基于紅外傳感的大屏幕嵌入式交互系統(tǒng)設(shè)計

丘田園

（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河源 517000）

基于紅外傳感的大屏幕嵌入式交互系統(tǒng)設(shè)計

丘田園

（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河源 517000）

設(shè)計解決抗強光干擾、多點觸摸、高分辨率的紅外線觸摸屏。通過與嵌入式平臺的結(jié)合，利用嵌入式平臺的靈活小巧等特點，定制一套跨平臺的嵌入式紅外觸摸屏交互系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)將紅外觸摸屏操作靈活方便的特點完全體現(xiàn)出來。

紅外觸摸屏；分辨率；多系統(tǒng)；多觸點；嵌入式

1 總體結(jié)構(gòu)

1.1 總體設(shè)計思路

本文的作品包括三部分：第一，紅外觸摸屏硬件平臺的搭建。第二，基于嵌入式的USB無驅(qū)動設(shè)計。第三，基于凌動平臺的交互系統(tǒng)軟件設(shè)計。具體流程圖如下：

圖1 流程圖

1.2 紅外觸摸屏硬件平臺的搭建

采用可擴(kuò)展設(shè)計，可以自由擴(kuò)大屏幕大小，用成對的紅外發(fā)射接收裝備實現(xiàn)定位操作，利用10M晶體振蕩器提供時鐘頻率，USB供電電路，利用C8051f340芯片內(nèi)部自帶的AD轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，制定相關(guān)規(guī)則，消除干擾信號。

硬件平臺大致結(jié)構(gòu)如下：

圖2 紅外觸摸屏硬件平臺結(jié)構(gòu)

1.3 基于USB免驅(qū)動設(shè)計方案

為了更好地增強硬件的兼容性和使用方面的便利，我們采用USB免驅(qū)動設(shè)計。通過制定HID報告描述符，我們定義了完整的USB傳輸協(xié)議，使得該硬件適用于任何一臺裝有支持USB協(xié)議系統(tǒng)的微機。在接入USB數(shù)據(jù)線時，只需要等待識別便能正常工作。

1.4 基于凌動平臺的交互軟件

同樣為了能夠支持更多的平臺，我們采用了Flash Builder軟件進(jìn)行了跨系統(tǒng)平臺的設(shè)計思路。

只要系統(tǒng)安裝了Flash虛擬機，那么就可以在不改變軟件代碼的情況下進(jìn)行完美的移植工作。Flash在交互性上首屈一指，與觸摸屏的結(jié)合更是能體現(xiàn)出特有的魅力，為了更加地突出觸摸屏的操作簡單快捷時尚的特點，我們引入了觸摸手勢的概念。通過識別觸摸手勢，來快捷地實現(xiàn)圖片的放大、縮小、切換等功能。

2 硬件電路實現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計框架

紅外觸摸屏的原理是在屏幕四邊放置紅外發(fā)射管和紅外接收管，微處理器控制驅(qū)動電路依次掃描紅外發(fā)射管并檢查相應(yīng)的紅外接收管，以形成橫豎交叉的紅外光陣列，得到定位的信息。我們以C8050F340芯片為微處理器，通過1個74138和1個74238的控制對紅外發(fā)射管逐個掃描，同時微處理器通過內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換每個相應(yīng)的紅外接收管，得到相應(yīng)的光強值。微處理器根據(jù)接收到的被遮擋前后的光強信號得到觸摸的位置信息，并通過USB將該信息傳送給主機。

2.2 微處理器電路

微處理器在紅外觸摸屏硬件系統(tǒng)中起著核心的作用：①完成對紅外發(fā)射電路的驅(qū)動；②完成對紅外接收電路的驅(qū)動；③完成對是否被觸摸的判斷以及觸摸位置信息的計算；④將觸摸位置信息通過USB傳送給主機；⑤調(diào)試整個程序的運行。

這部分電路中主要包括驅(qū)動紅外發(fā)射部分，驅(qū)動紅外接收部分、串口調(diào)試部分、USB通信部分、JTAG調(diào)試部分。

C8050F340芯片部分如圖3。

圖3 C8050F340芯片

驅(qū)動紅外發(fā)射部分是多個74138完成的，它們分別為控制紅外發(fā)射管亮暗狀態(tài)的信號：電路原理圖如圖4所示。

圖4 紅外發(fā)射驅(qū)動

驅(qū)動紅外接收部分基本與發(fā)射一致。發(fā)射部分用的是三極管，接收部分用的是MOS管。發(fā)射部分用三極管是開關(guān)和驅(qū)動作用，接收部分的MOS管是開關(guān)作用。

圖5是濾波放大的電路圖，信號首先通過一階巴特沃斯高通濾波器和放大，濾掉一部分低頻率的雜波和對波形經(jīng)行放大,然后再進(jìn)行低通濾波，再進(jìn)行放大,然后得到的波形,就可以進(jìn)行AD采樣。

圖5 高通濾波電路圖

濾波原理為；f=1/（2*π*R*C）；高通濾波就是低于此頻率的全部被濾掉，低通就是高于此頻率的被濾掉。

串口通信部分用來便于我們調(diào)試輸出結(jié)果捕獲AD轉(zhuǎn)換的值。電路原理圖如圖6。

圖6 串口通信模塊

JTAG調(diào)試部分，其電路原理圖如圖7。

圖7 JTAG調(diào)試模塊

完整電路圖如圖8。

2.3 紅外發(fā)射電路

本文中紅外觸摸屏采用逐一點亮紅外發(fā)射管的工作方式，整個紅外發(fā)射電路是通過每片74138掃描8支紅外發(fā)射管來實現(xiàn)的。使其電路實現(xiàn)如圖9。通過改變p1.0，p1.1，p1.2，其值在000～111之間循環(huán)，p1.4是使能端給1使能，0關(guān)閉。

圖8 完整電路圖

圖9 紅外發(fā)射電路

同理，接收電路也是如此通過改變p2.1，p2.1，p2.3，使其值在000～111之間循環(huán)，p2.4是使能端給1使能，0關(guān)閉。

圖10 紅外接收電路

2.4 二維選通控制電路

二維選通控制電路通過2個譯碼器可以最多選通64個元器件，精簡了控制電路。如圖11所示。

圖11 二維選通控制電路

3 USB免驅(qū)動的實現(xiàn)方法

3.1 采用USB傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)點

在制板初期由于USB無法方便地跟隨到數(shù)據(jù)，不方便調(diào)試，采用串口傳輸。但串口由于體積較大，并且目前可能有些機器沒有串口，導(dǎo)致實用性大大降低。并且如果采用串口傳輸必定要制定新的協(xié)議，開發(fā)驅(qū)動，用戶在使用的過程必須安裝驅(qū)動，這樣將非常不方便。采用USB傳輸可以輕松解決很多問題，在驗證理論達(dá)到工業(yè)制板的條件后，我們果斷地放棄了串口，通過USB進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。其優(yōu)點傳輸速率快、體積較串口大大減少、采用通用的HID協(xié)議可以做到無驅(qū)動。

3.2 USB-HID報告描述符設(shè)計

在實際開發(fā)過程中采用HID協(xié)議還是比較有難度的，由于觸摸屏是絕對坐標(biāo)，不能套用鼠標(biāo)（鼠標(biāo)是相對坐標(biāo)）的傳統(tǒng)概念，必須重新書寫HID報告描述符。通過查詢USB通信協(xié)議手冊，翻閱大量文獻(xiàn)資料，終于成功定義了觸摸屏的報告描述符。

表1是HID報告描述符具體指令分析。

4 基于凌動嵌入式平臺的交互軟件實現(xiàn)

博創(chuàng)公司提供的英特爾凌動處理器平臺，運用了英特爾公司的低功耗架構(gòu)、晶體管與電路設(shè)計方面的優(yōu)勢以及獨特的制造處理技術(shù)。所用芯片繼承了英特爾經(jīng)典產(chǎn)品優(yōu)勢——以其杰出的操作性能，能夠運行各式多媒體和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序、各種軟件，并能夠輕松執(zhí)行多種應(yīng)用程序的多任務(wù)處理。

由于論文定位的應(yīng)用旨在提供活潑、效果豐富的嵌入式人機交互系統(tǒng)解決方案，要求運行交互軟件處理器具有較強的處理能力，普通的基于ARM9 s3c2410、ARM11 s3c6410的嵌入式平臺已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足本項目的要求，因而凌動平臺為復(fù)雜的交互軟件提供了理想的嵌入式解決方案。

基于凌動嵌入式平臺交互軟件主要包括觸摸屏校正模塊、人機交互演示軟件兩部分內(nèi)容。

表1

校正模塊效果圖如下：

圖12

人機交互圖如下：

圖13

[1] 高玉良．電路與模擬電子技術(shù)．高等教育出版社，2008

[2] 鄧元慶，關(guān)宇，賈鵬．?dāng)?shù)字設(shè)計基礎(chǔ)與應(yīng)用.清華大學(xué)出版社，2005

[3] 周立功．ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程．北京航空航天大學(xué)出版社，2008

[4] 周春景，鐘杰婷．中國專利：101477428，1998．2009-07-08，G06F3/042（2006.01）I.

[5] 周春景，盧如西.中國專利：1945514，2007-04-11，G06F3/042（2006.01）

[6］T·E·馬斯特斯，R·W·克內(nèi)特施．美國專利：1433557，2003-07-30．G06K11/08

[7] 葉新林，劉建軍，劉新坤．中國專利：101000529，2007-07-18，G06F3/041（2006.01）

Design of Large-screen Interactive Embedded System Based on Infrared Sensor

QIU Tian-yuan
(Heyuan Vocational and Technical College,Heyuan 517000)

Designs an infrared touch screen with anti-glare,multi-touch and high resolution.Compacts with flexible features embedded platform, customizes a set of cross-p latform embedded infrared touch screen interactive system,the system uses infrared touch screen and flexible operation and convenient features fully reflected.

Infrared Touch Screen;Resolution;Multi-system;Multi-touch;Embedded

1007-1423（2015）06-0075-06

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.06.019

丘田園（1985-），男，廣東河源人，本科，助理工程師，研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)、無線通信網(wǎng)絡(luò)

2014-12-09

2015-01-29