大尺寸红外触摸技术的驱动电路设计与分析

李小哲，胡跃辉，吕国强＊，于芳芳，刘志民，丁小宇

（1.特种显示技术教育部重点实验室，特种显示技术国家工程实验室，省部共建现代显示技术国家重点实验室培育基地，合肥工业大学 光电技术研究院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009；3.合肥工业大学 计算机与信息学院，安徽 合肥 230009）

1 引 言

随着苹果公司的iphone、ipad等产品的普及，多点触摸逐渐成为人们日常生活中的“主角”，该技术在智能手机、电子数码产品、数字信息展示、便携式计算机以及工业控制台等信息技术领域发展迅速［1－4］。目前，触摸屏主要分为两大类：基于计算机视觉技术与基于传感器技术［5－6］。其中基于计算机视觉技术的触摸屏，一般成本较高，适用范围有限；而基于传感器技术的触摸屏应用领域较多，主要分为：电阻式触摸屏、电容式触摸屏、声波式触摸屏和红外式触摸屏［7－8］。而红外触摸屏与其他触摸屏相比，具有成本低、透明度高、易于安装等特点，并且不怕电磁、电流、静电等干扰，能够正常工作于恶劣的环境条件，因此广泛应用在大尺寸的触摸屏中［9－10］。但随着尺寸的增加、距离的变大，红外触摸存在驱动能力差、信号不稳定的问题，而这些问题将直接导致触摸点的计算不准确，严重影响触摸屏的精度。

本文设计了一种适用于大尺寸多点触摸系统的红外收发电路，使其能够提升瞬态发射功率，并降低总体功耗，结构简单、抗干扰能力强、易于实现。

2 实验原理

红外触摸屏由四周的触摸面板构成，触摸面板的下表面布满正交方向的红外发射及接收传感器，发射传感器与接收传感器在位置上一一对应。当有触摸物体出现时，阻挡了红外传感器的传播光线，接收传感器接收到的光信号通量减小，将该变化量送入单片机处理，从而判断出坐标点的位置。但随着触摸屏尺寸的加大，发射传感器的发射距离加长，传统的红外传感器的驱动方法不能满足大尺寸的需求，出现了信号强度弱、触摸遮挡信号不明显等问题，从而导致触摸点识别错误，系统分辨率、精度不能达到要求。

为了解决上述问题，我们提出了一种新的适用于大尺寸红外触摸屏的硬件驱动方法，该方法能够有效地解决信号强度弱、坐标点识别不准确的问题，下面将详细叙述实验原理和方法。

2.1 红外发射电路的驱动原理

红外发射电路由选通信号、红外发射传感器（红外发射管）、达林顿管及一定阻值的电阻组成，如图1所示。其中，选通信号1和2由控制芯片提供，需满足一定的逻辑关系，其逻辑关系如表1所示。

图1 红外发射传感器驱动电路Fig.1 Infrared emission sensor driver circuit

图2 红外发射传感器驱动电路等效电路图Fig.2 Equivalent circuit of infrared emission sensor driver circuit

表1 发射电路选通信号与传感器导通关系Tab.1 Relationship between gating signal of transmission circuit and the state of sensor

当选定红外发射传感器工作时，合理选择R2与R4的阻值使达林顿管Q1与Q2饱和导通，此时的等效电路如图2所示。在计算过程中，由于U1与U2所在支路电流极小可忽略不计，则选取R1上的电流i1（t）和二极管等效电阻RT上的电流i2（t）为状态变量，有：

根据等效电路图2列出回路方程：

省略状态变量函数中的符号t，整理得到：

表示成矩阵形式为：

输出电压表达式为

用矩阵形式表示输出方程为

电路中的达林顿管Q1、Q2为性能相同的PNP与NPN管，相对于三极管，达林顿管的驱动能力更强，极易达到饱和状态，基极流入电流小，增加芯片的带负载能力，而流过红外传感器的电流可通过改变电阻的阻值来控制，以达到需要的发光强度。

电路中的R3必不可少，它能够有效避免电路中的逻辑混乱。当达林顿管Q1未导通时，红外传感器的正极通过R3接地，若此处不存在R3的支路，则传感器正极的状态不明确，无法肯定传感器的导通与否，而传感器的导通则直接影响接收传感器的信号，从而影响整个系统的准确性与稳定性。

2.2 红外接收电路的驱动原理

红外接收电路由选通信号、三极管、MOSFET管、红外接收传感器（红外接收管）及电阻构成，如图3所示。其中，选通信号3与4由控制芯片给出，使其满足一定的逻辑关系来控制红外传感器导通与否，其逻辑关系如表2所示。

图3 红外接收传感器驱动电路图Fig.3 IR receiver sensor driver circuit

表2 接收电路选通信号与传感器导通关系Tab.2 Relationship between gating signal of receiver circuit and the state of sensor

当电路处于工作状态即选通信号3与4均为低电平时，合理选择R6与R7的阻值，使Q3、Q4工作在饱和状态，同时考虑到芯片的带负载能力可适当加大R6与R7的阻值，但不能影响Q3与Q4的工作状态。此时，红外传感器正常工作，将接收到的光信号转变成电流信号输出。由于该信号强度较小，后续电路中应有适当的放大滤波处理。

PMOS管Q5的工作状态由一个与系统时钟同频的信号控制，接收传感器正常工作时，PMOS管处于截止状态，电流信号输出给下一级作放大处理；而在该控制信号的后半个周期，Q5处于开关导通状态，可将前半个周期的电流信号迅速与地短路。由于接收管输出信号为公共信号端，即图3中Q4的集电极同时并联n个接收传感器的输出信号，因此此处的Q5显得极为重要。在时钟的半个周期传感器正常工作，另半个周期利用Q5将前一时刻的信号彻底“丢掉”，防止影响下一个接收器信号，提高了信号的完整度，尤其是微小信号，进而提高了信号的灵敏度。

当触摸屏工作时，发射电路与接收电路的选通信号按照一定的逻辑关系提供，保证发射传感器工作时，相对应的一个或多个接收传感器同时工作。无触摸点时，红外接收传感器接收到的光信号很强，转换的电流信号较大；当有触摸点出现时，传感器接收到的光信号较小，转换的电流信号就相应的减小，从而判断触摸点的位置。由于在硬件电路中的改进，使得红外发射传感器的发光强度得到了一定的提高，接收电路中由光信号转换的电流信号能够准确、没有重叠的传递，有效的解决了大尺寸情况下，红外发射传感器发光强度不高，接收传感器信号微弱识别困难的问题。

3 实验平台搭建

为了验证本文提出的驱动方法的可行性，我们基于PIC32MX440F256H搭建了多个红外触摸平台，控制芯片均为LC4064V5TN100I及74系列芯片等。触摸平台适用于127cm（16∶9）LCD，横轴包含216对红外传感器，纵轴包含124对红外传感器，其中红外发射传感器选用深圳鑫永诚公司的XYC－IRFI940AC－D4，接收传感器选用该公司的XYC－PTFI940DC－A4。多个触摸平台的区别在于红外传感器的驱动方法不同，其中包括本文提出的驱动方法以及传统的普通的驱动方法。

实验中，红外传感器均采用脉冲式工作方式，工作波长为940nm。为了保证传感器工作正常，脉冲驱动电压占空比需小于等于百分之一。在红外发射电路中，选通信号1与2均由74系列芯片按照一定的逻辑提供，为了使达林顿管Q1、Q2均工作在饱和状态，配置电路（图1）中电阻R1阻值为1Ω，R2阻值为6.2kΩ，R3阻值为1kΩ，R4阻值为6.2kΩ。红外接收电路中，选通信号3与4均由CPLD按照相应的逻辑提供，为了使三极管Q3处于饱和态、MOSFET管Q4处于开关态配置电路中R5阻值为2kΩ，R6阻值为4.7kΩ，R7阻值为2kΩ，R8阻值为51Ω。另外，整个触摸系统采用 USB供电，供电电压为5V，电流为500mA。

4 实验结果与讨论

普通的驱动方法，如图4～5所示。图4为红外发射传感器驱动电路，其中T1为PNP型三极管，T2为NPN型三极管；图5为其小信号H参数等效电路，由三极管放大电路的频率响应得到：

图4 普通的红外发射传感器驱动电路Fig.4 Ordinary infrared emission drive circuit

图5 普通的红外发射传感器驱动电路等效电路Fig.5 Equivalent circuit of ordinary infrared emission drive circuit

针对本文提出的红外触摸屏的驱动方法与普通的驱动方法，分别进行了实验测试，并用示波器捕捉了信号波形。实验结果表明，普通的驱动方法三极管T1处于放大状态，T2处于饱和状态。图6为未有遮挡的情况下红外接收传感器输出信号，其中每一个小尖冲代表一个传感器输出信号，从图中可看出，信号的幅度不等，有些幅值过小，表明传感器接收到的光信号不稳定，有些传感器未接收到信号。而本文所提出的驱动方法，达林顿管Q1与Q2的引脚信号波形图如图7～图8所示，其中（a）为Q1波形图，（b）为Q2波形图，由图中可看出Q1与Q2的3个引脚分别为Ve＞Vc＞Vb，Vb＞Vc＞Ve，均工作在饱和态。图9为未有遮挡情况下红外接收传感器的输出信号，从图中可看出，信号幅值基本一致，表明传感器接收到的光信号稳定，系统工作正常。

图6 普通驱动方法接收电路输出信号波形图Fig.6 Output single waveform of common driving method

图7 发射电路中达林顿管Q1三个引脚信号波形图，其中绿色为基极，红色为集电极，紫色为发射极Fig.7 Waveform of Darlington transistor Q1，wherein the base electrode green，red for the collector，the emitter purple

图9 本文所提驱动方法接收电路输出信号波形图Fig.9 Output single waveform of the driving method which propose in this article

由以上实验表明，本文所提出的红外触摸屏的电路设计方法，能够有效的驱动红外传感器，尤其在大尺寸的情况下，相较于普通的驱动方法，红外发射传感器的发光强度更高，发射距离更长，接收传感器的信号更规整，更能反映出触摸事件的发生与否。

5 结 论

在大尺寸的红外触摸中，发射传感器需要的瞬态发射功率较大，小信号状态很难满足设计要求，传感器需工作在大信号状态，因此对大尺寸触摸屏的信号进行大信号的分析必不可少。为满足系统整体功耗需求，采用中小功率管实现大功率设计为本文设计的核心。最后，以PIC32MX－440F256H为实验平台，搭建了适用于127cm LCD的红外触摸系统，并对比传统的普通的驱动方法，验证本文提出方法的可行性。实验结果表明，本文所提出的电路设计方案能够有效的提高发射电路的瞬态功率：瞬态电流达到500mA，功率达到2 500mW，发射距离长，接收信号一致性好，为实现大尺寸的红外多点触摸提供了保障。

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