CN102855031B - 一种抗强光干扰的红外触摸装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种抗强光干扰的红外触摸装置，包括设置于显示器前的电路板外框，所述的电路板外框四边内侧排布有红外发射管和红外接收管，所述的红外发射管和红外接收管间隔交替布置，且每个红外发射管均与对边相应的红外接收管相配合。该触摸装置具有极强的抗强光干扰的能力，并且由于提供了红外触摸装置冗余，使其具有极高的可靠性，适用于航空航天领域的大面积显示器。<!--1-->

Description

一种抗强光干扰的红外触摸装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种具有抗强光干扰的红外触摸装置及其控制方法。

背景技术

红外触摸装置是一种方便的用于人机交互和二维运动追迹的绝对定位系统，应用红外触摸装置装置能够节省空间，显示屏就是用户接口，接口方式可以自定义、多样化，因此在目前多媒体手持设备、工业控制等领域红外触摸装置已经成为显示器件的标准组件。目前的红外触摸装置技术主要有红外(IR)、表面声波(SAW)、表面电容、电阻、感应电容、声学脉冲识别(APR)等多种实现方式。

相对于其它方式，红外触摸装置技术具有线性度好，支持尺寸范围大等优点。红外触摸装置可用手指、笔或任何可阻挡光线的物体来触摸，不容易受到因操作不当而造成的人为损害。由于不对检测器件触碰，与使用者的使用频率没有关系，其工作寿命取决于工作电路的寿命，因此使用寿命长。由于其不需要在显示器前面增加任何表层，对显示器的显示效果没有任何影响。由于工作原理和器件特性，在高低温低气压等条件下的均能稳定可靠工作，满足军事恶劣条件下使用的要求。

在航天航空领域，红外触摸装置面对的是特殊的应用场合。除了要满足一般的民用产品要求的各种性能以外，还对其抗强光性能与稳定性提出了特殊的要求。但目前的红外触摸装置处于强光下则灵敏度很低，影响使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种双向冗余的抗强光干扰的红外触摸装置，它能够大大提高军用红外触摸装置的抗强光干扰和稳定性的能力。适用于航空航天领域的大面积显示器的红外触摸输入。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种抗强光干扰的红外触摸装置，包括设置于显示器前的电路板外框，所述的电路板外框四边内侧排布有红外发射管和红外接收管，所述的红外发射管和红外接收管间隔交替布置，且每个红外发射管均与对边相应的红外接收管相配合。

所述的外框内壁四边内侧向外凹陷，所述的红外发射管和红外接收管均安装于外框的凹陷内，所述的红外接收管外设有狭长的光学通道，所述的红外发射管发射的光线经由光学通道射到红外接收管上。

所述的光学通道入射口设有红外带通滤光片。

所述的红外带通滤光片嵌入时角度为5-45度。

所述的红外带通滤光片中心波长为940nm，带宽50nm，透过率大于90%，正负误差5%以内。

所述的电路板外框其中一组相邻边的所有红外发射管及其对边与之相对应的红外接收管定义为第一红外发射管组和第一红外接收管组，另一相邻边的所有红外发射管及其对边与之相对应的红外接收管定义为第二红外发射管组和第二红外接收管组，所述的红外触摸装置设有处理单元，所述的处理单元设有两套红外发射、接收管接口，并配有两套红外发射、接收管驱动电路，分别与两组红外发射、接收管组连接。

一种利用红外触摸装置的控制方法，该控制方法设有双向工作模式和单向工作模式，

当启动双向工作模式时，四边所有红外发射管和红外接收管均工作，当处理单元检测到部分红外接收管处于饱和状态时，在计算触摸物坐标时，不采用处于饱和状态的红外接收管的失效信号；

当启动单向工作模式时，只有第一红外发射管组和第一红外接收管组工作，当处理单元检测到第一红外接收管组中的部分或全部红外接收管处于饱和状态时，则处理单元将处于饱和状态红外接收管停止工作或者忽略，同时启动与之相邻的第二红外发射管组和第二红外接收管组中的红外发射管和红外接收管。

进一步的，在单向工作模式时，其处于饱和状态红外接收管恢复正常后，关闭先前启动的第二红外发射管组和第二红外接收管组，同时处理单元接收处理恢复正常的第一红外接收管组信号。

处理单元包括以下模块，

MAIN模块，为主控模块，控制整个系统软件运行；

CMD_PRC模块，为上位机所发的命令处理模块，

TCHSCN模块，为红外触摸装置控制模块，其控制所有灯初始化，控制灯的扫描，判断是否有触摸，触摸位置计算，触摸位置滤波处理及向上位机返回坐标信息；

UART模块，为接口控制模块，设有AT91SAM7S256的串口发送数据、接收数据；

TIMER模块，为系统提供定时功能；

ADC模块，为AT91SAM7S256提供AD转换，读取AD值；

INFRED模块，为红外发射管驱动模块，驱动红外发射管的开关。

本发明的优点在于该红外触摸装置具有极强的抗强光干扰的能力，并且由于提供了红外触摸装置冗余，使其具有极高的可靠性，其两个对边上的红外接收管不可能同时处于强光下的阳面，因此保证了所述红外触摸装置能在强光下360度正常使用，因此适用于航空航天领域的大面积显示器。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为光线照射红外触摸装置的示意图；

图2、5为红外触摸装置结构示意图；

图3为红外触摸装置的电路框图；

图4为红外触摸装置的软件模块图

图6、7为红外触摸装置使用状态示意图；

上述图中的标记均为：1、红外触摸装置；2、红外发射管；3、红外接收管；4、处理单元；5、第一红外发射管驱动电路；6、第二红外发射管驱动电路；7、第一红外接收管驱动电路；8、第二红外接收管驱动电路；9、滤光片；10、滤光片卡槽；11、中隔；12、盖板。

具体实施方式

本发明红外触摸装置分别由机械设计、红外带通滤光片9、光学冗余设计、电路冗余设计和软件可靠性设计这五个方面进行冗余设计，实现抗强光干扰能力。

参见图2和图5可知，红外触摸装置包括设置于显示器前的电路板外框四边内侧的红外发射管2和红外接收管3，外框采用采用对红外线不能透射的材质，同时外框内壁四边内侧向外凹陷，红外发射管2和红外接收管3均安装于外框的凹陷内，从而可以外接红外线光线对红外接收管3的干扰。参见图6、7可知，外框即由中隔11、盖板12构成，位于其内部的红外发射管2和红外接收管3以及滤光片9能够减小光线对其的影响。

本发明采用光学冗余设计，这些红外发射管2和红外接收管3间隔交替布置，且每个红外发射管2均与对边相应的红外接收管3相配合，这等于将两套红外触摸装置反向叠加在一起，并且能够通过处理单元4随意切换，以避免强光干扰直接入射到红外接收管3，增强其抗强光干扰的能力。这就类似于备份或备胎的方法来提高系统的稳定性。即，同时存在两个相同的系统，使得一个系统发生故障的时候可以切换到另外一个系统进行正常工作，这样可以大大提高整个系统的可靠性。

参见图1可知，光学冗余设计的机理是，在任意时刻，直射太阳光线只能照射红外触摸装置1的一个方向，在最坏的情况下，可导致该方向上的红外接收管3进入饱和状态，从而使该方向的红外触摸装置1失效。当处理单元4检测到该方向的失效信号时，立即切换到另外一个方向，避免太阳光线的直射，从而使红外触摸装置1重新工作于正常状态。

虽然太阳光线入射到红外触摸装置的入射角时刻变化，但变化的只是角度的数值，而不是入射的方向。相对而言入射方向的变换速度较慢，而处理单元4中的电路实现的红外触摸装置1的切换速度最低可以达到毫秒量级，可以方便而有效地避免太阳光线直接入射于红外接收管3。

以航空领域为例，对于透明顶盖座舱战斗机，对安装有红外触摸装置的显示器最大的干扰来自于透过顶盖从斜上方直射到器件上的高空阳光，此外还有天空大气背景散射，云层反射，以及舱内高反射体的二次反射、散射。晴朗天空背景散射色温较高，其光谱的红外分量比重相对较小，辐射分布近似郎伯体，比起直射光源亮度要小很多，因此总体来说，只有直射阳光对红外触摸定位装置存在最显著、值得主要分析的可能干扰。直射阳光对红外触摸定位装置的干扰示意图如图1所示。

参见图1可知，当入射光线刚好直接进入红外接收管3时，对红外触摸装置1的正常工作产生了极大的干扰，使得红外接收管3进入饱和状态，从而使红外触摸装置1处于不能识别触摸输入的状态，出现触摸故障。因此在每个红外接收管3外设置狭长的光学通道（狭长的光学通道指的是，接收灯放置在靠灯板外沿的位置，使得灯头到滤光片9的距离变得最远，这种情况下，灯板的上下两个机械设计的压板距离较小，而灯头与滤光片9的距离较远，形成一个狭长的光学入射空间，使得入射角限制在一定范围内，或者说使得入射的光分量减小，这就是我们所说的狭长的光学通道），使得每个红外发射管2发射的光线分别经由光学通道射到相应的红外接收管3上，通过该相对狭长的光学通道，使得入射光直射到红外接收管3的概率和分量最小，但由于飞行器在飞行状态下与入射的太阳光线的入射角时刻发生改变，这种方法不能保持稳定的抗强光干扰的效果。为此在光学通道入射口设有红外带通滤光片9，并且可将红外滤光片9保持5-45度嵌入其中，该角度为滤光片9与红外触摸装置法线夹角，使得抵抗强光直射影响的效果更好，红外带通滤光片9，其中心波长为940nm，带宽50nm，透过率大于90%。

单一的采用光学带通滤光片9以降低直射太阳光线的干扰，但通带范围内的强光干扰仍然不能有效滤除，而且这种方法同时也衰减了有用的信号光。单一的使用红外触摸装置在强光干扰下，仍然有失效的可能性。因此优选两个技术方案合并，既安装狭长准直光学通道，将光线入射角度控制在了比较小的范围来避免大范围的光线射入，同时结合红外发射接收管光谱特性设计加装专用的红外带通滤光片9，以避免大部分强光干扰。

电路冗余设计主要包括：电路板外框四边内侧排布的红外发射管2和红外接收管3其中一组相邻边的所有红外发射管2及其对边与之相对应的红外接收管3定义为第一红外发射管组和第一红外接收管组，另一相邻边的所有红外发射管2及其对边与之相对应的红外接收管3定义为第二红外发射管组和第二红外接收管组，参见图3可知，红外触摸装置的硬件中设有处理单元4，处理单元4设有两套红外发射、接收管接口，接口外相应的并配有两套红外发射、接收管驱动电路5-8，分别与两组红外发射、接收管组连接。

处理单元4处理器实现对两套发射接收单向系统进行驱动，并实时监测每个红外接收管3的工作状态。当处理单元4处理器检测到有部分的红外接收管3处于饱和状态时，说明这部分的红外接收管3受到强光干扰的直接照射。

参见图4可知，软件在使用过程中，发生失效会导致任务的失败，甚至会导致灾难性的后果，因此需要对软件进行分析，采取必要的措施，避免问题的发生，减小软件失效带来的损失。严格遵守GJBZ102-1997软件可靠性和安全性设计准则，采用以下方法提高可靠性：

根据本系统的功能，把整个系统划分为MAIN、CMD_PRC、TCHSCN、UART、TIMER、ADC、INFRED模块，其中：

MAIN模块，为主控模块，控制整个系统软件运行；

CMD_PRC模块，为上位机（例如PC机）所发的命令处理模块，

TCHSCN模块，为红外触摸装置控制模块，其控制所有红外发射管2初始化，控制红外接收管的扫描1，判断是否有触摸，触摸位置计算，触摸位置滤波处理及向上位机返回坐标信息；

UART模块，为接口控制模块，设有数据发送、接收接口，例如AT91SAM7S256的串口发送数据、接收数据；

TIMER模块，为系统提供定时功能；

ADC模块，提供模数转换功能，例如可以为AT91SAM7S256提供AD转换，读取AD值；

INFRED模块，为红外发射管驱动模块，驱动红外发射管的开关。

由于划分为多个模块，每个模块功能相对单一，比起整个系统，由于模块功能简单，减小了实现的复杂度，从而提高了整个系统的稳定性和可靠性。

利用上述装置及其软件基础，红外触摸装置1的控制方法设有双向工作模式和单向工作模式，可通过操作界面由使用者选择。

当启动双向工作模式时，四边所有红外发射管2和红外接收管3均工作，当处理单元4检测到部分红外接收管3处于饱和状态时，在计算触摸物坐标时，不采用处于饱和状态的红外接收管3的失效信号；此时第一红外发射管组和第一红外接收管组以及第二红外发射管组和第二红外接收管组均正常工作，以保证最高的检测精度；正常时，使用两套红外触摸装置，分辨率会比较高，强光时，只采用一套红外触摸装置1，分辨率会降低，但是红外触摸装置还是可以使用。由于处理单元4的处理速度极快，故可以以很快的速度切换工作模式，使红外触摸装置1始终处于正常工作状态。

当启动单向工作模式时，只有第一红外发射管组和第一红外接收管组工作，当处理单元检测到第一红外接收管组中的部分或全部红外接收管处3于饱和状态时，则处理单元4将处于饱和状态红外接收管3停止工作或者忽略，同时启动与之相邻（相邻的单元可以统一为相邻的左侧或者右侧）的第二红外发射管组和第二红外接收管组中的红外发射管2和红外接收管3。当处于饱和状态红外接收管3恢复正常后，关闭先前启动的第二红外发射管组和第二红外接收管组，同时处理单元接收处理恢复正常的第一红外接收管组信号。从而保证红外触摸装置1始终处于工作状态。

另外，在实际应用中有可能会出现某一对出现故障，可以在通过上电自检过程中发现并在此后加以检测忽略，靠邻近的红外线对代替。由于每一对红外线只“监管”约5mm左右的窄带，而手指通常在15mm左右粗细，用户是察觉不到的，这样也大大增加了装置的总体寿命。

综上所述，红外触摸装置1的抗强光干扰是一个重要的技术指标。根据对干扰源的分析得知，直射的太阳光是红外触摸装置的主要强光干扰。由于光线的直线传播性质，设计一个狭长的光路，可以大大减小光线直接入射到红外接收管的概率；另外，由于太阳光干扰具有一定的频谱特性，针对该特性采用一个带通滤波器可以减小入射到红外接收管的分量；此二者结合就能在一定程度上减轻强光干扰对红外触摸装置的影响，但还有改善的余地。

稳定高寿命是产品的重要指标。通过对产品进行冗余设计，可以满足高稳定性的技术要求。采用双向红外发射接收的冗余设计，不但解决了高稳定性的技术要求，而且通过巧妙的光路冗余设计、电路冗余设计和软件稳定性设计相结合，产生了两种工作模式：双向工作模式和单向工作模式。在两个模式中快速切换可以彻底而有效地避开太阳光的强光干扰。

总之，采用双向红外发射接收的冗余设计，同时满足了两个重要的红外触摸装置的重要指标：稳定性要求和抗强光干扰要求。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种抗强光干扰的红外触摸装置，包括设置于显示器前的电路板外框，所述的电路板外框四边内侧排布有红外发射管和红外接收管，其特征在于：每条边上的所述的红外发射管和红外接收管间隔交替布置，且每个红外发射管均与对边相应的红外接收管相配合；

所述的外框内壁由中隔、盖板构成，四边内侧向外凹陷；

所述的红外发射管和红外接收管均安装于外框的凹陷内，所述的红外接收管外设有狭长的光学通道，所述的光学通道入射口设有红外带通滤光片，所述红外带通滤光片安装于外框的凹陷内，所述红外带通滤光片嵌入时角度为5-45度,所述的角度为滤光片与红外触摸装置法线夹角，所述的红外带通滤光片构成由下而上远离红外接收管方向的倾斜结构。

2.根据权利要求1所述的抗强光干扰的红外触摸装置，其特征在于：所述的红外带通滤光片中心波长为940nm，带宽50nm，透过率大于90%，正负误差5%以内。

3.根据权利要求1或2所述的抗强光干扰的红外触摸装置，其特征在于：所述的电路板外框其中一组相邻边的所有红外发射管及其对边与之相对应的红外接收管定义为第一红外发射管组和第一红外接收管组，另一相邻边的所有红外发射管及其对边与之相对应的红外接收管定义为第二红外发射管组和第二红外接收管组，所述的红外触摸装置设有处理单元，所述的处理单元设有两套红外发射、接收管接口，并配有两套红外发射、接收管驱动电路，分别与两组红外发射、接收管组连接。

4.根据权利要求3所述的抗强光干扰的红外触摸装置，其特征在于：所述的外框采用对红外线不能透射的材质。

5.一种如权利要求3或4所述的红外触摸装置的控制方法，其特征在于：

该控制方法包括双向工作模式和单向工作模式，

当启动双向工作模式时，四边所有红外发射管和红外接收管均工作，当处理单元检测到部分红外接收管处于饱和状态时，在计算触摸物坐标时，不采用处于饱和状态的红外接收管的失效信号；

当启动单向工作模式时，只有第一红外发射管组和第一红外接收管组工作，当处理单元检测到第一红外接收管组中的部分或全部红外接收管处于饱和状态时，则处理单元将处于饱和状态红外接收管停止工作或者忽略，同时启动与之相邻的第二红外发射管组和第二红外接收管组中的红外发射管和红外接收管。

6.根据权利要求5所述的红外触摸装置的控制方法，其特征在于：进一步的，在单向工作模式时，其处于饱和状态红外接收管恢复正常后，关闭第二红外发射管组和第二红外接收管组，同时处理单元接收处理恢复正常的第一红外接收管组信号。

7.根据权利要求6所述的红外触摸装置的控制方法，其特征在于：处理单元包括以下模块，

MAIN模块，为主控模块，控制整个系统软件运行；

CMD_PRC模块，为上位机所发的命令处理模块，

TCHSCN模块，为红外触摸装置控制模块，其控制所有红外发射管初始化，控制红外接收管的扫描，判断是否有触摸，触摸位置计算，触摸位置滤波处理及向上位机返回坐标信息；

UART模块，为接口控制模块，设发送、接收数据接口；

TIMER模块，为系统提供定时功能；

ADC模块，为接口提供AD转换，读取AD值；

INFRED模块，为红外发射管驱动模块，驱动红外发射管的开关。