CN112947799B - 一种多点红外触摸屏多块板子通讯及多路交叉扫描装置和方法 - Google Patents

一种多点红外触摸屏多块板子通讯及多路交叉扫描装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多点红外触摸屏多块板子通讯及多路交叉扫描装置及方法，装置包括主控板、多组红外发射板、多组红外接收板，红外发射板上的发射灯和红外接收板上的接收灯一一对应，多组红外发射板、多组红外接收板共同组成矩形触摸屏，主控板包括微控制单元和AD转换电路，微控制单元与所有红外发射板依次串联，AD转换电路与所有红外接收板依次串联，红外发射板和红外接收板都包含现场可编程逻辑门阵列，微控制单元和AD转换电路连接，微控制单元还有与外部设备连接的数据接口。本发明可以采用FPGA通讯算法，结合对应的硬件设计，按照统一的地址分配，逐级有序的采集信息，实现了多块板组合后还能够整块大屏的红外触摸识别。

Description

一种多点红外触摸屏多块板子通讯及多路交叉扫描装置和 方法
技术领域
发明涉及红外触摸屏技术领域，具体是一种多点红外触摸屏多块板子通讯及多路交叉扫描的方法和方法。
背景技术
传统的红外触摸屏，一般是在显示器前面安装一个外框；外框里面有一组电路板，在X，Y轴方面排列着多块红外发射灯和红外接收灯，工作是，会在表面对应形成横竖交叉的红外矩阵，当有触摸时，就会挡住经过该区域的红外线；经过硬件和软件算法判断，取得该点的X，Y轴坐标。传统多点红外触摸屏扫描方式复杂，主控板、发射板、接收板在各自位置还需要用不同的元器件区分，批量生产成本也很高。
发明内容
本发明的第一目的在于，微控制单元级联方式将发射板一块接一块的连接；微控制单元级联方式将接收板一块接一块的连接，按照统一的地址分配，逐级有序的采集触控数据的多点红外触摸屏多块板子通讯及多路交叉扫描装置。
本发明的第二目的在于，提供一种根据上述装置的扫描方法；
为了实现本发明第一目的，本发明所采用的技术方案是：
发明的一种多点红外触摸屏多块板子通讯及多路交叉扫描装置，其特征在于，包括主控板、多组红外发射板、多组红外接收板，红外发射板上的发射灯和红外接收板上的接收灯一一对应，多组红外发射板、多组红外接收板共同组成矩形触摸屏，所述主控板包括微控制单元和AD转换电路，所述微控制单元与所有红外发射板依次串联，所述AD转换电路与所有红外接收板依次串联，所述红外发射板和红外接收板都包含现场可编程逻辑门阵列，所述微控制单元和AD转换电路连接，所述微控制单元还有与外部设备连接的数据接口。
进一步地，所述主控板集成在依次串联第一块红外接收板上。
为了实现本发明的第二目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种多点红外触摸屏多块板子通讯及多路交叉扫描装置的方法，包括上述装置，方法包括：
S1、微控制单元通过给依次串联第一块红外发射板发送控制信息，
S2、红发射板按照要求驱动对应红外发射板上的红外发射灯工作；同时对应的红外接收板上的红外接收灯接收光信号，然后转换成采样电信号；
S3、电信号通过红外接收板送到AD转换电路转换为数字数据给微控制单元；
S4、微控制单元经过数据处理后，坐标通过数据接口输出。
进一步地，所述步骤S1之前还进行初始化，在初始化时，微控制单元通过初始配置，配置红外发射板和红外接收板的板号、灯数、采样点数、采样频率、点灯周期形成信息报文；步骤S2中点灯周期的信息级联方式传给每一块红外发射板和红外接收板的可编程逻辑门阵列上。
进一步地，所述初始化时，微控制单元分别给红外发射板和红外接收板发送信息报文，使红外发射板和红外接收板知道自己的板号，知道自己的发射管的数量或接收管的数量；
进一步地，接收板上的可编程逻辑门阵列通过控多组模拟开关，每组模拟开关控制挂在接收灯的发射极上的信号，通过可编程逻辑门阵列切换模拟开关，获知当前接收灯的状态。
进一步地，每块发射板上的可编程逻辑门阵列通过控制多个CON接口，控制多个MOS管的开关状态，多个CON接口平均分为两组，分别为第一组CON接口和第二组CON接口，第一组CON接口和第二组CON中任意两个CON接口组合控制1个发射灯点亮，从而控制多个发射灯管点灯，按照统一编址依次点亮且每次只点一个发射灯。
进一步地，所述步骤S1中控制信息包括板号信息、待点亮发射灯编号、点灯周期；所述步骤S2中，红发射板按照要求驱动对应红外发射板上的红外发射灯工作具体执行方法为：
S21、接收到控制信息的红外发射板检测板号信息是否与自己相同，若是，执行步骤S22，若否，执行步骤S23；
S22、点亮与待点亮发射灯编号相同的红外发射灯，点灯时间与点灯周期相同；
S23、将接收到的控制信息发送给下一级红外发射板，重新执行S21。
进一步地，所述步骤S2中，红外接收灯接收光信号采用多路交叉斜扫描的算法红外接收灯接收光信号，与点亮的红外发射灯相对的目标红外接收灯，目标红外接收灯与目标红外接收灯两侧对称的多个红外接收灯共同接收点亮的红外发射灯信号。
进一步地，每个所述可编程逻辑门阵列还具有计数功能，通过采样脉冲个数判别可编程逻辑门阵列进入挂起状态或工作状态。
发明提出的主要有益效果是：通过多组红外发射板和多组红外接收板拼接成大屏，并且每个红外发射板和红外接收板中均设置有可编程逻辑门阵列(FPGA)，本发明可以采用FPGA通讯算法，结合对应的硬件设计，按照统一的地址分配，逐级有序的采集信息，实现了多块板组合后还能够整块大屏的红外触摸识别。
附图说明
为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为多点红外触摸屏多块板子通讯及多路交叉扫描装置的结构示意图；
图2为多点红外触摸屏多块板子通讯及多路交叉扫描装置的原理示意图；
图3为本申请中红外发射板的电路原理图；
图4为本申请中红外接收板的电路原理图；
图5为多点红外触摸屏多块板子通讯及多路交叉扫描方法的方法原理图；
图6为本申请中红外触摸屏多路交叉扫描示意图；
图7为本申请中红外发射板信号定义；
图8为本申请中红外接收板信号定义；
图9为本申请中红外触摸屏信号采集时序图；
图10为本申请中发射板FPGA控制信号时序图；
图11为本申请中接收板FPGA控制信号时序图；
图12是本申请中红外发射板发射灯采样图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的优选实施例进行详细阐述，以使发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例一
参阅图1、图2所示，发明的一种多点红外触摸屏多块板子通讯及多路交叉扫描装置，包括主控板、多组红外发射板(T1、T2、T3、T4、T5)、多组红外接收板(R1、R2、R3、R4、R5)，本申请中示例性的设置5组红外发射板和5组红外接收板，其中红外发射板(T1,T2,T3)为长边方向上的红外发射板，红外发射板(T4,T5)为短边方向的红外发射板；红外接收板(R1,R2,R3)长边方向上的红外接收板，红外接收板(R4、R5)为短边方向的红外接收板；红外发射板上的发射灯和红外接收板上的接收灯一一对应，即红外接收板(T1-T5)依次与红外接收板(R1-R5)面对面对应的；多组红外发射板、多组红外接收板共同组成矩形触摸屏，所述主控板包括微控制单元MCU和AD转换电路，微控制单元MCU负责对整个红外触摸框信号发生、信号采集、数据处理、坐标输出等，所述微控制单元MCU与所有红外发射板依次串联，所述AD转换电路与所有红外接收板依次串联，所述红外发射板和红外接收板都包含现场可编程逻辑门阵列(FPGA)，所述微控制单元MCU和AD转换电路连接，所述微控制单元还有与外部设备连接的数据接口。在本实施例中，该数据接口可以是USB接口或其他数据接口，将USB接口的主控板示例性的设置在红外接收板R4上时，带主控板的红外接收板R4，通过连接线按照红外发射板T1至红外发射板T5的顺序级联连接；带主控板的红外接收板R4，通过连接线按照红外接收板R2至红外接收板R5的顺序级联连接。本实施例中红外发射板和红外接收板数量仅仅是示例性的设置，实际红外发射板和红外接收板每种数量大于2个，长边和短边各设置有至少1块板即可。
在红外接收板的硬件设计上，每块红外发射板和每块红外接收板上各有一块可编程逻辑门阵列(以下称为FPGA)。ARM主控电路通过给红外发射板级联的发送控制信息，控制红发射板按照要求驱动对应发射板上的红外发射灯工作；同时控制对应的红外接收板上的红外接收灯接收光信号，然后转换成采样电信号，电信号一级一级地送到主控板上的AD端转换为数字数据给ARM主控板。ARM主控板经过数据处理后，坐标通过USB接口输出给外部PC机。
参阅图3所示，红外发射板上的FPGA为主控器件，FPGA通过上一级发射板或主控板(当前发射板为T1)通过接口CON1输入控制信号，通过CON2输出控制信号给下一级发射板。FPGA按照本发明指出的控制方法，分时的控制每颗红外灯外围的模拟开关电路，控制点灯。本发明的方法是将所有发射灯按照统一编码方式，从T1,T2,T3,T4,T5，每块板子灯数为D1-D64或者D1-D72，按照跑马灯方式依次点红外灯，本发明一般点灯时间为40us。
参阅图4所示，红外接收板上的FPGA为主控器件，FPGA通过上一级接收板或主控板(前一级为主控板)通过接J1输入控制信号，通过J2输出控制信号给下一级发射板。FPGA按照本发明指出的控制方法，每组模拟开关可以控制8路信号，每路信号挂在接收灯的发射极上，获知当前接收灯的状态。当对面的发射灯光路没有遮挡的到达此接收灯上，该路信号为高电平；当对面的发射灯光路被触摸物体遮挡的到达此接收灯上，该路信为低电平。每组模拟开关有1路输出，所以共8路输出接到1个模拟开关上，通过该模拟开关选择8组模拟开关的某一组，并送到板子上的运算放大器上，所以一共最多可以控制64个信号，即控制64颗红外接收灯。同样的原理很容易扩展到72颗灯及以上。为了保证信号不失真，本发明一般模拟开关切换时间为1us。通过FPGA进行高速开关切换，在64个红外接收灯处获取需要按算法要求采样接收灯开关状态。
为了让红外接收板和红外发射板在工作时段才接电工作，降低功率提高寿命，防止干扰。红外接收板和红外发射板均具有工作态和挂起态。每块接收板上的FPGA根据自己的功能模块的配置和自己所处的工作状态(工作态或挂起态)，对接收管状态进行采样。每块接收板FPGA有一个计数器功能模块，通过记录SamClk的采样脉冲个数，来判别自己是否需要从挂起态进入工作态。当FPGA判定自己将在下一个SamClk的采样脉冲上升沿从挂起态将变为工作态，FPGA通过内部使能信号使能工作态功能模块，在下一个SamClk的采样脉冲上升沿按设计要求开始对本块接收板的接收管状态进行采样。当FPGA判定自己将在下一个SamClk的采样脉冲上升沿从工作态将变为挂起态，FPGA通过内部使能信号使能挂起态功能模块，当前接收板进入挂起态。
发明可以通过本采用FPGA通讯算法，结合对应的硬件设计，按照统一的地址分配每个发射板和接收板、每个发射灯和接收灯，逐级有序的采集信息，实现了多块板组合后还能够整块大屏的红外触摸识别。
实施例二
为了实现本发明的第二目的，本发明所采用的技术方案如下：
参阅图5所示，一种多点红外触摸屏多块板子通讯及多路交叉扫描装置的方法，包括上述装置，方法包括：
S1、微控制单元MCU通过给依次串联第一块红外发射板T1发送控制信息，
S2、红发射板按照要求驱动对应红外发射板上的红外发射灯工作；同时对应的红外接收板上的红外接收灯接收光信号，然后转换成采样电信号；
S3、电信号通过红外接收板送到AD转换电路转换为数字数据给微控制单元；
S4、微控制单元MCU经过数据处理后，坐标通过数据接口输出。
所述步骤S1之前还进行初始化，在初始化时，微控制单元MCU通过初始配置，配置红外发射板和红外接收板的板号、灯数、采样点数、采样频率、点灯周期形成信息报文，微控制单元分别给红外发射板和红外接收板发送信息报文，使红外发射板和红外接收板知道自己的板号，知道自己的发射管的数量或接收管的数量；
步骤S2中点灯周期的信息级联方式传给每一块红外发射板和红外接收板的可编程逻辑门阵列FPGA上。通讯可采用类似I2C的协议。微控制单元MCU首先通知第一块红发射板位置信息和剩余发射板的信息，第一块红发射板控制完成后，再将剩余发射板信息发送给第二块红发射板，依次类推；主控板首先通知第一块接收板位置信息和剩余接收板的信息，第一块接收板控制完成以后，再将剩余发射板信息发送给第二块接收板，依次类推。
接收板上的可编程逻辑门阵列MCU通过控多组模拟开关，每组模拟开关控制挂在接收灯的发射极上的信号，通过可编程逻辑门阵列切换模拟开关，获知当前接收灯的状态。
每块发射板上的可编程逻辑门阵列通过控制多个CON接口，控制多个MOS管的开关状态，多个CON接口平均分为两组，分别为第一组CON接口和第二组CON接口，第一组CON接口和第二组CON中任意两个CON接口组合控制1个发射灯点亮，从而控制多个发射灯管点灯，按照统一编址依次点亮且每次只点一个发射灯。在本实施例中，每块发射板上的FPGA通过控制信号con1～con16拉低，控制16个MOS管Q1～Q16的开关状态，由两个MOS管通断控制con1～con8和con9～con16每两个组合控制1个发射灯点亮，从而控制发射灯管D1～D64点灯，按照统一编址跑马灯的方式每次只能点一个发射灯，同样的原理很容易扩展到72颗灯及以上。
所述步骤S1中控制信息包括板号信息、待点亮发射灯编号、点灯周期；所述步骤S2中，红发射板按照要求驱动对应红外发射板上的红外发射灯工作具体执行方法为：
S21、接收到控制信息的红外发射板检测板号信息是否与自己相同，若是，执行步骤S22，若否，执行步骤S23；
S22、点亮与待点亮发射灯编号相同的红外发射灯，点灯时间与点灯周期相同；
S23、将接收到的控制信息发送给下一级红外发射板，重新执行S21。
参阅图6所示，为了提高触摸屏的触摸精度和识别多点触摸，采用多路交叉斜扫描的算法，所述步骤S2中，红外接收灯接收光信号采用多路交叉斜扫描的算法红外接收灯接收光信号，与点亮的红外发射灯相对的目标红外接收灯，目标红外接收灯与目标红外接收灯两侧对称的多个红外接收灯共同接收点亮的红外发射灯信号。为阐述方便以五根线为例，基本思想是在正交扫描的基础上增加4条对称的偏线。红外接收灯为光电三极管，因为电子特性的原因，会有结电容存在。结电容会有15us的充电时间和15us放电时间，结电容的充放电时间是影响扫描时间的主要原因。针对这一特性，我们在扫描时在扫描1对5扫描时，每次同时让5个接收灯同时进行充电，然后控制模拟开关快速切换采样通道，这样时间会缩短到正常处理时间的1/5，提高了采样速度。
每块接收板上的FPGA根据自己的功能模块的配置和自己所处的工作状态(工作态或挂起态)，对接收管状态进行采样。每块接收板FPGA有一个计数器功能模块，通过记录SamClk的采样脉冲个数，来判别自己是否需要从挂起态进入工作态。当FPGA判定自己将在下一个SamClk的采样脉冲上升沿从挂起态将变为工作态，FPGA通过内部使能信号使能工作态功能模块，在下一个SamClk的采样脉冲上升沿按设计要求开始对本块接收板的接收管状态进行采样。当FPGA判定自己将在下一个SamClk的采样脉冲上升沿从工作态将变为挂起态，FPGA通过内部使能信号使能挂起态功能模块，当前接收板进入挂起态。
为了实现上述方法需要对通信中各字段进行定义
一、通信方法及通信中各字段的定义为；
参阅图7所示，为了实现本方法中的通信，首先定义通信中各字段信号定义；
上述装置中CON1为发射板控制信号输入端接口，即与主控板或前一块发射板接口；CON2为发射板控制信号输出端接口，即与下一块发射板接口。其信号定义如下表所示。
Figure BDA0002928514510000071
为描述方便，将发射板接口统一定义如下表，
Figure BDA0002928514510000072
参照附图8所示：J1为接收板控制信号输入端接口，即与主控板或前一块接收板接口；CON2为接收板控制信号输出端接口，即与下一块接收板接口。其信号定义如下表所示。
Figure BDA0002928514510000073
为描述方便，将发射板接口统一定义如下表，
Figure BDA0002928514510000074
/>
Figure BDA0002928514510000081
参照附图9所示：每块接收板选通时钟信号2SynClk～6SynClk与发射板T1选通时钟1T_D0相位时序图；每块接收板采样时钟SamClk信号与发射板点灯时钟1T_D1相位时序图。SynClk～6SynClk为选通时钟信号，当其被拉到高电平时，通知每块红外接收板(R5,R1,R2,R3)FPGA新的一次扫描周期开始，红外接收板R1的FPGA同时被置为工作态，等待采样时钟的到来。点灯时钟T_D1在40uF点灯时间里，采样时钟SamClk每间隔1uF采样速度采样6组数据，也即获取6颗接收灯的状态。
参照附图10所示：发射板上FPGA信号定义及时序图。FPGA通过将相应的控制信号con1～con16拉低，控制16个MOS管Q1～Q16的开关状态，从而控制发射灯管D1～D64点灯，其中，设计要求每次只能点一个发射灯，并且只能由两个MOS管通断控制con1～con8和con9～con16每两个组合控制1个发射灯点亮，例如，若希望点亮发射灯D1，con1和con9同时拉到有效低电平。其中FPGA信号定义，如下表：
Figure BDA0002928514510000082
参照附图11所示：接收板上FPGA信号定义及时序图。FPGA引脚使用及信号定义，如下表：每块接收板上的FPGA根据自己的功能模块的配置和自己所处的工作状态(工作态或挂起态)，对相应的接收管状态进行采样。设计方法要求每块接收板FPGA有一个计数器功能模块，通过记录SamClk的采样脉冲个数，来判别自己是否需要从挂起态进入工作态(计数器初始值的开机时通过MCU配置)。当FPGA判定自己将在下一个SamClk的采样脉冲上升沿从挂起态将变为工作态，FPGA通过内部使能信号使能工作态功能模块，在下一个SamClk的采样脉冲上升沿按设计要求开始对本块接收板的接收管状态进行采样。当FPGA判定自己将在下一个SamClk的采样脉冲上升沿从工作态将变为挂起态，FPGA通过内部使能信号使能挂起态功能模块，当前接收板进入挂起态。其中FPGA信号定义，如下表：
Figure BDA0002928514510000091
FAdr0～FAdr5控制红外接收灯Q1～Q64状态信息采样对照表(假设控制信号FEN1～FEN9为低电平)，如下表所示，
Figure BDA0002928514510000092
Figure BDA0002928514510000101
FAdr[5..0]为FAdr5、FAdr4、FAdr3、FAdr2、FAdr1、FAdr0的组成6位二进制数，并已十六进制显示。当对应FAdr[5..0]为某状态时，相对应的红外接收灯(序号为Q1～Q64)状态信息送至数据总线上。
主控板MCU提供给发射板周期为40us点灯时钟信号，每个时钟仅能点亮发射板T1～T4上的一个发射灯。对于每个扫描周期内，所有发射灯仅按先后顺序分被被点亮一次。即每帧开始的时候，发射板按板号1～5的顺序点灯，每块板子按灯地址递增的顺序点灯。以T1板为例，当T1板处于点灯态时，该板上点灯顺序按0～71的地址依次递增点灯。
接收板设计满足，每个接收灯始终可接收到光信号。理论上，任意满足最低感应光强的接收灯(设计要求接收等B极对地感应电压>＝1.15V)，都可以采样其状态信息(导通/截止)。采用原理如下描述：
接收板为R1～R5，其中R4为带MCU和USB接口的主控板。主控板MCU提供给接收板周期为1us(该周期范围0.25～5us可调)的采样时钟信号，采样约定的接收板上接收灯的状态信息。
(一)采样算法约定如下，
设在发射板每个灯的点灯周期(40us)内，对应的接收板采样点数为M(1，2，3，……)，每两个采样点跨灯数为N(0,1,2，……)。
由于实际发射灯和接收灯角度的界限的要求，采样算法要求按安装位置分为水平(H)和垂直(V)两种情况。设计要求水平(H)和垂直(V)两种情况的采样是依次独立进行，即当对水平(H)位置的发射板T1～T3依次点灯时，对应仅采样水平(H)位置的接收板R1～R3的接收灯；即当对垂直(V)位置的发射板T4、T5依次点灯时，对应仅采样垂直(V)位置的接收板R4、R5的接收灯。
为了发射板的发射灯对应统一，将接收板的接收灯统一编址。
由于采样算法对水平(H)位置和垂直(V)位置的相对独立性，下面以水平位置为例描述采样算法，垂直位置情况与此相同。
由于采用了统一编址，所以算法上可以忽略R1/R2、R2/R3的跨板采样的情况。交叉扫描时，有水平的首尾处(边界位置处)存在一些奇异点(奇异点由由参数M、N共同决定)，边界处不存在的采样点为虚点，抛弃虚点不采样。按照M个采样点和跨N个灯的原则进行采样，如果采样点所对应的灯的地址超过了水平(H)位置灯地址的范围(0～154)，该采样点被定义为不存在的虚点(注意，当采样点大于水平(H)灯地址最大值154，由于当前处于水平(H)位置发射板点灯，所以该点也为虚点)，虚点为实际不存在的点，板子对该点是不采样的；当点某个发射灯时，按照M个采样点和跨N个灯的原则采样，并且抛弃虚点，当实际得到的采样点数小于M，则定义该发射灯为奇异点。显然，当点奇异点所对应的发射灯时，得到的采样信息是不完整的。奇异点出现在灯地址的首尾处。
(1)非奇异点情况
当点地址为k的灯时，且该灯为非奇异点时，则接收板对应的采样灯地址计算如下，
当M为奇数时，接收板采样的灯数为，k-[(M-1)/2]*(N+1)，k-[(M-1)/2-1]*(N+1)，k-[(M-1)/2-2]*(N+1)，…，k-(N+1)，k，k+(N+1)，k+2*(N+1)，…，k+[(M-1)/2-2]*(N+1)，k+[(M-1)/2-1]*(N+1)，k+[(M-1)/2]*(N+1)。
当M为偶数时，接收板采样的灯数为，k-(M/2)*(N+1)，k-(M/2-1)*(N+1)，k-(M/2-2)*(N+1)，…，k-(N+1)，k+(N+1)，k+2*(N+1)，…，k+(M/2-2)*(N+1)，k+(M/2-1]*(N+1)，k+(M/2)*(N+1)。
上述各两种情况实际采样点数都为M。
(2)奇异点情况
设水平(H)的地址范围为0～Rmax，当点地址为k的灯时，且该灯为奇异点时，则接收板对应的采样灯地址也按非奇异点情况计算，如下，
当M为奇数时，接收板采样的灯数为，k-[(M-1)/2]*(N+1)，k-[(M-1)/2-1]*(N+1)，k-[(M-1)/2-2]*(N+1)，…，k-(N+1)，k，k+(N+1)，k+2*(N+1)，…，k+[(M-1)/2-2]*(N+1)，k+[(M-1)/2-1]*(N+1)，k+[(M-1)/2]*(N+1)。抛弃不存在的虚点，分如下两种情况，
情况一(左边界)
设k-[(M-1)/2-j]*(N+1)<0，其中，0≤j<(M-1)/2，且j为正整数。则接收板最终得到的采样灯地址为k-[(M-1)/2-j-1]*(N+1)，k-[(M-1)/2-j-1]*(N+1)，k-[(M-1)/2-j-1]*(N+1)…k-(N+1)，k，k+(N+1)，k+2*(N+1)，…，k+[(M-1)/2-2]*(N+1)，k+[(M-1)/2-1]*(N+1)，k+[(M-1)/2]*(N+1)。
这种情况下，得到的采样点数为M-j-1个。
情况二(右边界)
设k+[(M-1)/2-j]*(N+1)>Rmax，其中，0≥j>(M-1)/2，且j为正整数。则接收板最终得到的采样灯地址为k-[(M-1)/2]*(N+1)，k-[(M-1)/2-1]*(N+1)，k-[(M-1)/2-2]*(N+1)，…，k-(N+1)，k，k+(N+1)，…，k+[(M-1)/2-j-1]*(N+1)。
这种情况下，得到的采样点数为M-j-1个。
当M为偶数时，接收板采样的灯数为，k-(M/2)*(N+1)，k-(M/2-1)*(N+1)，k-(M/2-2)*(N+1)，…，k-(N+1)，k+(N+1)，k+2*(N+1)，…，k+(M/2-2)*(N+1)，k+(M/2-1]*(N+1)，k+(M/2)*(N+1)。
抛弃不存在的虚点，分如下两种情况，
情况一(左边界)
设k-(M/2-j)*(N+1)<0，其中，0≤j<M/2，且j为正整数。则接收板最终得到的采样灯地址为k-(M/2-j-1)*(N+1)，k-(M/2-j-2)*(N+1)，…，k-(N+1)，k+(N+1)，k+2*(N+1)，…，k+(M/2-2)*(N+1)，k+(M/2-1]*(N+1)，k+(M/2)*(N+1)。
这种情况下，得到的采样点数为M-j-1个。
情况二(右边界)
设k+(M/2-j)*(N+1)>Rmax，其中，0≥j>M/2，且j为正整数。则接收板最终得到的采样灯地址为k-(M/2)*(N+1)，k-(M/2-1)*(N+1)，k-(M/2-2)*(N+1)，…，k-(N+1)，k+(N+1)，…，k+(M/2-j-1)*(N+1)。
这种情况下，得到的采样点数为M-j-1个。
举个例子，设在发射板每个点灯周期(40us)内，对应的接收板采样点数6，每两个采样点跨灯数为1。为了好书写方便，设发射板、接收板水平(H)位置灯地址的范围(0～29)。垂直(V)位置情况类似，可类推。采样点位置信息规律如下表所示，其中，第一行数字为接收板三极管灯地址，第一列数字为发射板发射灯的灯地址，表中空白处代表接收管未被采样，“采”字代表点该行所对应的发射灯的时候，采集对应该列的接收管灯的地址，如图12所示。
二、发射板初始化配置如下，
为了使FPGA程序自适应任何尺寸的多点触控框，设计上可采用开机MCU配置FPGA方法。当系统开机或复位时，主控板MCU通过I2C接口配置每块接收板FPGA。FPGA通过解析配置信息，配置相应功能模块。采用MCU通过AD端口采样每块发射板FPGA的IO口方式，来监控FPGA工作状态，防止系统产生误操作。将T_D4配置成公共数据总线(相应1T_D4～6T_D4统一写成T_D4)。对备用接口信号T_D2、1T_D3～6T_D3、T_D4功能进行如下定义，
信号 引脚功能定义
T_D2 接主控板MCU带有SCK的引脚，定义为I2C总线时钟
1T_D3～6T_D3 接主控板MCU带有SDA的引脚，定义为I2C数据总线
T_D4 接主控板MCU带有AD的引脚，定义为电源监控信号
1.MCU的I2C接口
在FPGA内设计带I2C接口的两种功能模块，一种模块定义为工作态I2C功能模块，另一种定义为调试态I2C功能模块。信息通信具体方式和时序符合I2C标准。
(1)FPGA工作态I2C功能模块选通情况
为了使发射板FGPA程序适应任何尺寸的LCD和任意位置，系统启动时，MCU通过I2C接口与发射板FPGA通讯。通信信息及方式如下：
通信信息包括，每块发射板的位置信息(这里称为板号，例如T1～T5对应板号1～5)和发射灯数量，点灯周期等。为了简单，这里通信内容仅包括每块发射板号和发射灯数量，信息报文最小长度为2字节。通信方式采用一级一级传输方式，原因是为使每块发射板FPGA程序内容与所其所处的位置更加无关(T1～T5)如下表所示。首先，主控板MCU配置为主机，T1板FPGA配置为从机，MCU通过1T_D3向T1板FPGA发送T1～T5板子发射灯的数量。T1板FPGA解析并截取自己的发射灯的灯的数量，然后，T1板FPGA将自己配置为主机，T2板配置为从机，T1板FPGA通过2T_D3向T2板FPGA发送T2～T5板子的发射灯的数量。依次类推。
主控板、发射板各板之间传输信息约定如下表：
Figure BDA0002928514510000131
注：为了说明清楚起见，上表报文内容忽略板型等信息。
2字节基元信息报文内容约定如下表：
段名 位号 说明
发射灯数量 b6～b0 每块发射板发射灯最大数量128
备用 b9～b7 不用
板号 b13～b10 最多16块发射板(T1～T16)
备用 b14 不用
板型 b15 0表示发射板，1表示接收板
(2)FPGA调试态I2C功能模块选通情况
为了可以控制发射板任意发射灯点亮，MCU通过I2C接口发送点灯数据。信息通信具体方式和时序符合I2C标准。
通信信息包括，板号(定义T1～T5对应编号1～5)，待点亮的发射灯数值(如为对应板号的第N个发射灯)。
通信方式采用一级一级传输方式。为了说明方便，假设需要点T3板的第30号发射灯，发送数据格式定义为T3:30。首先，主控板MCU配置为主机，T1板FPGA配置为从机，MCU通过1T_D3向T1板FPGA发送点灯信息。T1板FPGA解析发送来的数据信息，发现板号与自己不匹配。然后，将T1板FPGA将自己配置为主机，T2板配置为从机，T1板FPGA将接收到的点灯信息通过2T_D3向T2板FPGA发送，依次类推。当T3板FPGA接收到T2板FPGA发送点灯信息解析发现，信板号与自己匹配，然后，T3板FPGA控制相应发射灯点亮。
调试模式主控板、发射板各板之间传输信息报文约定如下表：
Figure BDA0002928514510000141
信息报文内容约定如下表：
段名 位号 说明
发射灯数量 b6～b0 每块发射板发射灯最大数量128
备用 b9～b7 不用
板号 b13～b10 最多16块发射板
备用 b15，b14 不用
三、接收板初始化配置如下，
为了使FPGA程序自适应任何尺寸的多点触控框，设计上可采用开机MCU配置FPGA方法。当系统开机或复位时，主控板MCU通过I2C接口配置每块接收板FPGA。FPGA通过解析配置信息，配置相应功能模块。对备用接口信号2Date1～6Date1、Date2功能进行如下定义，
信号 引脚功能定义
Date2 接主控板MCU带有SCK的引脚，定义为I2C总线时钟
2Date1～6Date1 接主控板MCU带有SDA的引脚，定义为I2C数据总线
系统启动时，MCU通过I2C接口与发射板FPGA通讯。通信信息及方式如下：
通信信息包括，接收板的位置信息(这里称为板号，例如R1～R5对应板号1～5)和接收管的数量，采样点数，采样方式，信息报文最小长度为4字节。通信方式采用一级一级传输方式，原因是为使每块发射板FPGA程序内容与所其所处的位置更加无关(R1～R5)如下表所示。首先，主控板R4的MCU配置为主机，R5板FPGA配置为从机，带MCU的主控板通过2Date1向R5板FPGA发送R5,R1,R2,R3板子接收管数量等信息。R5板FPGA解析并截取自己的4字节报文信息，然后，R5板FPGA将自己配置为主机，R1板配置为从机，R5板FPGA通过3Date1向R1板FPGA发送R1～R3板子接收管数量等信息。依次类推。主控板、发射板各板之间传输信息约定如下表：
Figure BDA0002928514510000151
注：为了说明清楚起见，上表报文内容忽略采样点数，采样方式，板型等信息。
4字节基元信息报文内容约定如下表：
段名 位号 说明
接收管数量 b6～b0 每块接收板接收管最大数量128
采样方式 B7,b8 00：为相邻接收管采样方案；01为每隔一个接收管采样方案
备用 b9 不用
板号 b13～b10 最多16块发射板(T1～T16)
备用 b14 不用
板型 b15 0表示发射板，1表示接收板
采用点数 b23～b16 表示可采点数范围为1～255
当系统启动或复位，主控板R4上的MCU初始化完成后，通过I2C总线一级一级的向发射板FPGA，接收板FPGA发送信息报文，来配置FPGA芯片。报文内容及格式如上面I2C通讯所示。由于采用分级配置FPGA，所以微处理通过I2C总线向T1和R5发送完配置信息后，需要适当的延时一段时间(具体参数由实验确定)。延时完成后，MCU认为所有板子的FPGA已配置完成，同步发送接收板选通时钟信号2SynClk～6SynClk和发射板T1选通时钟1T_D0，新的扫描周期开始。
以上所述，仅为发明的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在发明的保护范围之内。因此，发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种多点红外触摸屏多块板子通讯及多路交叉扫描装置，其特征在于，包括主控板、多组红外发射板、多组红外接收板，红外发射板上的发射灯和红外接收板上的接收灯一一对应，多组红外发射板、多组红外接收板共同组成矩形触摸屏，所述主控板包括微控制单元和AD转换电路，所述微控制单元与所有红外发射板依次串联，所述AD转换电路与所有红外接收板依次串联，所述红外发射板和红外接收板都包含现场可编程逻辑门阵列，所述微控制单元和AD转换电路连接，所述微控制单元还有与外部设备连接的数据接口；
红外接收灯接收光信号采用多路交叉斜扫描的算法红外接收灯接收光信号，与点亮的红外发射灯相对的目标红外接收灯，目标红外接收灯与目标红外接收灯两侧对称的多个红外接收灯共同接收点亮的红外发射灯信号；
设在发射板每个灯的点灯周期内，对应的接收板采样点数为M，每两个采样点跨灯数为N；采样算法要求按安装位置分为水平H和垂直V；交叉扫描时，边界位置处存在一些奇异点，边界处不存在的采样点为虚点；当实际得到的采样点数小于M，则定义该发射灯为奇异点；
采样灯的具体计算方法是：
在非奇异点情况时，当点地址为k的灯时，且该灯为非奇异点时，则接收板对应的采样灯地址计算如下，
当M为奇数时，接收板采样的灯数为，k-[(M-1)/2]*(N+1)，k-[(M-1)/2-1]*(N+1)，k-[(M-1)/2-2]*(N+1)，…，k-(N+1)，k，k+(N+1)，k+2*(N+1)，…，k+[(M-1)/2-2]*(N+1)，k+[(M-1)/2-1]*(N+1)，k+[(M-1)/2]*(N+1)，
当M为偶数时，接收板采样的灯数为，k-(M/2)*(N+1)，k-(M/2-1)*(N+1)，k-(M/2-2)*(N+1)，…，k-(N+1)，k+(N+1)，k+2*(N+1)，…，k+(M/2-2)*(N+1)，k+(M/2-1]*(N+1)，k+(M/2)*(N+1)，
上述各两种情况实际采样点数都为M；
在是奇异点情况时，设水平H的地址范围为0～Rmax，当点地址为k的灯时，且该灯为奇异点时，则接收板对应的采样灯地址也按非奇异点情况计算，如下，
当M为奇数时，接收板采样的灯数为，k-[(M-1)/2]*(N+1)，k-[(M-1)/2-1]*(N+1)，k-[(M-1)/2-2]*(N+1)，…，k-(N+1)，k，k+(N+1)，k+2*(N+1)，…，k+[(M-1)/2-2]*(N+1)，k+[(M-1)/2-1]*(N+1)，k+[(M-1)/2]*(N+1)，抛弃不存在的虚点，分如下两种情况：
在左边界的情况时，设k-[(M-1)/2-j]*(N+1)<0，其中，0≤j<(M-1)/2，且j为正整数，则接收板最终得到的采样灯地址为k-[(M-1)/2-j-1]*(N+1)，k-[(M-1)/2-j-1]*(N+1)，k-[(M-1)/2-j-1]*(N+1)…k-(N+1)，k，k+(N+1)，k+2*(N+1)，…，k+[(M-1)/2-2]*(N+1)，k+[(M-1)/2-1]*(N+1)，k+[(M-1)/2]*(N+1)，
这种情况下，得到的采样点数为M-j-1个；
在右边界的情况时，设k+[(M-1)/2-j]*(N+1)>Rmax，其中，0≥j>(M-1)/2，且j为正整数，则接收板最终得到的采样灯地址为k-[(M-1)/2]*(N+1)，k-[(M-1)/2-1]*(N+1)，k-[(M-1)/2-2]*(N+1)，…，k-(N+1)，k，k+(N+1)，…，k+[(M-1)/2-j-1]*(N+1)，
这种情况下，得到的采样点数为M-j-1个；
当M为偶数时，接收板采样的灯数为，k-(M/2)*(N+1)，k-(M/2-1)*(N+1)，k-(M/2-2)*(N+1)，…，k-(N+1)，k+(N+1)，k+2*(N+1)，…，k+(M/2-2)*(N+1)，k+(M/2-1]*(N+1)，k+(M/2)*(N+1)，
抛弃不存在的虚点，分如下两种情况：
在左边界的情况时，设k-（M/2-j）*(N+1)<0，其中，0≤j<M/2，且j为正整数，则接收板最终得到的采样灯地址为k-（M/2-j-1）*(N+1)，k-（M/2-j-2）*(N+1)，…，k-(N+1)，k+(N+1)，k+2*(N+1)，…，k+(M/2-2)*(N+1)，k+(M/2-1]*(N+1)，k+(M/2)*(N+1)，
这种情况下，得到的采样点数为M-j-1个；
在右边界的情况时，设k+(M/2-j)*(N+1)>Rmax，其中，0≥j>M/2，且j为正整数，则接收板最终得到的采样灯地址为k-(M/2)*(N+1)，k-(M/2-1)*(N+1)，k-(M/2-2)*(N+1)，…，k-(N+1)，k+(N+1)，…，k+(M/2-j-1)*(N+1)，
这种情况下，得到的采样点数为M-j-1个。
2.根据权利要求1所述的多点红外触摸屏多块板子通讯及多路交叉扫描装置，其特征在于：所述主控板集成在依次串联第一块红外接收板上。
3.一种多点红外触摸屏多块板子通讯及多路交叉扫描装置的方法，其特征在于：包括权利要求1所述的装置，方法包括：
S1、微控制单元通过给依次串联第一块红外发射板发送控制信息，
S2、红发射板按照要求驱动对应红外发射板上的红外发射灯工作；同时对应的红外接收板上的红外接收灯接收光信号，然后转换成采样电信号；
S3、电信号通过红外接收板送到AD转换电路转换为数字数据给微控制单元；
S4、微控制单元经过数据处理后，坐标通过数据接口输出。
4.根据权利要求3所述的多点红外触摸屏多块板子通讯及多路交叉扫描的方法，其特征在于：所述步骤S1之前还进行初始化，在初始化时，微控制单元通过初始配置，配置红外发射板和红外接收板的板号、灯数、采样点数、采样频率、点灯周期形成信息报文；步骤S2中点灯周期的信息级联方式传给每一块红外发射板和红外接收板的可编程逻辑门阵列上。
5.根据权利要求4所述的多点红外触摸屏多块板子通讯及多路交叉扫描的方法，其特征在于：所述初始化时，微控制单元分别给红外发射板和红外接收板发送信息报文，使红外发射板和红外接收板知道自己的板号，知道自己的发射管的数量或接收管的数量。
6.根据权利要求3所述的多点红外触摸屏多块板子通讯及多路交叉扫描的方法，其特征在于：接收板上的可编程逻辑门阵列通过控多组模拟开关，每组模拟开关控制挂在接收灯的发射极上的信号，通过可编程逻辑门阵列切换模拟开关，获知当前接收灯的状态。
7.根据权利要求6所述的多点红外触摸屏多块板子通讯及多路交叉扫描的方法，其特征在于：每块发射板上的可编程逻辑门阵列通过控制多个CON接口，控制多个MOS管的开关状态，多个CON接口平均分为两组，分别为第一组CON接口和第二组CON接口，第一组CON接口和第二组CON中任意两个CON接口组合控制1个发射灯点亮，从而控制多个发射灯管点灯，按照统一编址依次点亮且每次只点一个发射灯。
8.根据权利要求3所述的多点红外触摸屏多块板子通讯及多路交叉扫描的方法，其特征在于：所述步骤S1中控制信息包括板号信息、待点亮发射灯编号、点灯周期；所述步骤S2中，红发射板按照要求驱动对应红外发射板上的红外发射灯工作具体执行方法为：
S21、接收到控制信息的红外发射板检测板号信息是否与自己相同，若是，执行步骤S22，若否，执行步骤S23；
S22、点亮与待点亮发射灯编号相同的红外发射灯，点灯时间与点灯周期相同；
S23、将接收到的控制信息发送给下一级红外发射板，重新执行S21。
9.根据权利要求8所述的多点红外触摸屏多块板子通讯及多路交叉扫描的方法，其特征在于：每个所述可编程逻辑门阵列还具有计数功能，通过采样脉冲个数判别可编程逻辑门阵列进入挂起状态或工作状态。
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