紅外觸摸屏響應(yīng)分析及延時(shí)優(yōu)化

郭 瑞，朱沛立

（太原航空儀表有限公司，山西太原030006）

紅外觸摸屏響應(yīng)分析及延時(shí)優(yōu)化

郭 瑞?，朱沛立

（太原航空儀表有限公司，山西太原030006）

對機(jī)載多功能顯示器紅外觸摸屏響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行分析和計(jì)算，尋找縮短響應(yīng)時(shí)間以便滿足用戶要求的方法.通過VC++對響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了計(jì)算，根據(jù)觸摸過程和計(jì)算結(jié)果，通過提高RS-232的波特率、中斷實(shí)時(shí)接收處理觸點(diǎn)數(shù)據(jù)和合并任務(wù)的方法對響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化.優(yōu)化后觸摸響應(yīng)的最大延時(shí)時(shí)間可縮短約37.5 ms，優(yōu)化后的延時(shí)約為89.5 ms.保證了飛行員可以及時(shí)得到需要的畫面，滿足用戶需求.

多功能顯示器；紅外觸摸屏；響應(yīng)時(shí)間；延時(shí)優(yōu)化

1　引 言

機(jī)載多功能顯示器是顯示與控制系統(tǒng)重要的人機(jī)接口設(shè)備，用于顯示機(jī)上各種視頻信息.隨著航空工業(yè)的發(fā)展，機(jī)載多功能顯示器人機(jī)交互不僅僅滿足于傳統(tǒng)的按鍵操作，觸摸屏因其具有操作簡單，使用靈活的特點(diǎn)在航空多功能顯示器中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，紅外觸摸屏是其中的一種，它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(dòng)電路依次接通紅外發(fā)射管并檢測相應(yīng)的紅外接收管，形成橫豎交叉的紅外光陣列，它無需薄膜，光透過率為100%，而且不受電流、電壓和靜電干擾，適宜惡劣的環(huán)境條件，因此很適宜在航空機(jī)載設(shè)備中使用［1-2］.在紅外觸摸屏的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)中，響應(yīng)時(shí)間是其中的主要指標(biāo)之一，觸摸畫面能否及時(shí)響應(yīng)，保證用戶體驗(yàn)具有很重要的意義，該時(shí)間越短飛行員越可以及時(shí)得到需要的畫面，因此如何進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間分析、計(jì)算及優(yōu)化是觸摸屏需要研究的課題.

2　紅外觸摸響應(yīng)分析

2.1觸摸響應(yīng)流程分析

當(dāng)紅外觸摸屏用于機(jī)載多功能顯示器時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品需求畫面調(diào)用過程對其觸摸響應(yīng)流程進(jìn)行分析，見圖1，從人員發(fā)出觸屏操作到觀測顯示圖形，多功能顯示器需經(jīng)過10個(gè)處理過程，分別為P1紅外行列掃描、P2觸點(diǎn)處理并發(fā)送、P3觸點(diǎn)到主控模塊的總線傳輸、P4主控模塊觸點(diǎn)接收處理、P5主控模塊計(jì)算和設(shè)置畫面參數(shù)、P6觸點(diǎn)到圖形處理模塊的總線傳輸、P7圖形處理模塊對數(shù)據(jù)的接收處理、P8圖形處理、P9視頻信號傳輸和P10圖形顯示.其中，紅外觸摸屏負(fù)責(zé)完成過程P1和P2，連續(xù)不斷的周期執(zhí)行，P1和P2之間沒有時(shí)間間隙；P3為數(shù)據(jù)在總線上傳輸過程（本文用RS-232信號進(jìn)行總線傳輸）；P4和P5為主控模塊上運(yùn)行的兩個(gè)周期任務(wù)，任務(wù)周期均為20 ms；P6為數(shù)據(jù)從總線發(fā)送到圖形處理模塊的過程（本文通過CPCI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸）；P7和P8在圖形處理模塊上處理，兩個(gè)環(huán)節(jié)循環(huán)執(zhí)行，無時(shí)間間隔；P9為視頻傳輸過程（本文為LVDS信號）；P10為液晶顯示屏刷新圖像的過程.

圖1　觸摸響應(yīng)流程Fig.1　Process diagram of touch display

2.2各過程執(zhí)行時(shí)間分析

P1過程:紅外觸摸屏的CPU進(jìn)行紅外掃描，即將某個(gè)紅外發(fā)射燈管打開，發(fā)射紅外信號，檢測對應(yīng)的紅外接收三極管狀態(tài)，關(guān)閉該發(fā)射燈管，打開下一個(gè)燈管，繼續(xù)掃描.分別進(jìn)行垂直方向、水平方向、斜向掃描.根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，P1執(zhí)行總時(shí)間約為20 ms［3］，本文采用的觸摸屏根據(jù)掃描時(shí)間和燈管數(shù)量的最優(yōu)化處理，該部分執(zhí)行時(shí)間為10.5 ms.

P2過程:紅外觸摸屏的CPU將P1過程的掃描結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，得到觸點(diǎn)信息，并將該信息寫入RS-232發(fā)送單元.該過程的執(zhí)行時(shí)間很短，約為1.5 ms.

P3過程:根據(jù)紅外觸摸屏與主控模塊之間的通訊協(xié)議規(guī)定，RS-232的波特率為38 400，1個(gè)起始位，1個(gè)停止位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)奇偶校驗(yàn)位，有觸點(diǎn)時(shí)數(shù)據(jù)包中共計(jì)14字節(jié).因此總線傳輸時(shí)間為（14×11/38 400）=4 ms.

P4過程:主控模塊查詢接收當(dāng)前RS-232通道的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)包完整性進(jìn)行判斷，得到觸點(diǎn)坐標(biāo).該過程執(zhí)行時(shí)間通過計(jì)算得到.

P5過程:主控模塊通過觸點(diǎn)坐標(biāo)解碼、設(shè)置相應(yīng)畫面的參數(shù)和數(shù)據(jù).該過程執(zhí)行時(shí)間通過計(jì)算得到.

P6過程:將相應(yīng)的畫面參數(shù)進(jìn)行格式封裝，并通過CPCI總線數(shù)據(jù)傳輸，該過程執(zhí)行時(shí)間通過計(jì)算得到.

P7過程:圖形處理模塊查詢接收控制發(fā)送的觸點(diǎn)數(shù)據(jù).該過程執(zhí)行時(shí)間很短，小于1 ms.

P8過程:圖形處理模塊生成顯示畫面，并生成LVDS信號.根據(jù)圖形處理模塊硬件資源，該過程的執(zhí)行時(shí)間約為11 ms.

P9過程:LVDS信號傳輸過程.時(shí)間為（1/ 60）約為16.6 ms.

P10過程:液晶顯示屏顯示LVDS信號.時(shí)間很短，可忽略.

從上述分析可見，紅外觸摸用于機(jī)載多功能顯示器時(shí)響應(yīng)時(shí)間的計(jì)算主要為主控模塊對需求畫面的解碼、設(shè)置、封裝過程的計(jì)算.

2.3延時(shí)分析

紅外觸摸屏和圖形處理模塊的處理方式為循環(huán)處理，任務(wù)執(zhí)行時(shí)間基本與周期相同，該過程執(zhí)行延時(shí)分析見圖2.

如圖2所示，任務(wù)P1和P2循環(huán)執(zhí)行，執(zhí)行周期（T）和執(zhí)行時(shí)間（t）相同，需處理的事件在t1時(shí)刻或t2時(shí)刻發(fā)生時(shí)，均只有在下一周期才能得到處理，即在T2時(shí)刻完成處理，因此某事件發(fā)生到必定處理完成所需的最大時(shí)間Tmax=T+t= T×2.

主控模塊的兩個(gè)過程P4和P5的處理方式為周期任務(wù)查詢處理，任務(wù)執(zhí)行時(shí)間小于執(zhí)行周期，處理延時(shí)見圖3.

圖2　循環(huán)任務(wù)延時(shí)分析Fig.2　Analysis diagram of cycle task

圖3　周期任務(wù)延時(shí)分析Fig.3　Analysis diagram of periodic task

如圖3所示，任務(wù)執(zhí)行的周期為T，任務(wù)執(zhí)行時(shí)間為t，t＜T，事件在t1時(shí)刻或t2時(shí)刻發(fā)生時(shí)，均能在下一周期得到處理，即（T1+t）時(shí)刻完成，因此事件發(fā)生到處理完成的最大時(shí)間Tmax=T+t.

2.4代碼實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述的各過程時(shí)間分析和延時(shí)分析，采用VC++對觸摸響應(yīng)過程的最大時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，如下:

2.5計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算，得到響應(yīng)時(shí)間最大值為127 ms.見圖4.

3　優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

通過對目前多功能顯示器觸摸響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，該結(jié)果不能滿足指標(biāo)要求的不大于100 ms的要求，可選擇的優(yōu)化方法分析見下.

3.1減小傳輸過程延時(shí)

傳輸過程延時(shí)主要產(chǎn)生在P3、P6、P9過程，P6過程延時(shí)時(shí)間很短，可忽略不計(jì)；P9過程時(shí)間由液晶屏視頻刷新率確定，不可變更；因此可通過提高波特率減小P3過程執(zhí)行時(shí)間，RS-232波特率最高為115 200 bps，因此P3執(zhí)行時(shí)間可減小為約1.4 ms.

3.2縮短周期任務(wù)執(zhí)行時(shí)間

周期任務(wù)執(zhí)行時(shí)間主要產(chǎn)生在P4、P5過程，縮短周期任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間可采用如下3種方法:

（a）縮短任務(wù)執(zhí)行周期

將主控模塊RS-232查詢接收和更新控制數(shù)據(jù)的任務(wù)周期縮短.該方法可以減少P4、P5的過程延時(shí)，但會影響主控模塊上其他周期任務(wù)的執(zhí)行，因此該方法不予采用.

（b）合并任務(wù)，減少過程

將更新觸點(diǎn)數(shù)據(jù)的功能移植到查詢接收RS-232的任務(wù)中，即將P5過程與P4過程合并.該方法能夠減小P4、P5過程的延時(shí)，縮短觸摸響應(yīng)時(shí)間20 ms且不會影響軟件的功能和性能.

（c）中斷處理

采用中斷方式處理RS-232通訊，在中斷服務(wù)函數(shù)中處理RS-232數(shù)據(jù)同時(shí)將觸點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送

到圖形處理模塊.該方法可以縮短觸摸響應(yīng)時(shí)間20 ms且不會影響軟件的功能和性能.

3.3縮短循環(huán)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間

循環(huán)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間主要來源為紅外觸摸屏和圖形處理模塊的P1、P2，P7、P8過程，通過減少紅外掃描每個(gè)燈管的工作時(shí)間、減少燈管個(gè)數(shù)可以縮短紅外觸摸屏處理時(shí)間［4-5］，在滿足紅外觸摸屏穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)上，該部分時(shí)間已經(jīng)得到了優(yōu)化.

若想縮短圖形處理模塊的處理時(shí)間則需更換硬件方案采用更高速度的圖形處理模塊和處理器，這會增加圖形處理模塊的功耗，這必然對產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)帶來壓力，使產(chǎn)品高溫工作性能和穩(wěn)定性得不到保證，因此該方法也不予采用.

3.4優(yōu)化結(jié)果

綜上所述，通過采用提高RS232波特率、中斷實(shí)時(shí)接收處理觸點(diǎn)數(shù)據(jù)和合并任務(wù)的方法可以縮短響應(yīng)時(shí)間，優(yōu)化后的計(jì)算結(jié)果見圖5.

圖5　優(yōu)化后響應(yīng)時(shí)間結(jié)果Fig.5　Count result of optimized response time

4　結(jié) 論

機(jī)載多功能顯示器紅外觸摸屏作為機(jī)上重要的人機(jī)接口設(shè)備，要求快速響應(yīng)飛行員的觸摸信息，文中對響應(yīng)過程進(jìn)行了分析，計(jì)算出了響應(yīng)時(shí)間，為了提高響應(yīng)速度，對任務(wù)處理進(jìn)行了優(yōu)化，通過提高RS-232的波特率、中斷實(shí)時(shí)接收處理觸點(diǎn)數(shù)據(jù)和合并任務(wù)的方法，觸摸響應(yīng)的最大延時(shí)時(shí)間可縮短約37.5 ms，優(yōu)化后的延時(shí)約為89.5 ms，滿足指標(biāo)不大于100 ms的要求.

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Analysis and optimization of response time in infrared touch display

GUO Rui?，ZHU Pei-li

（Taiyuan Aero-Instruments Co.，Ltd.，Taiyuan 030006，China）

The response time of infrared touch airborne display is analyzed and tested，and the optimization method of response time is introduced to meet the needs of users.The response time is counted in VC++.According to the touch process and the count result of response time，the response time can be reduced through increasing RS232 signal Baud rate，interrupt method and merging tasks.The optimized response time is 89.5 ms，which reduces 37.5 ms than before.The optimized response time ensures the aviator can see general picture in time.

multifunctional display；infrared touch display；response time；time-delay optimization

TP391

A doi:10.3788/YJYXS20153006.1057

1007-2780（2015）06-1057-06

郭瑞（1980-），女，山西臨汾人，碩士，中級工程師，主要從事機(jī)載多功能顯示器設(shè)計(jì)方面的研究.E-mail: 15343409087@163.com

2015-05-09；

2015-07-01.

?通信聯(lián)系人，E-mail:15343409087@163.com