CN105094455A - 一种提高红外触摸屏抗强光干扰的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高红外触摸屏抗强光干扰的装置及方法,采用与传统强光检测不同的技术，仅采集每组8颗PD的3颗信号，不对采样信号进行放大，直接进行AD转换送给主控芯片，通过该方式可很明显发现是否是强光照射，甚至可以细分出强光对接收管的影响程度，涉及的装置包括采用双冗余交错间隔排布方式安装在显示屏周围的发射管和接收管及控制电路，本装置及方法可使红外触摸屏在阳光光照度小于70000LUX下任意角度入射，红外触摸屏仍可正常工作，可使红外触摸屏在多数大气环境下使用。

Description

一种提高红外触摸屏抗强光干扰的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种红外触摸屏，具体涉及一种提高红外触摸屏在强光照射情况下，抗强光干扰的装置及方法。

背景技术

红外触摸屏因其稳定性，成为了在各种恶劣环境应用场合的首选触摸方案，但在有太阳光直射情况下，因红外接收三极管强光饱和会导致红外触摸屏触摸识别失灵。

现有抗强光红外触摸屏通常采取两种方案：其一，采用红外接收三极管（简称PT）后移的减少阳光照射概率方法（如附图1所示），该方法有相当的局限性，如阳光直射干扰的可能性，抗光效果很差；其二，采用红外发射二极管(简称LED)和红外接收三极管（简称PT）交错布局排布方式通过识别阳光照射方向，进行发射管和接收管对边轮换的来躲避阳光，该方法局限在于若阳光快速掠过两条相对接收边及两条以上接收边或阳光在强反射或散射的情况下，两条相对接收边及两条以上接收边受到照射时，触摸屏同样失灵（如附图2所示）。

通常红外触摸屏主要通过PT接收对面的LED的光信号工作。若有触摸物体遮挡光信号，则PT接收不到光信号。而在太阳光的能量分布中，红外波段约占48.3％，所以在太阳光强度入射到PT表面，并达到一定值时，即使没有接收LED发出的红外光，PT也能产生很大的光电流，PT将达到饱和，此时无论是否有触摸物体，采样端总是得到高电平信号，通常三极管采样电路（如附图3所示）。经过试验验证，在阳光光照度在10000LUX，光线在小于30°情况下，PT将饱和。

为使PT避免饱和，采用图1所示PT后移的减少阳光照射概率方法，阳光与屏小于一定角度入射，PT还是会饱和。如图2所示，采用LED和PT交错布局排布方法，通过对采样值进行分析判断强光入射方位，再进行发射管和接收管对边的轮换来躲避阳光，但该方法不能判断阳光快速掠过两条相对的接收边或阳光在强反射或散射的情况下，两条相对的接收边受到照射时的情况，而且，由于环境光强变化是随机的，触摸屏的每个LED和PT的参数特性都是有差异性的，很容易强光判断出现错误。

传统强光检测方式是通过复杂的算法（统计平均，差分，均方差等方式）对数据进行分析判断，但由于经过放大过的采样信号幅值接近AD转换最大值（原始采样信号需经过千级以上倍数放大以后才能使用），而发射管和接收管的自身及安装非一致性直接导致复杂的算法判断强光的准确性。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种提高红外触摸屏抗强光干扰的装置及方法,采用与传统强光检测不同的技术，采集每组8颗PD的3颗信号作为检测强光位置及强度的采样信号，不对强光采样信号进行放大，而是直接送到主控芯片单独的AD转换端口，通过AD端采样数据能很明显发现是否是强光照射，甚至可以细分出强光对接收管的影响程度。涉及的装置包括采用双冗余交错间隔排布方式安装在显示屏周围的发射管和接收管及控制电路，本装置及方法可使红外触摸屏在阳光光照度小于70000LUX下任意角度入射，红外触摸屏仍可正常工作，可使红外触摸屏在多数大气环境下使用。

本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：

一种提高红外触摸屏抗强光干扰的装置及方法，采用发射管和接收管双冗余交错间隔排布方式来提高红外触摸屏抗强光干扰，其中所述的发射管为红外发光二极管，所述的接收管为红外光电二极管，电路上增加强光检测模块，进行单独采样,采集每组8颗PD的3颗信号作为检测强光位置及强度的采样信号，不对强光采样信号进行放大，而是直接送到主控芯片单独的AD转换端口，通过AD端采样数据能很明显发现是否是强光照射，甚至可以细分出强光对接收管的影响程度。

具体地，所述的红外发射管二极管（简称LED)和红外接收二级管（简称PD)交错布局排布，为降低强光照射，LED放在前排，PD放在后排，此排布方式好处是，每颗PD前有2颗LED，它们遮挡住左右两侧照射来的强光，PD相对后移了红外对管高的距离，可非常有效的降低PD被强光照射的概率。

具体的，所述的采样电路中的强光检测装置通过模拟开74HC4051将红外接收二极管每8个为一组分时采样3颗组成采样电路送给型号为STM32103的主控芯片AD采样端口。

本发明中采用带强光检测电路模块的双冗余抗强光红外触摸屏电路，采用两套A,B两套工作电路，每套工作电路红外接收二级管电路和红外发射二极管管电路阵列、LED驱动电路、采样控制电路、放大电路，每套电路对采样红外光电二极管状态单独进行检测。两套电路及强光检测电路均由型号为STM32103的主控芯片控制。A套电路，LED分布在上边和右边，PD分别在下边和左边；B套，LED分布在下边和左边，PD分别在上边和右边。

本发明提供的方法包括以下流程：

1、强光检测流程：红外触摸屏正常工作状态时，将调用强光检测程序模块。设当前为A套电路进行工作，对A套所有接收灯进行扫描，判断是否已经扫描完所有A套的接收灯，完成后对A套扫描数据进行分析，判断A套接收灯位置是否有强光照射，若无强光照射，根据A套采样数据计算得到坐标数据，若有强光照射，主控单元关闭对A套电路的控制，并开启B套控制，重新对B套所有接收灯进行扫描，判断是否已经扫描完所有B套的接收灯，完成后对B套扫描数据处理，根据B套采样数据计算得到坐标数据。当前为B套电路时的工作流程同理。

2、强光检测流程中所涉及到的强光判断流程为：扫描完成后，对每个强光采样AD值进行判断，当该值大于设定的强光判断阈值时，变量LA+1，否则，变量LA不变，进行下一个数据，当LA大于9时（认为干扰接收灯数为超过9颗时，触摸屏受到强光较大影响，需要进行A,B套互换），强光判断程序直接退出，否则判断是否所以强光采样AD值都完成，所以采样AD值都完成了，退出程序。后面的程序将根据LA的数值判断是否进行强光切换。

3、强光检测流程中所涉及到的切换流程为：首先判断强光影响灯数LA是否大于9，如果是假，直接退出强光切换程序，如果是真，判断当前工作状态Sa，当Sa大于0时，红外触摸屏电路工作在B套，此时将控制B套电路的IO拉到高阻态，然后开启A套电路的IO口，并且将Sa置0；当Sa小于0时，红外触摸屏电路工作在A套，此时将控制A套电路的IO拉到高阻态，然后开启B套电路的IO口，并且将Sa置1。

采用本发明的抗强光技术方案可有效降低强阳光对红外触摸屏的影响，通过理论及试验验证方式，有如下优点：

（1）通过将红外接收器件PT换成PD,采用四条边冗余交错布局方式，软件上采用A、B套强光判断，及相互切换功能，在阳光光照度接近100000LUX下任意角度入射红外触摸屏仍可正常工作。在试验条件下采用2块反射镜（95%的反射率），调整反射镜使红外触摸屏3条边都被阳光正入射，阳光光照度接近70000LUX发现红外触摸屏失灵。通过一系列的试验发现，在通常的地面情况下空气散射或常规物体反射，均很难超过70000LUX，红外触摸屏仍可正常工作。当存在高反射率（90%及以上反射率）的镜面反射，且同时阳光直射以及反射光反射覆盖到红外触摸屏的3条边条件时，红外触摸才被阳光干扰失灵。但在红外触摸屏通常使用条件下，此状况出现的概率极低。

（2）采用在采样电路中加入强光检测模块对原始信号进行单独采样，仅仅是采集每8颗PD的3颗信号，原始信号没有经过放大，强光条件下的原始信号值相比正常情况下幅值变化非常显著。准确率高，准确率几乎达到100%。

（3）本发明中所提供的强光检测方法及与之配套的强光判断方法、切换方法与传统强光检测方法相比，算法简单，准确率高。

附图说明

图1为红外接收三级管后移方式抗强光装置结构示意图；

图2为红外接收管与发射管双冗余抗强光装置结构示意图；

图3为本发明红外触摸屏LED和PD交错布局图；

图4为本发明中红外对管排列示意图；

图5为本发明中此强光采样电路示意图；

图6为本发明中带强光检测电路模块的双冗余抗强光红外触摸屏电路框图；

图7为本发明中带强光判断的双冗余程序流程图；

图8为本发明中强光判断程序流程图；

图9为本发明中根据强光双冗余切换程序流程图。

其中，图1中，1-接插件，2-PCB，3-面板，4-PT后移后的位置，5-PT原位置，6-面盖，7-滤光条，8-PT后移位置阳光影响区，9-PT原位置阳光影响区；

图2中，11-触摸物，12-红外接收三极管，13-红外发射二极管；

图3中，14-A套红外接收二极管，15-A套红外发射二极管，16-B套红外接收二极管，17-B套红外发射二极管。

具体实施方式

下面通过附图及实施例对本发明进一步进行说明和描述，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明的技术内容，并不用于限定本发明。

本发明的一种提高红外触摸屏抗强光干扰的装置与方法，采用发射管和接收管双冗余交错间隔排布方式来提高红外触摸屏抗强光干扰，其中所述的发射管为红外发光二极管，所述的接收管为红外光电二极管，采样电路上增加强光检测模块，单独采样,仅采集每8颗红外接收二级管的3颗信号，不对采样信号进行放大，通过端采样能很明显发现是否是强光照射，甚至可以细分出强光对接收管的影响程度。

参照附图3，按照LED和PT摆放位置，将触摸屏分为A组和B组，其中，A套发射（LED）15和A套接收(PD）14定义为A组；B套发射(LED)17和B套接收(PD)16定义为B组。

参照附图4，本发明中LED和PD交错布局图，LED放在前排，PD放在后排，每颗PD前有2颗LED，它们遮挡住左右两侧照射来的强光，PD相对后移了(H1+H2)距离，可非常有效的降低PD被强光照射的概率。

其中：L为红外对管长，H1+H2为红外对管高；

D为红外对管间距；

A为红外对管发射接收角；

K为上下焊盘安全间距；

X、Y为焊盘比实际封装大出的部分；

考虑约束条件：

1、满足强光下精度要求，即D要求；

2、满足强光下多点触摸要求，即A要求；

实际使用中，红外对管外形尺寸：3.2×1.6×2.5mm，X=0.35mm，Y=0.6mm

根据上述分析，当K取1.15mm，保证上下焊盘安全间距；D取6.0mm，满足强光下精度要求，相应的A为28.1度，满足红外触摸屏多点要求。

图5为本发明中此强光采样电路示意图，图中只给出一组8颗PD的电路，PD1~PD8为红外光电二极管，R1~R8分别为对应的PD1~PD8的采样电阻，Q2为8550型PNP三极管，起8颗PD组选开关作用，U1为型号为74HC4051的模拟开关，j0~j7为对应R1~R8采样端网络，U20为主控芯片，型号为STM32103。

主控芯片U1通过Q2_en控制PD1~PD8上组选开关Q2打开，取PD3，PD6，PD8的采样端j2，j5，j8直接连接到模拟开关U1的IO口上，通过主控芯片控制模拟开关的使能U1_en和地址选通s1,s2,s3，按照这种顺序将采样二极管的受光照射的采样信号j2，j5，j8分时送给主控芯片采样。更多PD的情况电路都是按照8颗PD一组，通过控制组选开关来选择的，而采样端网络j0~j7是所有组共用的。

参照附图6，为带强光检测电路模块的双冗余抗强光红外触摸屏电路，同一时刻只有A套或B套单独工作。A套工作电路包括，A组LED电路，A组PD电路，A组信号选通与放大电路；B套工作电路包括，B组LED电路，B组PD电路，B组信号选通与放大电路。A组和B组所有控制都由主控芯片STM32F103完成。

传统强光检测方式是通过复杂的算法（统计平均，差分，均方差等方式）对数据进行分析判断，但由于经过放大过的采样信号幅值接近AD转换最大值（原始采样信号需经过千级以上倍数放大以后才能使用），而发射管和接收管的自身及安装非一致性直接导致复杂的算法判断强光的准确性。

本发明仅仅是采集每组8颗PD的3颗信号，不对采样信号进行放大，而直接送到主控芯片的AD2端口。通常阳光没有照射到红外触摸屏时，AD2端口的幅值很低，一般小于30mV,经过强光照射，幅值将会超过500mV。

主控芯片共开放3个AD采样端口AD0，AD1，AD2，其中AD0和AD1专做触摸屏触摸点识别，AD0为A套电路工作时的数据采样端口，AD1为B套电路工作时的数据采样端口，同一时刻，只能A套和B套电路只能有一套工作，所以AD0和AD1同一时刻只能一个使能，A套或B套工作是，将所有原始信号采样，经放大，送到AD0或AD1进行转换，然后送给主控芯片，该数据用于触摸物位置识别。8颗接收管，抽样3颗，将所有组的抽样信号不经过放大，而直接送给AD2进行转换，主芯片通过读AD2的数据信号，判断是否存在强光干扰。

在正常工作状态下，A套或B套单独工作。当A套工作时，由上边的从左到右，到右边的从上到下，将LED统一标号为1到n，n为A套LED的总数量。主控芯片的IO口产生“A套LED选通及控制信号”、“A套PD选通及控制信号”、“A套选通及放大电路控制信号”，从而控制A套LED发光，A套PD接收并经过放大送到主控芯片的AD0端口，使得主控芯片依次采集到所有PT的工作状态信息AD0[n]。

强光检测电路每组8颗接收管里检测三个随机抽样采样信号，并送到主控芯片的AD2端口，将AD2端口所有的采样信号与强光阈值比较，做数据统计得到大于阈值的数目为LA，当LA<9，判断A套接收管未受到强光影响，主控不对A套做处理，A套继续进行正常工作；当LA>9（此条件为经验值），判断A套受到强光照射干扰。主控芯片进行AB套切换工作，主控芯片的IO口关闭“A套LED选通及控制信号”、“A套PD选通及控制信号”、“A套选通及放大电路控制信号”，然后产生“B套LED选通及控制信号”、“B套PD选通及控制信号”、“B套选通及放大电路控制信号”，从而开始B套LED发光，A套PD接收。B套同理。

当A套工作时，强光检测电路只检测采样信号j2，j5，j7；当B套工作时，强光检测电路只检测采样信号k2，k5，k7。

当A套电路工作时，A组LED电路控制LED发光，与LED对应的PD接收到光信号，并通过采样端口将信号j0~j7送给A组信号选通与放大电路，A组信号选通与放大电路将对原始采样信号整形，滤光及放大，分时发送方式到主控芯片的AD0端口。

假设当前工作A套电路工作，当强光检测电路通过检测采样信号j2，j5，j7，发现A套PD上有强光照射，主控芯片进行AB套切换工作，关闭“A套LED选通及控制信号”、“A套PD选通及控制信号”、“A套选通及放大电路控制信号”，然后打开“B套LED选通及控制信号”、“B套PD选通及控制信号”、“B套选通及放大电路控制信号”。

假设当前工作B套电路工作，当强光检测电路通过检测采样信号k2，k5，k7，发现B套PD上有强光照射，主控芯片进行BA套切换工作，关闭“B套LED选通及控制信号”、“B套PD选通及控制信号”、“B套选通及放大电路控制信号”，然后打开“A套LED选通及控制信号”、“A套PD选通及控制信号”、“A套选通及放大电路控制信号”。

参照附图7，为本发明的强光检测程序流程图，具体地，红外触摸屏正常工作状态时，将调用强光检测程序模块。设当前A套电路进行工作，A组对所有接收灯进行扫描，判断是否已经扫描完所有A套的接收灯，完成后对A套扫描数据进行分析，判断A套接收灯位置是否有强光照射，若有强光照射，主控单元关闭对A套电路的控制，并开启B套控制，重新对B所有接收灯进行扫描，判断是否已经扫描完所有B套的接收灯，完成后对B套扫描数据处理，计算得到坐标数据。

附图8为本发明中强光检测流程中涉及到的强光判断程序流程，具体地，对每个强光采样AD值进行判断，当该值大于设定的强光判断阈值时，变量LA+1，否则，变量LA不变，进行下一个数据，当LA大于9时，即认为干扰接收灯数为超过9颗时，触摸屏受到较大强光影响，需要进行A,B套互换，强光判断程序直接退出，否则判断是否所以强光采样AD值都完成，所以采样AD值都完成了，退出程序。后面的程序将根据LA的数值判断是否进行强光切换。强光切换流程图如图9所示。

附图9为本发明注重强光检测流程中涉及到的强光切换程序流程，具体地，首先判断强光影响灯数LA是否大于9，如果是假，直接退出强光切换程序，如果是真，判断当前工作状态Sa，当Sa大于0时，红外触摸屏电路工作在B套，此时将控制B套电路的IO拉到高阻态，然后开启A套电路的IO口，并且将Sa置0；当Sa小于0时，红外触摸屏电路工作在A套，此时将控制A套电路的IO拉到高阻态，然后开启B套电路的IO口，并且将Sa置1。

采用本发明的抗强光技术方案可有效降低强阳光对LED的影响，通过理论及试验验证方式，有如下优点：

通常在大气层之上阳光在光照度大于150000LUX以上，而在夏天晴朗正午天气下（空气能见度大于20km），阳光直穿过大气层之到达地面光照度一般小于100000LUX。如表1所示，使用PD作为红外接收传感器可使红外触摸屏在多数大气环境下使用。

表1地面常见阳光光照度表（1标准大气压下）

（1）通过将红外接收器件PT换成PD,加入强光检测装置，在阳光光照度接近100000LUX下任意角度入射红外触摸屏仍可正常工作。在试验条件下采用2块反射镜（95%的反射率），调整反射镜使红外触摸屏3条边都被阳光正入射，阳光光照度接近70000LUX发现红外触摸屏失灵。

通过一系列的试验发现，在通常的地面情况下空气散射或常规物体反射，均很难超过70000LUX，红外触摸屏仍可正常工作。当存在高反射率的镜面反射，且同时阳光直射以及反射光反射覆盖到3条边条件时，红外触摸才被阳光干扰失灵。在红外触摸屏通常使用条件下，出现的概率极低。

（2）采用本发明的强光检测电路对原始信号进行单独采样，原始信号没有经过放大，强光条件下的原始信号值相比正常情况下幅值变化非常显著。相较传统的对AD采样数据里判断是某条有强光照射的方法，该强光检测装置结构简单，准确率高，准确率几乎达到100%。

（3）传统强光检测方式是通过复杂的方式对数据进行分析判断，由于采样信号不经过放大，幅值非常小，AD端口无法识别有用信号，但经过放大过的采样信号幅值接近AD最大值，而发射管和接收管的自身及安装非一致性直接导致复杂的算法判断强光的准确性。

而本发明仅仅是对原始信号的每组8颗接收管采集3颗信号，不对采样信号进行放大，而直接接到另一个AD端口进行AD转换，原始信号的正常情况下的幅值很低（<30mV）,经过强光照射，幅值将会达到（0.5V~2V），从而非常明显的识别出是否有强光照射到触摸屏的哪条边上。

Claims (7)

1.一种提高红外触摸屏抗强光干扰的装置，其特征在于，主要包括红外发射二极管及红外接收二极管，在采样电路中增加强光检测装置，单独采样。

2.根据权利要求1所述的一种提高红外触摸屏抗强光干扰的装置，其特征在于，所述的采样电路中的强光检测装置通过模拟开关74HC4051将红外接收二极管每8个为一组分时采样3颗组成采样电路送给主控芯片AD采样端口。

3.根据权利要求1所述的一种提高红外触摸屏抗强光干扰的装置，其特征在于，所述的抗强光红外触摸屏的电路采用A、B两套工作电路，每套电路包括的红外接收二级管电路和红外发射二极管管电路阵列、LED驱动电路、采样控制电路、放大电路，A套电路控制分别在触摸屏的上边、右边的LED，以及下边、左边的接收管；B套电路控制分别在触摸屏的下边、左边的LED，以及上边、右边的接收管，两套强光检测电路均由型号为STM32103的主控芯片控制，红外触摸屏的当前工作状态或者A套单独工作，或者B套单独工作，强光检测电路对当前工作电路所对应的接收管进行抽样，送到主控芯片上的AD端口，主控芯片判断当前接收边是否有强光干扰，若发现当前接收边有强光干扰，主控芯片采取A、B两套电路切换，切换后的接收管从而避开强光干扰影响。

4.根据权利要求1所述的一种提高红外触摸屏抗强光干扰的装置，其特征在于，所述的红外发射二极管及所述的红外接收二极管交错布局排布方式，所述的红外发射二极管放在前排，所述的红外接收二极管放在后排，每颗所述的红外接收二极管前有2颗所述的红外发射二极管，它们遮挡住左右两侧照射来的强光，所述的红外接收二极管相对后移了红外对管高的距离。

5.一种提高红外触摸屏抗强光干扰的方法，其特征在于，强光检测流程为：红外触摸屏正常工作状态时，将调用强光检测程序模块，设当前为A套电路进行工作，对A套所有接收灯进行扫描，判断是否已经扫描完所有A套的接收灯，完成后对A套扫描数据进行分析，判断A套接收灯位置是否有强光照射，若无强光照射，根据A套采样数据计算得到坐标数据，若有强光照射，主控单元关闭对A套电路的控制，并开启B套控制，重新对B套所有接收灯进行扫描，判断是否已经扫描完所有B套的接收灯，完成后对B套扫描数据处理，根据B套采样数据计算得到坐标数据，当前为B套电路时的工作流程同理。

6.根据权利要求5所述的一种提高红外触摸屏抗强光干扰的方法，其特征在于，所述的强光检测流程中的强光判断流程为：扫描完成后，对每个强光采样AD值进行判断，当该值大于设定的强光判断阈值时，变量LA+1，否则，变量LA不变，进行下一个数据，当LA大于9时（认为干扰接收灯数为超过9颗时，触摸屏受到强光较大影响，需要进行A,B套互换），强光判断程序直接退出，否则判断是否所有强光采样AD值都完成，若所有采样AD值都完成了，退出程序，否则对下一个AD值进行判断，后面的程序将根据LA的数值判断是否进行强光切换。

7.根据权利要求5所述的一种提高红外触摸屏抗强光干扰的方法，其特征在于，所述的强光检测流程中的切换流程为：首先判断强光影响灯数LA是否大于9，如果是假，直接退出强光切换程序，如果是真，判断当前工作状态Sa，当Sa大于0时，红外触摸屏电路工作在B套，此时将控制B套电路的IO拉到高阻态，然后开启A套电路的IO口，并且将Sa置0；当Sa小于0时，红外触摸屏电路工作在A套，此时将控制A套电路的IO拉到高阻态，然后开启B套电路的IO口，并且将Sa置1。