CN105988644B - 一种适用于强环境光的红外触摸屏电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于强环境光的红外触摸屏电路，包括多个受控红外发光源、多个与受控红外发光源对应的红外接收传感器及其信号处理电路以及主控制器，所述的主控制器分别与受控红外发光源和红外接收传感器及其信号处理电路连接；所述的主控制器控制多个受控红外发光源进行快速开关切换，所述的红外接收传感器及其信号处理电路接收受控红外发光源(1)的信号，并将信号中的对环境光分量进行滤除。与现有技术相比，本发明具有适用范围广、实现成本低、电路结构简单、性能高等优点。

Description

一种适用于强环境光的红外触摸屏电路

技术领域

本发明涉及一种红外触摸屏电路，尤其是涉及一种适用于强环境光的红外触摸屏电路。

背景技术

基于红外原理的触摸屏设备，通常都采用红外发光二极管作为发光源，红外光敏二极管或红外光敏三极管作为接收传感器。当有手指、笔等发生点击屏幕的操作时，会使接收传感器接收到的由发光源发出的红外光线出现被局部遮挡的情况。触摸屏控制器从而可以判断是否有触摸操作发生以及确定相应触摸点的位置。

在许多实际应用场合中，装有红外触摸屏的设备会放置在有强环境光直射、折射或者反射的位置。比如室外、办公室内靠近玻璃幕墙的位置、有强卤光灯、射灯的会场或者演播室等。

由于太阳光、卤光灯等光源中有非常强的红外分量，会严重影响接收传感器，往往会导致接收到有效信号在环境光产生的干扰中无法被有效的区分开来，从而影响到最终的使用效果。对于大尺寸的红外触摸屏，能够被接收传感器接收到的有效信号更加微弱，因此强光干扰会显得更加严重。这也是红外触摸屏一直以来都主要应用于室内，而无法大规模应用于室外或者强光场景的主要原因。

为了克服上述问题，目前主要使用的方法包括：从触摸屏的外框结构上尽量减少可能入射到接收传感器的外部环境光；在接收传感器上增加隔离非红外光线的涂层；降低触摸屏后级电路中对接收信号的放大、增加触摸屏红外发光源的强度；或者调制红外发光源等。

但是上述方案都有自身的局限，如：

外框结构的调整可以大幅度减少入射到传感器上的环境光，但是对于很多特定角度摆放的触摸设备还是会有问题。当环境光经过直射、折射或反射后，依然可以比较明显的影响的传感器。

传感器上增加涂层虽然可以有效阻隔可见光等非红外分量，但是对于红外分量本身是不进行过滤的。因此对于环境光中的红外分量则几乎没有任何效果的。

降低接收电路中对信号的放大，可以防止过强的环境光信号造成接收端的饱和，但本质上会直接降低信噪比。造成后级信号处理的困难。

增加红外发光源的强度，可以有效提高信噪比，并克服一定强度的环境光。但是由于发光源强度的提升，会大幅度增加系统功耗，并且随着发光源发光强度的增加，对红外发光源的寿命也会产生影响。

调制红外光源是另一种常用并有效的方法。通常阳光等环境光是一个变化缓慢的直流分量，而将红外光源调制后，可以在接收电路中通过比较成熟的滤波电路将有效信号提取出来。但是，如果采用高频调制，一般会大幅度的增加系统成本和设计复杂度。而采用开关模式的调制，则需要多次的开关红外发射灯来保证能够有效采样到信号的包络，从而会大幅度增加单次信号的采样周期，造成在大尺寸红外触摸屏，尤其是多点应用中采样频率过低的问题，并最终影响触摸的效果。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用范围广、实现成本低、电路结构简单、性能高的适用于强环境光的红外触摸屏电路，。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种适用于强环境光的红外触摸屏电路，其特征在于，包括多个受控红外发光源、多个与受控红外发光源对应的红外接收传感器及其信号处理电路以及主控制器，所述的主控制器分别与受控红外发光源和红外接收传感器及其信号处理电路连接；

所述的主控制器控制多个受控红外发光源进行快速开关切换，所述的红外接收传感器及其信号处理电路接收受控红外发光源的信号，并对其中的环境光进行滤除。

所述的受控红外发光源包括依次连接的供电模块、开关切换模块和红外发光二极管，所述的开关切换模块与主控制器连接；

所述的供电模块，将触摸屏的输入电源通过电压电流转换电路，转换成直接驱动红外发光二极管的电源；

所述的开关切换模块，受主控制器的控制，控制红外发光二极管的快速打开或者关闭。

所述的开关切换模块包括分别与主控制器连接的P-MOSFET和N-MOSFET，所述的主控制器通过控制信号打开P-MOSFET和N-MOSFET，所述的红外发光二极管接通电源、打开发光；当P-MOSFET和N-MOSFET任意一个关闭后，所述的红外发光二极管断开电源、停止发光。

所述的红外接收传感器及其信号处理电路包括依次连接的红外接收传感器、第一级信号放大电路和第二级信号放大电路；

所述的红外接收传感器的输出连接到第一级信号放大电路的输入，所述的第一级信号放大电路的输出连接到第二级信号放大电路的输入，所述的第二级信号放大电路的输出连接到主控制器。

所述的红外接收传感器包括依次串联的红外光敏二极管以及电阻。

所述的第一级信号放大电路包括由第一运算放大器为核心构成的第一运放放大电路和第一增益配置电路。

所述的第一运算放大器为低噪声高速轨对轨输入输出运算放大器。

所述的第二级信号放大电路包括电容、由第二运算放大器为核心构成的运放放大电路和第二增益配置电路，所述的电容串联在第一级信号放大电路的输出和第二运算放大器的输入之间。

所述的第二运算放大器为低失调电压轨对轨输入输出运算放大器。

所述的主控制器包括比较器电路、模数转换电路、单片机和主控制器供电部分，所述的比较器电路和模数转换电路的输入分别与第二级信号放大器的输出连接，所述的比较器电路、模数转换电路的输出分别与单片机连接，所述的主控制器供电部分分别与比较器电路、模数转换电路、单片机连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)提高了使用范围，可以实现红外触摸屏在室外以及强环境光场合的应用。

2)实现成本低，仅需要从电路设计就可以实现对红外感应信号中强环境光分量的过滤，不依赖触摸屏的结构设计，以及实际应用场合中对于触摸屏放置的位置和角度。

3)性能好，在强环境光存在的情况下，依旧保持几乎相同的信噪比。

4)在强环境光存在的情况下，不需要增加红外发光源的功率，降低功耗，延长工作寿命。

5)电路结构比较简单，实现成本比较低。

6)可以使红外触摸屏保持较短的采样周期，提高红外触摸屏、尤其是大尺寸红外触摸屏的扫描频率，提高性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明受控红外发光源的结构示意图；

图3为本发明红外接收传感器及其信号处理电路的结构示意图；

图4为本发明主控制器的结构示意图；

图5为本发明开关切换模块的结构示意图；

图6为本发明第二级信号放大电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种强环境光下可工作的红外触摸屏电路，由多个受控红外发光源1、多个红外接收传感器及其信号处理电路2以及主控制器3组成。

如图2所示，上述的受控红外发光源，由供电模块11、开关切换模块12和红外发光二极管13组成。

上述的供电模块11，将触摸屏的输入电源通过常规的电压电流转换电路，转换成可以直接驱动红外发光二极管13的电源。

上述开关切换模块12，受主控制器3的控制，控制红外发光二极管13的快速打开或者关闭。一般可以通过快速切断或导通红外发光二极管13的供电来实现，从而产生单个或多个脉冲光信号。

如图3所示，上述的红外接收传感器及其信号处理电路2，由红外接收传感器21、第一级信号放大电路22、第二级信号放大电路23组成。

红外接收传感器21的输出信号连接到第一级信号放大电路22的输入，第一级信号放大电路22的输出连接到第二级信号放大电路23的输入。第二级信号放大电路23的输出，连接到主控制器3。

上述的红外接收传感器21，由红外光敏二极管21a以及电阻21b串联组成。通常红外光敏二极管可以选取直径为3MM或者5MM规格的通用产品；电阻21b可以选取1K～100K间。

上述的第一级信号放大电路22，由运算放大器22a为核心构成的运放放大电路、增益配置电路组成。

上述的运算放大器22a，选用低噪声高速轨对轨输入输出运算放大器。

上述的运放放大电路，选用成熟的正比例或者反比例电压放大电路来实现，将红外接收传感器21传输进来的信号根据增益配置电路的增益配置进行放大。

上述的增益配置电路，可以集成在运算放大器22a中，也可以独立在运算放大器22a外部作为外部电路来控制和调整第一级信号放大电路22的增益。通常增益范围在5～100倍之间。

上述的第二级信号放大电路23，由电容23a、运算放大器23b为核心构成的运放放大电路23c、增益配置电路组成。

上述的电容23a，通常选用普通MLCC电容，电容值在100pF～100nF之间。串联在第一级信号放大电路22的输出和运算放大器23b的输入之间。

上述的运算放大器23b，选用低失调电压轨对轨输入输出运算放大器。

上述的运放放大电路23c，选用成熟的正比例或者反比例放大电路来实现，将经过电容23a后的信号按照增益配置电路构成的增益配置进行放大。

上述的增益配置电路，可以集成在运算放大器23b中，也可以独立在运算放大器23b外部作为外部电路来控制和调整第二级信号放大电路23的增益。

如图4所示，上述的主控制器3，由比较器电路3a、模数转换电路3b、高性能通用单片机3c、主控制器供电部分3d组成。

上述的比较器电路3a和模数转换电路3b，连接在第二级信号放大器23的输出和高性能通用单片机3c的中间。实际应用中，可以使用其中任意一个，或者组合两个电路在一起使用。

上述的比较器电路3a可以集成在高性能通用单片机3c中，也可以独立在3c外部。比较器电路3a的功能是将第二级信号放大器23的输出信号和预设的阈值进行比较，判断是否超过阈值，并将判断结果传送给高性能通用单片机3c。

上述的模数转换电路3b，可以集成在高性能通用单片机3c中，也可以独立在3c外部。模数转换电路3b的功能是将第二级信号放大器23的输出信号进行模数转换，并将转换后的数字信息传送给高性能通用单片机3c中。

上述的高性能通用单片机3c，通常可以采用工作主频在50MHz以上通用单片机。高性能通用单片机3c控制多个受控红外发射源1的快速打开关闭，处理经过比较器电路3a、模数转换电路3b的数字信号，经过设定的触摸屏检测算法，将触摸信息通过通讯接口传送给上位机。

上述的主控制器供电部分3d，将触摸屏的输入电源通过常规的电压电流转换电路，调整为可以被直接驱动比较器电路3a、模数转换电路3b、高性能通用单片机3c的电源。

所述的强环境光下可工作的红外触摸屏电路，其工作原理如下：

多个受控红外发光源1的开关切换模块12在高性能通用单片机3c的控制下，进行快速开关切换。当开关打开的时候，接通红外发光二极管13和供电模块11，打开一小段时间，如1～10us后，关闭开关。如此单次或循环多次，从而使红外发光二极管13可以发出单个或多个光脉冲。

图5是一种典型的开关切换模块12的电路实现。P-MOSFET 12a和N-MOSFET12b组成开关切换模块，串联在供电模块11和红外发光二极管13之间，并受到主控制3的控制。当主控制3通过控制信号打开P-MOSFET 12a和N-MOSFET12b两个MOSFET时，红外发光二极管13接通电源、打开发光。当P-MOSFET 12a和N-MOSFET12b任意一个关闭后，红外发光二极管13断开电源、停止发光。

由于采用红外发光二极管21，随外部红外光强的不同，其产生的光电流会一般在1uA～1mA范围内。通过选择合适的串接电阻21b后，一般可以产生10mV～1V范围的电压信号。在强环境光下，如夏日阳光直射，虽然产生的光电流会大幅度超过有效信号产生的光电流，但是由于红外光电二极管21本身特性的限制，通常也不会超出上述的光电流范围内。

第一级信号放大电路22将红外接收传感器21接收到的光脉冲信号进行放大后，再传送入第二级信号电路23。由于22a选用低噪声高速轨对轨输入输出运算放大器，因此能够有效控制信噪比。在没有红外光感应的情况下，22a具有轨对轨输出的性能，可以保证输出接近0V的信号，不会产生干扰的本底噪声信号。

经过第一级放大器电路22的放大后的信号6a需要通过电容23a后再进入第二级运放放大电路，因此6a中的直流分量会给隔离开，而有效的脉冲信号6b则能够顺利被电容23a耦合到第二级运放放大电路中。由于大部分的环境光信号均是缓慢变化的直流分量，因此经过上述电路处理后，绝大部分的环境光均可以从原始信号中被滤除。

图6是一个典型的第二级信号放大电路23的实现，采用正比例运放放大电路。

第二级运放放大电路23c将经过电容23a后的信号进行放大。由于23b选用低失调电压轨对轨输入输出运算放大器，因此经过放大后，由于运放本身失调电压造成的增益误差非常小。在没有红外光感应的情况下，23b具有轨对轨输出的性能，可以保证输出接近0V的信号，不会产生干扰的本底噪声信号。

经过第二级信号放大电路23放大后的信号，通过比较器电路3a、或模数转换电路3b、或者两者的组合后，进入高性能通用单片机3c。此时运行在高性能通用单片机中的算法程序，只需要在其控制的受控红外发光源1发出的单个或多个红外光线脉冲后，经过一定的延迟后检测是否收到脉冲信号。根据是否检测到脉冲，判断相应光路上的是否出现遮挡的物体，并进一步处理后将触摸情况经过通讯接口传送给上位机。

Claims (7)

1.一种适用于强环境光的红外触摸屏电路，其特征在于，包括多个受控红外发光源(1)、多个与受控红外发光源对应的红外接收传感器及其信号处理电路(2)以及主控制器(3)，所述的主控制器(3)分别与受控红外发光源(1)和红外接收传感器及其信号处理电路(2)连接；

所述的主控制器(3)控制多个受控红外发光源(1)进行快速开关切换，所述的红外接收传感器及其信号处理电路(2)接收受控红外发光源(1)的信号，并将信号中的环境光分量滤除；

所述的红外接收传感器及其信号处理电路(2)包括依次连接的红外接收传感器(21)、第一级信号放大电路(22)和第二级信号放大电路(23)；

所述的红外接收传感器(21)的输出连接到第一级信号放大电路(22)的输入，所述的第一级信号放大电路(22)的输出连接到第二级信号放大电路(23)的输入，所述的第二级信号放大电路(23)的输出连接到主控制器(3)；

所述的第一级信号放大电路(22)包括由第一运算放大器(22a)为核心构成的第一运放放大电路和第一增益配置电路；所述的第二级信号放大电路(23)包括电容(23a)、由第二运算放大器(23b)为核心构成的运放放大电路(23c)和第二增益配置电路，所述的电容(23a)串联在第一级信号放大电路(22)的输出和第二运算放大器(23b)的输入之间；

经过第一级放大器电路(22)放大后的信号(6a)需要通过电容(23a)后再进入第二级运放放大电路，因此放大后的信号(6a)中的直流分量会给隔离开，而有效的脉冲信号(6b)则能够顺利被电容(23a)耦合到第二级运放放大电路中；

第二级运放放大电路(23c)将经过电容(23a)后的信号进行放大。

2.根据权利要求1所述的一种适用于强环境光的红外触摸屏电路，其特征在于，所述的受控红外发光源(1)包括依次连接的供电模块(11)、开关切换模块(12)和红外发光二极管(13)，所述的开关切换模块(12)与主控制器(3)连接；

所述的供电模块(11)，将触摸屏的输入电源通过电压电流转换电路，转换成直接驱动红外发光二极管(13)的电源；

所述的开关切换模块(12)，受主控制器(3)的控制，控制红外发光二极管(13)的快速打开或者关闭。

3.根据权利要求2所述的一种适用于强环境光的红外触摸屏电路，其特征在于，所述的开关切换模块(12)包括分别与主控制器(3)连接的P-MOSFET(12a)和N-MOSFET(12b)，所述的主控制器(3)通过控制信号打开P-MOSFET(12a)和N-MOSFET(12b)，所述的红外发光二极管(13)接通电源、打开发光；当P-MOSFET(12a)和N-MOSFET(12b)任意一个关闭后，所述的红外发光二极管(13)断开电源、停止发光。

4.根据权利要求1所述的一种适用于强环境光的红外触摸屏电路，其特征在于，所述的红外接收传感器(21)包括依次串联的红外光敏二极管(21a)以及电阻(21b)。

5.根据权利要求1所述的一种适用于强环境光的红外触摸屏电路，其特征在于，所述的第一运算放大器(22a)为低噪声高速轨对轨输入输出运算放大器。

6.根据权利要求1所述的一种适用于强环境光的红外触摸屏电路，其特征在于，所述的第二运算放大器(23b)为低失调电压轨对轨输入输出运算放大器。

7.根据权利要求1所述的一种适用于强环境光的红外触摸屏电路，其特征在于，所述的主控制器(3)包括比较器电路(3a)、模数转换电路(3b)、单片机(3c)和主控制器供电部分(3d)，所述的比较器电路(3a)和模数转换电路(3b)的输入分别与第二级信号放大器(23)的输出连接，所述的比较器电路(3a)、模数转换电路(3b)的输出分别与单片机(3c)连接，所述的主控制器供电部分(3d)分别与比较器电路(3a)、模数转换电路(3b)、单片机(3c)连接。