红外触控屏的接收单元抗干扰新技术及其验证

李冬喆，陈国龙，黄子强

（电子科技大学 电子科学技术研究院，四川 成都610054）

1 引 言

红外触摸技术作为一种人机交互方式发展至今［1］，通过不断的改进与完善，已经被运用在许多重要领域，特别因其的稳定性、坚固性、抗电磁干扰等特性广泛应用于大尺寸触摸屏的设计当中［2－3］。

目前的红外触摸屏的工作原理是横竖方向上的红外发射管不断进行扫描发射红外光，对应的红外接收管接收相应的红外光。当有遮挡时，红外接收管接收到的光强会发生变化，相应的光电转换电路输出的电信号也会发生变化，从而判定触摸点的位置。除了接收固定频率外，如电路没有良好的滤波功能和选频功能，红外接收电路会接收到其他频率的噪声信号，这样接收到的数据和最初得到的域值［4］相比较后会产生非常大的偏差，导致红外触摸屏无法正常的判断触摸位置，引起红外屏的误操作。特别是太阳光线中红外光约占50%，包含大量直流分量噪音与各频段的干扰白噪声，在有太阳光的环境中使用红外触摸屏极易出现阳光干扰接收单元的问题，这也是目前红外触摸屏无法运用在室外环境的原因。因此必须引进抗强光干扰技术，来滤除太阳光的干扰，实现选频接收有效信号的目的。

目前在抗强光选频接收的常用技术中，分为在设计结构上实现抗强光的物理式防光和在硬件电路上实现抗强光的电气式防光。

在物理防光方面，为了提高红外触摸屏的抗强光干扰性能，要求大量削减外界光对红外接收管的影响。因此可以在红外接收管前安装对传播方向敏感的光准直沟道。只有当水平光线入射时才会有高透过率，而对于倾斜入射的光会有极大衰减［5］。

对于电气式防光，有以下几种常见的方案：

无源晶振法［6］：使用光电二极管和晶体谐振器构成接收端光电转换电路实现抗强光干扰。当作用于晶体谐振器的电信号频率等于晶体的固有频率时，利用无源晶体谐振器的压电效应会在输出端输出频率为固有频率的正弦信号，而其余频率的信号会被滤除。无源晶振法能实现高Q 值的滤波和选频［7］，但受限于晶振的固有频率，在kHz频段上只有32.768kHz一种，无法灵活选择接收频率。

滤波法：使用带通滤波器和后续放大方式能消除太阳光直流分量和非发射频率其他频段的信号干扰［8］，并可调选频率，但Q 值较低，并且接收管易出现饱和现象。在滤波法的基础上，利用LC谐振电路替代接收管电阻，能够消除接收管的饱和现象，但电感较大，会增加接收管电路的体积，不利于多接收管红外屏的设计。

锁相放大法［9］：利用具有锁相放大环节的红外屏接收电路，将红外发射电路发射出的红外光经过光电转换后与参考信号进行锁相处理，经过放大再进行滤波。这方法具有良好的选频接收效果，但与输入信号频率相近的干扰信号无法通过滤波滤除，导致Q 值偏低。

本文通过移相、互相关等方法，提出了一种新的锁相放大算法，进一步提高选频能力与Q 值，并在后期使用高效的硬件平台对数据进行处理，在锁相放大后级不用滤波器的情况下实现高Q值的选频接收，达到抗强光干扰的目的。

2 算法分析和验证

2.1 锁相放大原理及算法改进

锁相放大基本结构如图1 所示。PSD 相敏检测器是锁相放大的核心部分，根据互相关原理，只有当两个同频率的三角函数信号相乘再经过滤波积分可得到两者幅值与正弦或是余弦的乘积，而不同频率的三角函数信号相乘再经过滤波积分后能滤除掉零均值随即过程的噪声，并能通过低频滤波器滤除掉和频分量。但这个方法对于和输入信号频率十分接近的干扰信号无法通过滤波的方式滤除，会保留两不同频率的差频分量［10］，造成Q 值偏低。所以锁相放大器只能通过LPF 的窄带化来提高信噪比。

图1 锁相放大基本结构图Fig.1 Basic frame diagram of lock－in amplifier

本文在锁相放大原理基础上，采用了新的算法，旨在在锁相放大环节之后不用滤波的情况下能达到很好的选频效果，并且能结合PSOC5硬件平台实现对输出信号的处理。

改进算法结构示意图如图2所示。

图2 改进算法结构图Fig.2 Frame diagram of improved algorithm

当输入信号x（t）和参考信号r（t）都是三角函数余弦信号时，设

将参考信号与输入信号进行移相，参考信号移相135°，输入信号移相45°，即

同频信号原两路信号相乘为：

同频信号移相后相乘为：

两路信号相加为：

若是同频信号，没有移相的两路信号相乘得到的差频分量为正，能将相乘后的信号的最小幅值提高到0V 以上（式5），便于后期通过硬件平台将相乘后得到的两路信号进行相加处理实现幅值的相消，最后得到稳定的正幅值。

而将参考信号与不同频输入信号通过上述方法进行处理后，得到的信号幅值是围绕着0点上下浮动，且最大幅值的绝对值与最小幅值的绝对值相同，即为

通过PSOC5硬件平台进行数据采样，AD 转换，将采样的数据进行数字式平均或者选取最大幅值和最小幅值进行相加处理，最后能将不同频率的信号幅值消除掉，而保留同频信号的幅值。

2.2 算法验证

验证部分分为模拟电路验证和数字仿真。模拟电路验证的目的是分析该算法的选频能力，验证算法对于连续信号在波形上的稳定性和可靠性，最后得到的数据和图像是否与算法相符。为数字部分的采样和数字信号处理做准备。数字仿真针对信号的采样精度进行分析。

模拟部分主要通过PSOC5构建模拟电路来获取信号幅值。模拟框图如图3 所示。利用PSOC5产生1kHz的内部参考正弦信号，输入信号通过外部信号发生器产生，并可调节不同频率。移相部分可通过PSOC5内部运算放大器来实现。再通过外部模拟乘法器MLT04 实现信号相乘，最后用运放实现信号相加。最后不同频率的输出波形可用示波器显示并可获取输出波形的峰峰值。选频Q 值由中心频率除以0.7 倍中心频率幅值的频段之差获得，因此需要测出0.7倍中心频率幅值的频段数据。根据数据可画出模拟选频接收测试结果图如图4。

图3 模拟电路逻辑框图Fig.3 Logic flow of analog circuit

图4 模拟选频接收测试结果图Fig.4 Test results figure of analog receiver frequency selection

幅值在999.63Hz与1 000.33Hz 2个频率段上，因此选频Q 值可由图4得到。

由图4可以看出，由于模拟电路移相的精度不够准确以及信号发生器产生频率的步长和频偏，导致1kHz信号并不是最大幅值，附近的频率的信号也有较大的幅值。由于两路信号进行放大后的幅值有偏差，导致在1kHz频率处的信号不是获得一个稳定的幅值，而是有上下浮动的幅值，但峰值相加后能保证获得较大的正幅值，并且输入频率越高，通过运放移相后的幅值衰减越大。利用模拟硬件电路只能获得通过算法后的波形，却无法对波形的幅值进一步处理，所以必须要通过数字器件，通过AD 转换提取波形的峰峰值进行处理。

数字仿真部分主要是运用matlab对信号进行采样仿真，然后对采样后的数据进行运算处理。通过改进式（8）可知，输入信号频率越接近参考信号，｜W－ω｜越小，u（t）周期越大，如果采样数过少的话，会无法采样到u（t）的一个完整周期，有可能不能获得u（t）的最大最小幅值，导致在参考信号附近的频率也会出现较大的幅值，影响选频效果。因此，采样周期越长，采样数越多，获得的Q 值越大。图5为在相同采样频率下，左边是采样5个参考信号周期600个数据，右边是采样50个周期6 000个数据的对比图，可以看出采样50个周期的图Q 值更大，选频效果更好。

图5 不同采样周期对比图Fig.5 Comparison chart of different sample period

3 硬件实验验证

本方案主要针对红外触摸屏抗强光干扰模块进行设计，将红外接收管接收到的信号先通过低通滤波，滤除掉太阳光中的直流分量，之后采用可编程片上系统芯片PSOC5将通过滤波器之后的正弦型信号使用数字处理，实现上述互相关锁相放大改进算法，滤除掉其余频段上的干扰信号，提取出有效信号的幅值，主要实现信号的采样、移相、存储，再通过串口将采样得到的数据传输到PC端，利用matlab软件进行后续信号处理。

PSOC5内部提供的SAR＿ADC 内部不包含采样保持功能，为了在AD 采样转换过程中保持采样数据的稳定，提高采样精度，使用PSOC5提供的采样保持模块采样保持输入信号。给采样保持触发的时钟为100KHZ，在时钟下降沿采样保持输入数据，在上升沿采样数据。

将通过采样保持后的信号通过PSOC5内部ADC进行8位的AD 转换。考虑到PSCO5内部存储器SRAM 为64KB，可以存储65 546bit的数据。如果进行8bit量化数据的AD 转换，最多可以存储8 192 个采样数。若是对于频率为10 kHz的参考信号，将采样速率设置为600 000 SPS，最多可以进行参考信号50 个周期的采样，每路信号采样1 500个连续8bit数据，从这看出采样的精度受限于存储空间的大小。若信号幅值过小，在峰值附近波形会渐变平缓，采样精度不高的话会导致多次采样到峰值附近相同的值，因此需要将采样精度提高到12bit进行采样。受限于PSOC5ADC转换性能，幅值过大会导致ADC 无法采样到小于－1.024V 以下的负电压幅值，因此需要对输入信号进行分压处理。

对获得的采样数可以通过数字移相的方式实现移相。因为数字相位差与数据表中的数据总个数及数据地址的偏移量有关。若一个信号周期采样N 个数，每两个相邻数据之间的相位差为360°／N，通过改变数据地址的偏移量M 就能获得360°＊M／N 相位差的信号。因此一个周期采样数越多，相位差精度越高。

基于对上述采样信号的精度问题考虑，为在一个周期内采样更多、精度更高的数据以及多周期采样，PSOC5 的SRAM 无法存储超过64 KB的数据，因此将参考信号和输入信号依次进行AD 采样和数字移相，通过UART 传输到PC 端用MATLAB上进行处理，不仅能提高采样精度，还能方便处理转换后的数据。PSOC5 硬件电路原理图如图6。

图6 PSOC5硬件电路原理图Fig.6 Schematic of PSOC5hardware circuit

将PSOC5AD 转换后的数据通过UART 串口用MATLAB软件进行接收。测试时，输入信号通过分压后的幅值为0.75V，AD 转换精度12位，前面再加上4位符号位，因此采样一次获得的数据为16 位。内部参考正弦信号频率设置为1kHz，对于1kHz的正弦信号每个周期采样78次，连续采样20个周期。外部输入信号由信号发生器提供，频率与采样次数与参考信号相同。图7为在150lx光强的正常光照环境下采样点平滑处理后的还原图。

图7 150lx量化后的输入信号Fig.7 Quantified input signal in 150lx

将接收到的数据通过矩阵形式存储，再根据算法进行矩阵位与位数据相乘与相加，最后将获得的数据进行数字式平均，把采样数据进行累积相加平均，获得电压幅值。

由于太阳光中包含各个频段的红外光，要求能从各个频段的噪声中将所需的频段信号提取出来，因此具备良好的选频接收能力是抗强光干扰的一个重要指标。

利用信号发生器产生不同频率的单频点正弦波信号，信号发生器输出端与PSOC5的信号输入端口相连，从而模拟不同频率的接收信号。设置信号电压幅值为12V，表1为经过相关运算并将量化值转换为电压幅值后的测试数据表，图8为选频接收测试结果图。

表1 选频接收测试结果表Tab.1 Results of frequency selection receiver test

图8 光强选频接收测试结果图Fig.8 Results of light intensity frequency selection receiver test

可计算出Q 值为：

从表1和图8可以看出，通过数据相关处理后能实现较好的选频效果，但由于采样过程中出现的误差，个别数据会出现浮动。

图9 不同光强下数字锁相放大处理后输出信号幅值图Fig.9 Amplitude figure of digital lock－in amplified output signal in the different light intensity

通过测试可以看出，利用本方案的数字互相关锁相放大能够灵活实现对不同频率的选频接收，在没有后级滤波电路的情况下能够获得较高Q 值的选频，实现抗干扰功能。相比模拟验证的测量数据有一定差距，原因在于受限于PSOC5采样性能，若能增加每周期采样数和采样周期数可以提高采样精度，获得更大的Q 值，达到更好的选频目的。

为验证该方案在强光干扰下具有良好的数据接收能力，可通过控制白炽灯模拟太阳光光照，测试在不同光照强度下输出信号电压幅值变化。图9为1K输入频率信号下驱动红外发射管，在不同光强下的经过锁相放大处理后的输出信号幅值图。

图9中，分别测试了在0、150、5 000、50 000 lx光强下的数字锁相放大方案的抗强光能力，可以看出在接收管不饱和的情况下，输出信号幅值基本不随环境光强变化，证明了该方案具有良好的抗强光干扰能力。

4 结 论

本文从目前红外触摸屏在有外界强光干扰下无法正常工作的问题着手，采用了一种新的锁相相关算法并对其进行了验证，提出了利用PSOC5来构成硬件电路实现抗干扰的解决方案。通过测试证明了本文提出的方案在强光下，能够实现有效的数据接收并且实现高Q 值的滤波与选频接收，达到了良好的抗干扰目的。

［1］ 张伟，郭勇.基于ARM 的红外多点触摸屏设计［J］.液晶与显示，2013，28（5）：698－702.Zhang W，Guo Y.The design of infrared multi－touch screen based on ARM［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2013，28（5）：698－702.（in Chinese）

［2］ 李文生，邓春健，吕燚.基于触摸显示屏的人机交互手势分析［J］.液晶与显示，2011，26（2）：194－199.Li W S，Deng C J，Lv Y.Interaction gesture analysis based on touch screen［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2011，26（2）：194－199.（in Chinese）

［3］ 佳格科技推出创新的混合矩阵红外技术［J］.现代显示，2012，134：30.The mixing matrix infrared technology which Standard technology put out［J］.Advanced Display，2012，134：30.（in Chinese）

［4］ 张宏伟.多触点抗强光红外触摸屏的设计与验证［D］.成都：电子科技大学，2009：27.Zhang H W.The design and verification of multi－touch and anti－light infrared screen［D］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2009：27.（in Chinese）

［5］ 张明.抗强光干扰的高精度红外触摸屏设计与实现［D］.成都：电子科技大学光电信息学院，2008：23－24.Zhang M.The design and implementation of anti－light high－precision infrared touch screen［D］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2008：23－24.（in Chinese）

［6］ 李毅.可扩展抗强光红外触控模块设计与实现［D］.成都：电子科技大学，2013：23－33.Li Y.Design and implementation of scalable，anti－light interference infrared touch module［D］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2013：23－33.（in Chinese）

［7］ 冯致礼.晶体滤波器［M］.北京：宇航出版社，1987：488－501.Feng Z L.Crystal Filter［M］.Beijing：Yuhang Press，1987：488－501.（in Chinese）

［8］ 董冠涛.红外线感应电子白板的设计与实现［D］.长春：吉林大学，2009：27－33.Dong G T.Design and realization of electronic whiteboard based on infrared ray［D］.Changchun：Jilin University，2009：27－33.（in Chinese）

［9］ 周烨.基于锁相放大技术的抗强光干扰红外触控技术的研究［D］.成都：电子科技大学，2011：20－21.Zhou Y.The research of anti－light infrared touch technology based on lock－in amplifier technology［D］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2011：20－21.（in Chinese）

［10］ 高晋占.微弱信号检测［M］.北京：清华大学出版社，2002：161－162.Gao J Z.Detection of Weak Signals［M］.Beijing：Qinghua University Press，2002：161－162.（in Chinese）