAX3232芯片吧單片機的TTL電平轉換為RS-232電平。應用串口通信，通信協議簡單，硬件實現方便。

5 電源電路

由于主控芯片需要3.3V的電壓，因此需要對電源電壓進行降壓處理。本系統采用LM1117-3.3V進行穩壓處理，LM1117-3.3V是一個正向低壓降穩壓器，其輸出固定電壓為3.3V，允許最大工作電流為800MA，而且芯片內還集成了過熱保護和限流電路，因此能保證正常、穩定的給整個系統供電。最后，穩壓芯片的濾波電容要靠近引腳，數字地和模擬地要分開。

6 總結

系統掃描方面占用的時間最多，約為總體時間的90%，因此本文重點放在減少掃描時間上。系統調試過程中發現對元器件精確度要求比較高，特別是運算放大器抗噪聲能力和抗漂移能力要求很高。接收光信號產生的微弱電流非常小，轉化的電壓值也很小，如果精確度和抗噪聲能力不夠的話，有用信號會被噪聲所湮沒，所以本文又增加了濾波電容，減少環境光對系統的干擾。

【參考文獻】

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

[2]吳娟.紅外多點觸摸技術的關鍵問題研究[D].合肥工業大學，2012.

[3]劉建軍，葉新林，劉新斌. 一種識別紅外觸摸技術上多個觸摸點的方法[P].中國：CN101075168A.

[4]Shneiderman B.Touch screens now offer compelling uses [J].Software， IEEE，1991（8）：93-94，107.

[5]P. Dietz， D. Leigh. Diamondtouch： a multi-user touch technology[C]//Proceedings of the 14th annual ACM symposium on User interface software and technology. Orlando， Florida， November 11 - 14， New York， 2001：219-226.

[責任編輯：湯靜]

【摘 要】紅外觸摸屏不受電壓、電流和靜電干擾，透光率好，適用于戴手套操作環境和開車等環境，得到廣泛應用。本文根據紅外觸摸屏的檢測原理，以飛思卡爾K60單片機為核心，設計低成本、高集成度的紅外觸摸屏的紅外發送及數據采集硬件系統。

【關鍵詞】紅觸摸屏；K60單片機；掃描

0 引言

紅外觸摸屏是在觸摸屏的四周布滿紅外接收管和紅外發射管，這些紅外管在觸摸屏的表面排列呈一一對應的位置關系，形成一張由紅外線布成的光網，當有物體（可以是手指，帶手套的手或任何觸摸物體）進入紅外光網阻擋住某處的紅外線發射接收時，此點的橫豎兩個方向的接收紅外管接收到的紅外線的強弱就會發生變化，設備通過了解紅外線的接收情況的變化就能知道何處進行了觸摸。

1 硬件系統設計

系統的核心以飛思卡爾公司的K60芯片為主控制器，它首先控制移位寄存器74HC164和譯碼器74HC138來完成接收管和發射管的矩陣掃描。然后控制信號處理模塊，不斷循環采集接收管的電壓幅度值。當有觸摸物進入觸摸區域時，由于對光線的遮擋，對應的接收管采集到的電壓值必然發生變化，此時通過與之前的值進行比較和運算，就可計算出觸摸點的坐標。最后再將得到的坐標數據通過USB發送給PC機，最終實現觸摸定位功能。

2 單片機選擇

硬件系統以Kinetis 60微控制器為核心，具有處理速度快，功耗低，成本低等優點，其片內128KB的RAM，512KB的FLASH，高達16位精度A/D采樣模塊和多通道的DMA模塊完全滿足了系統開發的需要。同時K60包含DSP內核，通過庫函數調用，方便進行數學運算以及數字信號處理，可以減輕硬件負擔，加快信號處理速度，減小響應時間。

3 紅外發送與接收電路設計

3.1 紅外發射及掃描電路

紅外發射及掃描電路如圖1所示。工作原理是通過74HC164和74HC138構成n*n（實驗以8*8做測試）掃描電路。74HC164為移位寄存器，它每次只使一個輸出腳為高電平，74HC138為38譯碼器，它每次只使一個輸出腳為低電平。圖中Cn，Cn+1為74HC164輸出腳，COUTn、COUTn+1為74HC138輸出腳。當Cn輸入低脈沖、COUTn為低電平時，紅外發射管點亮。改變Cn和COUTn，即可使不同發射管點亮，擴展此電路即可實現n*n掃描。

圖1 紅外發射及掃描電路

3.2 接收及放大電路

接收及放大電路如圖2所示。電路利用了三極管的開關特性來實現接收管部分的矩陣掃描。取樣電阻R109接在光敏三極管的集電極，當接收管接收到相應波長的紅外光時，會產生一定大小的光電流，R109將電流信號轉換成電壓信號，Qn接入74LS151數據選擇器輸入端，將電壓信號輸出。電路中的Cn與發射電路是相接的，這樣就能保證發射管和對應的接收管同時工作。

74LS151為互補輸出的8選1數據選擇器，它配合74HC164也能實現n*n路矩陣掃描輸出，其輸出引腳為Y腳，該引腳接到下一級的放大器進行放大處理。

圖2 紅外接收基本電路

紅外接收管被有效光照射后產生毫伏級別的電壓信號，需要對信號進行放大才能滿足模數轉換器AD的信號采集范圍。我們選擇低噪聲、低失真的放大器AD8330對模擬光電信號進行放大，在高增益下通過高速轉換，使其適合于作為模數轉換系統的前置放大，并且頻帶寬度折中較小，設計中可以靈活的使用整個動態范圍，而不會影響帶寬或者產生失真。

4 串口通信

本紅外觸摸屏采用串口通信方式，把計算出的坐標信息發送給主控設備。設計中，采用RS-232通信協議，應用MAX3232芯片吧單片機的TTL電平轉換為RS-232電平。應用串口通信，通信協議簡單，硬件實現方便。

5 電源電路

由于主控芯片需要3.3V的電壓，因此需要對電源電壓進行降壓處理。本系統采用LM1117-3.3V進行穩壓處理，LM1117-3.3V是一個正向低壓降穩壓器，其輸出固定電壓為3.3V，允許最大工作電流為800MA，而且芯片內還集成了過熱保護和限流電路，因此能保證正常、穩定的給整個系統供電。最后，穩壓芯片的濾波電容要靠近引腳，數字地和模擬地要分開。

6 總結

系統掃描方面占用的時間最多，約為總體時間的90%，因此本文重點放在減少掃描時間上。系統調試過程中發現對元器件精確度要求比較高，特別是運算放大器抗噪聲能力和抗漂移能力要求很高。接收光信號產生的微弱電流非常小，轉化的電壓值也很小，如果精確度和抗噪聲能力不夠的話，有用信號會被噪聲所湮沒，所以本文又增加了濾波電容，減少環境光對系統的干擾。

【參考文獻】

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

[2]吳娟.紅外多點觸摸技術的關鍵問題研究[D].合肥工業大學，2012.

[3]劉建軍，葉新林，劉新斌. 一種識別紅外觸摸技術上多個觸摸點的方法[P].中國：CN101075168A.

[4]Shneiderman B.Touch screens now offer compelling uses [J].Software， IEEE，1991（8）：93-94，107.

[5]P. Dietz， D. Leigh. Diamondtouch： a multi-user touch technology[C]//Proceedings of the 14th annual ACM symposium on User interface software and technology. Orlando， Florida， November 11 - 14， New York， 2001：219-226.

[責任編輯：湯靜]

【摘 要】紅外觸摸屏不受電壓、電流和靜電干擾，透光率好，適用于戴手套操作環境和開車等環境，得到廣泛應用。本文根據紅外觸摸屏的檢測原理，以飛思卡爾K60單片機為核心，設計低成本、高集成度的紅外觸摸屏的紅外發送及數據采集硬件系統。

【關鍵詞】紅觸摸屏；K60單片機；掃描

0 引言

紅外觸摸屏是在觸摸屏的四周布滿紅外接收管和紅外發射管，這些紅外管在觸摸屏的表面排列呈一一對應的位置關系，形成一張由紅外線布成的光網，當有物體（可以是手指，帶手套的手或任何觸摸物體）進入紅外光網阻擋住某處的紅外線發射接收時，此點的橫豎兩個方向的接收紅外管接收到的紅外線的強弱就會發生變化，設備通過了解紅外線的接收情況的變化就能知道何處進行了觸摸。

1 硬件系統設計

系統的核心以飛思卡爾公司的K60芯片為主控制器，它首先控制移位寄存器74HC164和譯碼器74HC138來完成接收管和發射管的矩陣掃描。然后控制信號處理模塊，不斷循環采集接收管的電壓幅度值。當有觸摸物進入觸摸區域時，由于對光線的遮擋，對應的接收管采集到的電壓值必然發生變化，此時通過與之前的值進行比較和運算，就可計算出觸摸點的坐標。最后再將得到的坐標數據通過USB發送給PC機，最終實現觸摸定位功能。

2 單片機選擇

硬件系統以Kinetis 60微控制器為核心，具有處理速度快，功耗低，成本低等優點，其片內128KB的RAM，512KB的FLASH，高達16位精度A/D采樣模塊和多通道的DMA模塊完全滿足了系統開發的需要。同時K60包含DSP內核，通過庫函數調用，方便進行數學運算以及數字信號處理，可以減輕硬件負擔，加快信號處理速度，減小響應時間。

3 紅外發送與接收電路設計

3.1 紅外發射及掃描電路

紅外發射及掃描電路如圖1所示。工作原理是通過74HC164和74HC138構成n*n（實驗以8*8做測試）掃描電路。74HC164為移位寄存器，它每次只使一個輸出腳為高電平，74HC138為38譯碼器，它每次只使一個輸出腳為低電平。圖中Cn，Cn+1為74HC164輸出腳，COUTn、COUTn+1為74HC138輸出腳。當Cn輸入低脈沖、COUTn為低電平時，紅外發射管點亮。改變Cn和COUTn，即可使不同發射管點亮，擴展此電路即可實現n*n掃描。

圖1 紅外發射及掃描電路

3.2 接收及放大電路

接收及放大電路如圖2所示。電路利用了三極管的開關特性來實現接收管部分的矩陣掃描。取樣電阻R109接在光敏三極管的集電極，當接收管接收到相應波長的紅外光時，會產生一定大小的光電流，R109將電流信號轉換成電壓信號，Qn接入74LS151數據選擇器輸入端，將電壓信號輸出。電路中的Cn與發射電路是相接的，這樣就能保證發射管和對應的接收管同時工作。

74LS151為互補輸出的8選1數據選擇器，它配合74HC164也能實現n*n路矩陣掃描輸出，其輸出引腳為Y腳，該引腳接到下一級的放大器進行放大處理。

圖2 紅外接收基本電路

紅外接收管被有效光照射后產生毫伏級別的電壓信號，需要對信號進行放大才能滿足模數轉換器AD的信號采集范圍。我們選擇低噪聲、低失真的放大器AD8330對模擬光電信號進行放大，在高增益下通過高速轉換，使其適合于作為模數轉換系統的前置放大，并且頻帶寬度折中較小，設計中可以靈活的使用整個動態范圍，而不會影響帶寬或者產生失真。

4 串口通信

本紅外觸摸屏采用串口通信方式，把計算出的坐標信息發送給主控設備。設計中，采用RS-232通信協議，應用MAX3232芯片吧單片機的TTL電平轉換為RS-232電平。應用串口通信，通信協議簡單，硬件實現方便。

5 電源電路

由于主控芯片需要3.3V的電壓，因此需要對電源電壓進行降壓處理。本系統采用LM1117-3.3V進行穩壓處理，LM1117-3.3V是一個正向低壓降穩壓器，其輸出固定電壓為3.3V，允許最大工作電流為800MA，而且芯片內還集成了過熱保護和限流電路，因此能保證正常、穩定的給整個系統供電。最后，穩壓芯片的濾波電容要靠近引腳，數字地和模擬地要分開。

6 總結

系統掃描方面占用的時間最多，約為總體時間的90%，因此本文重點放在減少掃描時間上。系統調試過程中發現對元器件精確度要求比較高，特別是運算放大器抗噪聲能力和抗漂移能力要求很高。接收光信號產生的微弱電流非常小，轉化的電壓值也很小，如果精確度和抗噪聲能力不夠的話，有用信號會被噪聲所湮沒，所以本文又增加了濾波電容，減少環境光對系統的干擾。

【參考文獻】

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

[2]吳娟.紅外多點觸摸技術的關鍵問題研究[D].合肥工業大學，2012.

[3]劉建軍，葉新林，劉新斌. 一種識別紅外觸摸技術上多個觸摸點的方法[P].中國：CN101075168A.

[4]Shneiderman B.Touch screens now offer compelling uses [J].Software， IEEE，1991（8）：93-94，107.

[5]P. Dietz， D. Leigh. Diamondtouch： a multi-user touch technology[C]//Proceedings of the 14th annual ACM symposium on User interface software and technology. Orlando， Florida， November 11 - 14， New York， 2001：219-226.

[責任編輯：湯靜]