機載大屏幕顯示器紅外觸摸組件設計

（海軍裝備部駐上海地區軍事代表局，江蘇蘇州215151）

在信息化戰爭條件下，戰場信息的爆炸式增長對戰斗機的人機交互性能提出了更高的要求。戰斗機顯示系統需要向飛行員提供更加豐富的導航、任務、戰場態勢等信息以支持高效的戰斗。滿足大量信息顯示的主流解決方案是采用大屏幕顯示器。而大屏幕顯示器（20 inch×8 inch）與傳統的小屏幕顯示器（不大于8 inch×6 inch）相比，顯示面積和信息量增加了近4倍，采用傳統的周邊物理按鍵的控制方式已無法滿足飛行員操作使用的需求。

觸摸控制技術以其“所觸即所得”的操控方式極大地提高了顯示器的操作效率。紅外觸摸控制技術采用光學非接觸觸摸方式，與一般的電阻觸控技術和電容觸控技術相比，它具有不受電流、電壓和靜電干擾，觸摸面不怕污染，可佩戴手套操作，維護成本低，適宜惡劣環境等優點[1-3]。紅外觸控技術在民用領域使用廣泛[4-9]，在軍用機載設備領域使用還處于起步階段。美國F-35 戰斗機的機載大屏幕顯示器首次應用紅外觸摸技術作為人機交互輸入方式。目前，國內還沒有紅外觸控屏幕相關的國軍標或行業標準。本文根據機載大屏幕顯示器的人機交互輸入設計需求，針對機載座艙特殊使用環境對高抗強光干擾能力、高精度、高分辨率、高可靠性的要求，設計了機載大屏幕顯示器的紅外觸摸組件。

1 組件硬件設計

紅外觸摸組件的工作原理如下：在大屏幕顯示器四周安裝數對紅外發射管和紅外接收管，控制紅外發射管分別在橫、豎2個方向上不斷掃描，發出的紅外光線形成柵格狀矩陣，同時控制相對的紅外接收管不斷探測。當飛行員觸摸大屏幕顯示器某一位置時，紅外觸摸組件檢測到橫向和縱向的紅外光線被阻隔，從而識別觸摸并將計算得到的觸摸坐標實時傳遞給顯示器。顯示器根據接收的觸摸信息觸發相應功能，從而完成飛行員觸摸控制的完整操作。

紅外觸摸組件由紅外收發模塊和觸摸控制模塊組成，如圖1所示。其中，紅外收發模塊為框架式結構，安裝于機載大屏幕顯示器前端；觸摸控制模塊安裝于大屏幕顯示器內部。2個模塊通過接插件連接。觸摸控制模塊通過串行接口與大屏幕顯示器進行通訊，完成人機交互輸入功能。

圖1 紅外觸摸組件組成框圖Fig.1 Composition diagram of infrared touch component

1.1 雙向紅外收發模塊

紅外收發模塊包括紅外發射管陣列、紅外接收管陣列和驅動控制電路。一般紅外發射管發射的紅外光線主波長為850～1 040 nm，紅外接收管的敏感波長范圍為770～1 200 nm。由于太陽光中含有非常強的紅外光部分，波長范圍包括了紅外接收管的敏感波長，直接輻射強度遠超紅外發射管輻射到紅外接收管位置的強度，導致無法識別觸摸[4]。特別是在機載座艙環境中，由于戰斗機在高空飛行時太陽光輻射較強，且戰斗機可能以任何姿態飛行，姿態變換速度較快，所以在紅外收發模塊設計中必須考慮抗全角度強光直射問題。此外，作為機載設備，保證其在惡劣環境中高可靠性工作的余度設計也是需要考慮的關鍵問題之一。

1.1.1 紅外發射接收陣列

紅外發射接收陣列采用雙向紅外收發的方式，如圖2所示。

在紅外收發模塊的上下和左右兩側各安裝2排交錯排列的紅外發射接收管，包括一排紅外發射管和一排紅外接收管；上下左右4個方向總共4 排紅外發射管和4 排紅外接收管，每排燈管單獨驅動控制。在紅外收發模塊掃描時可以組合4種正常掃描方式：上發下收（A）左發右收（C）、上發下收（A）左收右發（D）、上收下發（B）左發右收（C）、上收下發（B）左收右發（D）。這樣的4種組合方式可以在太陽光以任意角度射入紅外收發模塊時，通過環境光強掃描，選擇不受影響的紅外發射接收管組合方式，避開受陽光干擾強烈的接收管方向，解決抗強光直射干擾的問題。同時，雙排紅外發射接收管設計在2 排紅外發射接收管中有一排發生損壞的情況下，可使用另一排燈管替代，達到余度設計的目的，保證了紅外觸摸組件作為機載設備的高可靠性要求。當戰斗機飛行任務在陰天或者夜間無強光直射且無紅外發射接收管損壞時，采用雙排燈管全掃描方式（E），可以將紅外觸摸分辨率提高一倍。

紅外發射管選用型號為KEL-5315C 紅外發射二極管，紅外接收管選用型號為KDT-6315A的硅光電晶體管（響應波長為700～1 050 nm，中心波長為880 nm），它們的封裝形式為扁平封裝，體積小，適用于密集排列的紅外收發模塊安裝。

1.1.2 動態地址掃描電路

驅動控制電路采用動態地址掃描的方式控制紅外收發管。對上下左右4個方向的每排紅外發射管和紅外接收管均采用單獨控制，相當于每個紅外發射接收管都對應著一個“地址”，主控制器根據“地址表”可以單獨控制任意一個紅外發射接收管工作。相比于串行控制方式，并行控制方式在非正常全范圍掃描中能夠更加靈活的控制特定位置的紅外發射接收管工作。紅外發射接收管驅動控制電路原理如圖3所示。

圖3 紅外發射接收管驅動控制電路原理Fig.3 Drive control circuit principle of infrared launching and receiving tubes’

1.2 觸摸控制模塊

觸摸控制模塊是紅外觸摸組件的核心，主要功能為：紅外發射接收管掃描控制、光電信號處理、觸摸坐標計算和與顯示器通訊的功能[5-7，10]。觸摸控制模塊包括主控制器、信號采集調理電路和外部接口電路，如圖4所示。

圖4 觸摸控制模塊硬件設計原理Fig.4 Design of touch control module’s hardware

主控制器選用基于Cortex-M3 內核的ARM 處理器STM32F103VEH7，主要完成對紅外收發模塊的紅外發射接收管掃描控制、紅外接收管響應電壓（模擬電信號）采集、觸摸坐標計算和外部接口控制。紅外發射管和紅外接收管要求同步工作，采用脈沖方式嚴格按照時序控制，紅外接收管的響應電壓采集也需要采用脈沖采集方式，由模擬開關74HC4066 通斷控制實現。紅外接收管的響應電壓值比較小，為20～50 mV之間，所以在輸入ARM端ADC 采樣之前需要進行小信號放大，由信號調理電路完成。信號調理電路由運放芯片AD8694 和數字電位器MAX5407組成，AD8694的4路運放進行級聯放大。由于每個紅外接收管存在性能差異，特別是長時間使用后差異更加明顯，為保持響應電壓的一致性，采用32級可調數字電位器MAX5407 芯片調整各紅外接收管的放大倍數。ARM端的ADC 接口對模擬電信號進行模數轉換后，根據響應電壓值進行觸摸坐標的計算。外部接口電路由ARM 控制，主要包括用于與顯示器通訊傳遞觸摸坐標的RS232串口模塊，用于產品后期軟件升級的在線編程功能模塊，5 V 轉3.3 V的電源轉換模塊以及外部時鐘，JTAG調試端口和硬件復位模塊。

2 組件軟件設計

紅外觸摸控制軟件主要完成上電初始化、掃描控制、觸摸數據采集、觸摸坐標計算和與顯示器的串口通訊功能。紅外觸摸控制軟件按照模塊化設計方案主要由初始化模塊、掃描控制模塊、數據采集模塊、觸摸定位模塊、串口通訊模塊和故障檢測模塊6 部分組成，軟件設計的模塊化框圖如圖5所示。

圖5 紅外觸摸控制軟件模塊化設計Fig.5 Software’s modular design of infrared touch control

初始化模塊主要完成硬件驅動初始化和紅外收發模塊的紅外發射接收管陣列地址表（A8-A0，B8-B0）的初始化工作。

掃描控制模塊的功能分為3部分：環境光強掃描、單點觸摸掃描和多點觸摸掃描。因為戰斗機在執行飛行任務時姿態變化頻繁，環境光也隨機身姿態變化而改變，所以須定時檢測因環境光強變化而造成的接收管響應電壓值變化，來選擇紅外發射接收管組合方式，抗強光直射干擾。飛行員對大屏幕顯示器主要通過點擊、滑動和拖拽等單點觸摸動作來完成屏幕顯示信息的操作。此外，對導航、地圖信息操作涉及到畫面縮放、旋轉等需求，需要多點觸摸來完成操作。因此，在正常工作時掃描控制采用單點掃描流程，在檢測到有多點觸摸時啟用多點掃描流程。在掃描控制中嚴格按照時序控制紅外發射管、紅外接收管和信號采集同步工作。

數據采集模塊主要完成對接收管響應電壓值的ADC采集，并根據預設遮擋閾值（一般為0.5～0.8）和紅外接收管的響應電壓值來判定當前掃描序號的紅外對管是否被遮擋。

觸摸定位模塊主要根據數據采集模塊記錄的被遮擋紅外對管的位置計算出觸摸中心坐標，根據之前掃描周期中是否有觸摸來判定當前觸摸狀態是無觸摸、開始觸摸、持續觸摸或者結束觸摸狀態。同時該模塊還包括對觸摸坐標跳躍、漂移等現象的穩定性優化算法，保證紅外觸摸組件的觸摸穩定性和精確定位。

串口通訊模塊主要完成2 部分工作：一是顯示坐標映射，將觸摸坐標位置映射到機載大屏幕顯示器的顯示坐標系中。由于紅外發射接收管的安裝數量受顯示器尺寸限制，遠小于顯示器的分辨率，因而采用硬件量化分級策略，將每個紅外接收管對應ADC采樣的響應電壓值分為N級，N 與橫向和縱向紅外發射接收管數量和顯示器分辨率相關。本文取N=32，每個燈管寬度為5 mm，則觸摸精度可達到0.15 mm，完全滿足大屏幕顯示器的分辨率要求。二是按照與顯示器的接口協議將映射后的顯示觸摸坐標和觸摸狀態打包發送給顯示器處理，觸發顯示畫面的相應功能。

故障檢測模塊主要完成2 部分工作：一是壞管檢測，在紅外觸摸組件每工作一定時間后掃描所有紅外發射接收管的工作狀態，確定已損壞的紅外發射接收管。二是分辨率補償，即對已損壞的紅外發射接收管采用最近距離的正常燈管替代掃描，從而保證在有故障管存在時紅外觸摸組件的觸摸分辨率不降低。這對紅外觸摸組件的可靠性和使用壽命均有所提高。

3 性能指標測試

根據機載大屏幕顯示器的人機交互技術需求，參照紅外觸摸屏行業內的測試項目，采用模擬大屏幕顯示器真實顯示畫面的測試軟件，進行性能指標測試。測試項目和性能指標測試結果如表1所示。

表1 紅外觸摸組件性能指標測試Tab.1 Performance test of infrared touch component

表1的測試結果和性能指標表明，本文設計的紅外觸摸組件的各性能指標完全滿足機載大屏幕顯示器的人機交互需求。

4 總結

針對傳統周邊物理按鍵無法滿足機載大屏幕顯示器人機交互需求的問題，設計了機載大屏幕顯示器的紅外觸摸組件。該設計采用了雙向紅外收發、動態地址掃描、環境光強掃描、多點觸摸掃描等技術。通過模擬畫面測試軟件對該紅外觸摸組件進行了性能指標測試。結果表明，該組件具有高分辨率、高精度、高可靠性、抗強光直射干擾、支持多點觸控等特點，完全滿足機載大屏幕顯示器的人機交互需求。隨著機載大屏幕顯示器紅外觸摸組件的配裝，根據飛行員的使用體驗和飛行試驗數據的積累，將進一步改進紅外觸摸組件的性能。

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