CN101788870B - 一种多频扫描红外触摸装置 - Google Patents

Abstract

一种多频扫描的红外触摸装置，其中红外发射和接收对管被分为若干组，每个发射管组内的每只发射管均被一个载波频率源和红外发射管的驱动模块同时驱动；载波频率源的数量与组内发射管的数量相同且频率各不相同。接收管组中的每一只接收管的光电信号输出端，均与其他组中序号相同的接收管的输出端连接在一起以后，分别与一个包含有与各个载波频率源的输出频率相对应滤波器的放大处理单元相连接，处理的结果被送到控制触摸装置的微控制器，对实现触摸物坐标的检测。本发明的优点在于：可以同时驱动一组中多对发射和接收管并行扫描检测而不会产生互相干扰的现象，因此能够多倍提高扫描速度，适合应用于尺寸较大的红外触摸装置。

Description

一种多频扫描红外触摸装置

技术领域

本发明涉及一种红外触摸装置，属于计算机人机交互技术领域，特别是用于红外触摸装置的触摸点检测扫描技术领域。 

背景技术

现有的红外触摸装置(即一般意义的红外触摸屏)，其主要结构和原理是在边框上安装若干对红外发射和接收对管，然后利用触摸装置内部的微控制器系统通过I/O端口，控制用于驱动红外发射管的驱动模块和用于选通红外接收管的选通模块，按照一定的顺序一次驱动和选通每一对红外发射接收对管，完成对触摸表面纵横方向的扫描。再通过检测哪一对发射和接收管之间的光线被阻挡，从被阻挡的对管所在的位置判断出触摸物在显示表面的位置。为提高红外触摸装置的抗干扰性，部分设计中还使用了载波来调制红外发射管的发射信号，同时在接收端使用通频带与调制载波相匹配的滤波电路。 

这种结构用于尺寸较小的红外触摸装置很适合，但是用于尺寸较大的触摸装置时，就会因为红外发射和接收对管的数量多、扫描检测的周期长而导致触摸装置对于操作的延迟过大等问题，影响正常使用。尤其当使用调制载波时，滤波电路的时域响应特性更限制了扫描周期的缩短。针对上述问题，号码为200610037391.X和200610140874.2的中国专利申请给出了两类不同的解决方案。专利申请200610037391.X给出的是一种采用多个主从微控制器的技术方案，虽然能够实现快速扫描和抗干扰等功能，但是多处理器的缺点在于大大增加了整个系统中软硬件的复杂程度，增加了红外触摸装置的设计和制造成本。专利申请200610140874.2所公开的技术方案，采用了一种触摸物跟踪的方法来缩短检测触摸物所需要的时间，只涉及微控制器系统内部控制软件的改变，因此几乎不增加系统硬件的复杂程度和成本，但是由于跟踪范围采用了特定算法的，所以当触摸物运动速度较快，或者突然快速运动时，常会有跟踪不到触摸物而需要重新全区域扫描的情况，导致操作过程中出现停顿和迟滞。 

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺点，公开了一种能够提高红外触摸装置全区域扫描速度数倍的多频扫描技术方案。 

为实现本发明的目的，本发明的红外触摸装置采用了如下技术方案： 

一种红外触摸装置，包含有若干对红外发射和接收对管，用于驱动红外发射管的驱动模块和用于选通红外接收管的选通模块，以及控制上述模块工作的微控制器系统，所述对管中的红外发射和接收对管分别被分为相互对应的若干组，每个组内红外发射管和接收管均并被按照相同的顺序标号；每组内每只发射管均与一个驱动器相连接，每一个驱动器包含有两个输入端，其中一个输入端与其他组中标号相同的红外发射管的驱动器的同名输入端耦合连接后，分别与一个载波频率源相耦合连接，另一个输入端耦合连接在一起，与驱动模块的一个选通输出端相连接；在这里，载波频率源的数量，与所述各组发射管中数量最多的发射管的数量相同，且频率各不相同。本发明中每一个接收管组中的每一只接收管的光电信号输出端，均与其他组中序号相同的接收管的输出端连接在一起以后，分别与一个包含有带滤波器的信号放大处理单元相连接，所述放大处理单元的数量与所述载波频率源的数量相同，并且其中每个滤波的通频带，分别与所述各个载波频率源的输出频率相对应；由每组中各个接收管构成的光电信号检测电路的电源输入端连接在一起，与所述接收管的选通模块的一个选通输出端相连接。 

在本发明中，每组中红外发射和接收对管的数量一般应该小于10对。这样一个10线输入4线输出的BCD码的编码器，就可以与各个放大处理单元的输出端相连接，通过这个编码器的输出端再与微控制器系统的I/O端口相连接，可以减少各个放大处理单元对微控制器系统的I/O端口的占用。 

更进一步，因为本发明采用了调制载波，所以红外接收管更适合使用频率响应更好的光敏二极管。本发明中与每组红外接收管中每只接收管所对应的各个光电信号检测电路，均包含有一只电阻；接收管的正极与电阻的一端相连接，并作为检测电路的输出端，电阻的另一端接地；接收管的负极连接在一起成为检测电路的电源输入端。当然接收电路还可以采用另一种结构：在光电信号检测电路串联一只二极管；每组内所有接收管的正极并联后接地，负极与电阻的一端相连接并作为检测电路的输出端，电阻的另一端与二极管负极相连接，二极管的正极并联后，作为检测电路的电源输入端。 

在本发明中，所述的载波频率源可以由两种形式构成：其一，由若干个分频器构成，这里的各个分频器的输入信号，均来自一个基准频率发生器；其二，也可以利用微控制器系统的一个I/O端口输出一个载波频率，再由分频器分频而构成。 

在本发明中，用于驱动红外发射管的驱动模块和用于选通红外接收管的选通模块，均可由行译码器/多路分配器构成，其中选通模块由一个所述行译码器/多路分配器构成顺序 选通电路，而驱动模块则可以由一个所述行译码器/多路分配器构成顺序选通电路，也可以由两个所述行译码器/多路分配器构成驱动矩阵。如果驱动模块由两个行译码器/多路分配器构成矩阵结构的驱动模块，则所述每组内用于驱动各个红外发射管的驱动器的耦合连接在一起的输入端，与驱动矩阵的一个选通输出端相连接，所述驱动器与被驱动的发射管连接后的电流汇集端，与所述驱动矩阵的另一个输出端相连接。 

更进一步，用于驱动红外发射管的驱动模块和用于选通红外接收管的选通模块的地址数据输入端，可以使用所述微控制器系统的同一组I/O输出端口，以实现对发射和接收管最简单形式的同步驱动。 

发明的益处：通过上面对发明内容的描述，可知本发明所公开的技术方案因为在一组红外发射和和接收对管中采用了多频载波调制技术，在一般红外触摸装置驱动一对发射和接收对管的时间内，可以同时驱动一组中多对发射和接收管并行扫描检测触摸区域而不会产生互相干扰的现象，因此能够多倍提高扫描速度，非常适合应用于尺寸较大的红外触摸装置。同时本发明的技术方案还具有软硬件结构简单、生产成本低、调试容易等优点，非常适合于工业化生产。 

附图说明

图1：本发明红外触摸装置的总体电路结构示意图； 

图2：本发明中一种结构矩阵的发射驱动模块及其与各组发射管之间的连接示意图； 

图3：每组发射管及其驱动电路与载波频率源和驱动模块之间的连接结构示意图； 

图4：两种可用于红外发射管的驱动电路； 

图5：本发明中各组接收管与选通模块之间的连接结构示意图； 

图6：每组接收管与信号放大处理电路之间的一种连接结构示意图。 

图1中，101是被检测的触摸表面，102是红外发射管组和驱动电路，103是发射管驱动模块，104是红外接收管组及由其构成的光电信号检测电路，105是光电信号检测电路选通模块和信号分配网络，106是载波频率源组，107是信号放大处理电路组，108是触摸检测信号编码器，109是红外触摸装置中的微控制器系统，110是连接载波频率源与微控制器系统的控制线，111是微控制器系统与使用本发明装置的外部计算机的通信接口。 

图2中，201是矩阵结构的发射模块中的行输出单元，202是是矩阵结构的发射模块中的列输出单元，203、204是任选的两个包涵驱动电路的发射管组L1H1和L2H3，205是载波频率源组与各个发射管组中驱动单元相连接的信号总线。 

图3中，301、303分别是发射管组203、204中的红外发射管，302、304分别是与发射管组203、204中发射管相配合的驱动电路。 

图4中，401是与发射管相配合的与非门结构的驱动电路，402是与发射管相配合的与门结构的驱动电路，403是红外发射管的电路符号。 

图5中，501是接收管组的选通模块，502是一个接收管组及其配合的检测电路，503是光电信号检测电路与信号放大处理电路之间的信号传输总线。 

图6中，601、603分别是两个接收管组，602、604是与接收管组中接收管相配合构成光电信号检测电路的电阻。 

具体实施例

下面结合附图，来说明本发明的基本实施例。因为本发明所涉及的技术方案是关于红外线号的发射和接收的电路部分的内容，因此在实施例中不再给出红外触摸装置(红外触摸屏)具体的机械结构。 

图1是本发明红外触摸装置的总体电路结构示意图。与现有红外触摸装置的基本机构相比，本图中最大的区别在于触摸装置中包含有一个载波频率源组106，其中包含有F1～F8共8个载波频率源，同时在接收端增加了同样数量的信号放大处理电路，且频率源和信号放大处理电路的数量，与每组中红外发射和接收对管的数量相同。为方便说明本发明的原理，这里每组中包含的红外发射和接收管的数量设定为8只，实际设计时可以在4-10只之间选择。但在实际应用中，对于不同的组，各所包含的发射和接收对管的数量不一定要相同，有时候也无法做到相同。例如整个触摸屏中有93对发射和接收对管，因为93是个素数，不能被任何数整除，所以只能划分为若干个包含对管数量不同的组。其中的一种方式是划分成为12组，其中有11每组包含有8对对管，第12组包含5对发射接收对管。当然还有其它的分割方式，如划分成15组，其中9组每组包含7对对管共计63对，另外6组每组中包含有5对对管共计30对对管。但无论怎样分组，均按照相同的规则对每组中的每一对管子的选通地址进行编码标记，从第一对标记到最后一对。每组中包含管子的数量越多，扫描速度就越快，但电路也随之更复杂；反之包含的数量越少，电路就越简单，但扫描的速度也就髓之降低。但从二进制的地址数据结构和常用译码原件的输出接口的数量来考虑，每组包含4或者8对管子，能最充分地利用如元器件的输出端口，减少元器件和PCB上布线的数量。在本实施例中为叙述方便，设定为每组包含的对管的数量相等的情况，而不再考虑其他分组形式的情况。考虑到在接收端减少全部信号放大处理电路所占用的微 控制器系统的I/O端口，可以使用现有的编码器芯片，将各个放大处理电路的单路输出转变为BCD码后再与微控制器系统相连接；而现有的编码器如CD40147只有10个输入端，因此每组中红外元件(发射管和接收管)的数量最好小于10只；如果使用通用三八线译码器，如74LS238等型号的元件，其输出端则只有8个。因此本实施例中使用了8只一组的结构，即每组中的对管的数量为最多为8，且都等于8。这样，发射端的载波频率源106就应该有F1～F8共8个；接收端的信号放大处理电路中的滤波单元107也有f1～f8共8个，是信号放大处理电路中的信号处理和放大单元108同样需要有A1～A8共8路。这样，就可以实现每组发射和接收对管同时被驱动和选通，扫描发射和接收管组之间的被检测区域且不会在非对管之间产生干扰，大大缩短了完成扫描检测整个被检测区域所需要的时间，因而提高了红外触摸装置的响应速度。这里，载波频率源组106中的8个载波频率源，可以由一个基准频率发生器和若干个分频器构成，也可以利用微控制器系统的一个I/O端口输出一个载波频率，通过信号线111与载波频率源相连接后，再由分频器分频而构成。 

在图1中可以看到：红外发射和接收管安装在被检测表面101的边缘；红外发射管组及其驱动电路102被发射驱动模块103驱动，并且该驱动模块通过地址数据线与微控制器系统110的I/O端口相连接；在接收端，红外接收管组及由接收管构成的光电信号检测电路104与光电信号检测电路选通模块和信号分配网络105相连接，并且其中的选通模块，也通过地址数据线与微控制器系统110的I/O端口相连接；而被选通的接收管组中每只接收管及其检测电路的输出端，则通过其中的信号选通网络，连接到信号放大处理电路组107中各个信号放大处理电路的输入端。信号放大处理电路组107由滤波单元f1～f8和放大处理单元A1～A8构成，图中给出的连接顺序只是一种可用结构，在实际应用中可灵活设计。一般情况下滤波单元实际上只是每一路信号放大处理电路中的一个组成部分，其中常常还包含有如放大器之类的有源元件。 

通过上面对具体结构的描述，可知本发明检测触摸物位置的原理：因为每一组中每一对红外发射和接收管在触摸装置上的安装位置是已知的，因此通过检测与接收管组中每只接收管相对应的信号放大处理电路的输出情况，就可以得到是否有触摸物，以及触摸物在扫描检测区域内的纵横向精确位置坐标。下面再结合其他附图来进一步说明本实施列各部分的详细原理和结构。 

图2是一种可用于红外发射管组的矩阵结构的发射驱动模块的结构，即矩阵结构的驱动模块。图中的驱动模块103由行驱动单元201和列驱动单元202构成一个4×4驱动矩阵的示例，这两个驱动单元又通过用于选择发射管组地址的地址数据线与微控制器系统109 的I/O接口相连接。这两个单元可以使用行译码器/多路分配器构成，如根据输出电平和输出端口数量的要求，主要根据所需要的矩阵的大小，使用74HC138、139或74HC238、239等逻辑电路构成，在本图中的4×4矩阵则可以使用74HC238或239构成。由于这部分的电路在现有的红外触摸屏中已经被广泛应用，故无需在此详细说明。各个红外发射管组连接在行驱动单元和列驱动单元的输出端口L1～L4、H1～H4之间，如图中的两个单元203、204，分别连接在L1H1和L2H3之间。载波频率源106中的各个频率发生单元则通过信号总线205，与各个红外发射管组及其内部的电路相连接。 

图3选择了两个红外发射管组203和204来说明红外发射管组内部的结构，以及与发射驱动矩阵中的行和列驱动单元201、202之间的连接结构。因为各个发射管组中的每只发射管都需要与一个载波频率源相连接，所以组内的每个发射管301或303都需要分别配置有驱动单元302或304。结合图4所给出的这个驱动单元的两种结构，可以更清楚地说明驱动单元与其他部分的连接结构。从图3可以看到，发射管组中203中的8只红外发射管LED11～LED18分别与8个驱动单元D11～D18相连接；发射管组中204中的8只红外发射管LED71～LED78分别与8个驱动单元D71～D78相连接；而每个组中相同序号的驱动单元，又分别通过信号总线205与8个载波频率源F1～F8相连接；并且每个发射管组又有两个输入端分别与驱动模块中行驱动单元和列驱动单元的相应输出端口相连接，如发射管组203的两个输入端L1和H1、发射管组204的两个输入端L2和H3。 

图4给出的两种可以应用于上述驱动单元的两种基本电路结构：与非门和与门结构。在与非门结构中，红外发射管403的负极连接在与非门驱动单元401的输出端；而在与门结构中，红外发射管403的正极连接在与门驱动单元402的输出端；而红外发射管的另一极则构成电流汇集端COM，相应的高低电平上。无论是与门还是与非门驱动单元，其输入端都有两个，一个用于发射管组中各个发射管的选通驱动，如图中的输入端In1，另一个用于连接载波频率源以实现载波的调制，如图中的输入端In2。用于发射管组中各个发射管的选通驱动的输入端连接在一起之后，与驱动模块的一个选通输出端相连接，例如图2和图3中的L1或者L2；另一个用于连接载波频率源的输入端与其他组中标号相同的红外发射管的驱动器的同名输入端耦合连接后，与相应的载波频率源相连接，如图3中的信号总线205。而同组发射管驱动单元的电流汇集端COM则连接在一起后，根据驱动模块不同的结构，或者连接到驱动模块另一个选通输出端，如图2和图3中的H1或H3，或者与驱动电源或地电位相连接。在本发明中，驱动模块103还可以使用行译码器/多路分配器构成行输出结构的驱动模块，即N×1的矩阵，这时同组发射管的电流汇集端COM连接在一起以后，就可以直 接连接在触摸装置的电源Vcc或者地GND上。这种结构比较适合于尺寸较小的触摸装置，可以简化发射驱动模块的设计，更容易承受较大的驱动电流。 

图5给出的是一种可用于红外接收管组的选通模块的结构，以及由红外接收管为核心构成的光电信号检测电路与信号放大处理电路组107之间的连接结构。由于在红外触摸装置的接收端涉及小信号的拾取和传输，因此接收管组的选通模块501使用行译码器/多路分配器构成单行串联结构的选通模块，即N×1矩阵结构的选通模块，保证光电信号检测电路的接地端直接接地更合适。在这里，选通模块可以使用如74HC238这样可以分配输出高电平的逻辑电路构成，根据所要选通的接收管组的数量的多少，来确定是使用单片逻辑电路还是多片级联。图5中给出的示例，是与发射模块相配合的16路选通模块，可由两片74HC238级联而成，从输出端口SV01～SV16输出检测电路所需要的高电平。从图5中可以看到，上面所述的每一组红外接收管及其构成的光电信号检测电路单元RU01～RU16，与信号放大处理电路组107之间，通过信号总线503相连接，图6给出了更清楚的连接结构，同时还给出了光电信号检测电路的一种结构。 

在图6中，以按顺序排列的16组接收管及其光电信号检测电路RU01～RU16中首尾两组RU01和RU16之间的连接结构为例，说明了接收管组及其光电信号检测电路的两种具体结构和连接关系。RU01单元给出了第一种结构：第一组接收管601中的每一只接收管的正极，都与电阻排602中的一只电阻的一端相连接，并作为光电信号的输出端，电阻的另一端接地；每组接收管的正极连接在一起成为检测电路的电源输入端SV01。RU16单元给出的光电信号检测电路则是另外一种结构：在电路中增加了一组二极管605。第十六组中每只接收管603的正极并联后接地，负极与电阻排604中的一只电阻的一端相连接并作为检测电路的输出端，电阻的另一端与二极管组605中的一只二极管负极相连接，二极管组中所有二极管的正极并联后，作为检测电路的电源输入端SV16。 

虽然图6中给出了两种的结构，但是在一个装置中只能使用一种结构。因为在本发明中，不同接收管组之间的序号相同的接收管的光电信号的输出端，需要并联在一起构成一条信号线，所以如果光电信号检测电路有两种结构，就会出现输出端电位不平衡的问题，导致电路不能正常工作并影响到后面电路的正常工作。 

由于在红外触摸装置中，红外发射管和接收管要一一配对安装、同步驱动和选通，因此每组发射管都有一个对应的接收管组，故此用于驱动红外发射管的驱动模块和用于选通红外接收管的选通模块的地址数据输入端，应该与微控制器系统的同一组I/O输出端口相连接，以实现对发射和接收管最简单形式的同步驱动。事实上，这也正是现有红外触摸装 置所使用的连接方式。 

[0036] 上面的实施例是本发明最基本的实施结构，在具体实施时，可以根据本发明的基本技术方案构建多种实际的电路结构，如载波频率源可以是一个功率频率源，直接作为发射管驱动电路的电源；再如如果微控制器的I/O端口足够，那么就可以将信号放大处理电路的输出端直接与微控制器相连接而省去编码器，因此在本发明基本技术方案基础上的替换、改进、缩减，均属于本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种多频扫描红外触摸屏，包含有若干对红外发射和红外接收对管，用于驱动红外发射管的驱动模块和用于选通红外接收管的选通模块，以及控制上述选通模块工作的微控制器系统，其特征在于：所述红外发射和红外接收对管被分为相互对应的若干组，每个组内红外发射管和红外接收管均被按照相同的顺序标号；每组内每只红外发射管均与一个驱动器相连接，所述每一个驱动器包含有两个输入端，所述每一个驱动器的一个输入端与其他组中标号相同的红外发射管的驱动器的同名输入端连接后，分别与一个载波频率源相连接，所述每一个驱动器的另一个输入端连接在一起，与所述驱动模块的一个选通输出端相连接；所述载波频率源的数量，与所述各组红外发射管中数量最多的发射管的数量相同，且频率各不相同；所述每个红外接收管组中的每一只接收管的光电信号输出端，均与其他组中序号相同的红外接收管的输出端连接在一起以后，分别与一个包含有带滤波器的信号放大处理单元相连接，所述放大处理单元的数量与所述载波频率源的数量相同，并且其中每个滤波的通频带，分别与所述各个载波频率源的输出频率相对应；由所述每组中各个红外接收管构成的光电信号检测电路的电源输入端连接在一起，与所述红外接收管的选通模块的一个选通输出端相连接。

2.根据权利要求1所述的红外触摸屏，其特征在于：所述每组中红外发射和红外接收对管的数量小于10对。

3.根据权利要求1或2所述的红外触摸屏，其特征在于：所述各个放大处理单元的输出端，分别与一个10线输入4线输出的BCD码的编码器的输入端相连接；所述编码器的输出端与所述微控制器系统的I/O端口相连接。

4.根据权利要求1所述的红外触摸屏，其特征在于：所述载波频率源由若干个分频器构成；所述各个分频器的输入信号，均来自一个基准频率发生器。

5.根据权利要求1所述的红外触摸屏，其特征在于：所述载波频率源由若干个分频器构成，所述分频器的信号输入端与所述微控制器系统的一个I/O端口相连接。

6.根据权利要求1所述的红外触摸屏，其特征在于：所述光电信号检测电路还包含有一只二极管，由红外接收管正极与一只电阻相连接构成；所述电阻的另一端接地；所述接收管的负极为检测电路的电源输入端。

7.根据权利要求1所述的红外触摸屏，其特征在于：所述光电信号检测电路，由红外接收管负极与一只电阻相连接构成；红外接收管的正极接地；所述电阻的另一端还与一只二极管的负极相连接，所述二极管的正极为检测电路的电源输入端。

8.根据权利要求1所述的红外触摸屏，其特征在于：所述用于驱动红外发射管的驱动模块和用于选通红外接收管的选通模块，均由行译码器/多路分配器构成；所述驱动模块由两个所述行译码器/多路分配器构成驱动矩阵；所述每组内耦合连接在一起的驱动器的输入端，与所述驱动矩阵的一个选通输出端相连接，所述驱动器与被驱动的发射管连接后的电流汇集端，与所述驱动矩阵的另一个输出端相连接；所述选通模块由一个所述行译码器/多路分配器构成顺序选通电路。

9.根据权利要求1所述的红外触摸屏，其特征在于：所述用于驱动红外发射管的驱动模块和用于选通红外接收管的选通模块，均为由行译码器/多路分配器构成的顺序选通电路。

10.根据权利要求1或8、9所述的红外触摸屏，其特征在于：所述用于驱动红外发射管的驱动模块和用于选通红外接收管的选通模块的地址数据输入端，是所述微控制器系统的同一组I/O输出端口。

Images