基于红外传感的大屏幕嵌入式交互系统设计

丘田园

（河源职业技术学院，河源 517000）

基于红外传感的大屏幕嵌入式交互系统设计

丘田园

（河源职业技术学院，河源 517000）

设计解决抗强光干扰、多点触摸、高分辨率的红外线触摸屏。通过与嵌入式平台的结合，利用嵌入式平台的灵活小巧等特点，定制一套跨平台的嵌入式红外触摸屏交互系统，利用该系统将红外触摸屏操作灵活方便的特点完全体现出来。

红外触摸屏；分辨率；多系统；多触点；嵌入式

1 总体结构

1.1 总体设计思路

本文的作品包括三部分：第一，红外触摸屏硬件平台的搭建。第二，基于嵌入式的USB无驱动设计。第三，基于凌动平台的交互系统软件设计。具体流程图如下：

图1 流程图

1.2 红外触摸屏硬件平台的搭建

采用可扩展设计，可以自由扩大屏幕大小，用成对的红外发射接收装备实现定位操作，利用10M晶体振荡器提供时钟频率，USB供电电路，利用C8051f340芯片内部自带的AD转换器，实现模数转换，制定相关规则，消除干扰信号。

硬件平台大致结构如下：

图2 红外触摸屏硬件平台结构

1.3 基于USB免驱动设计方案

为了更好地增强硬件的兼容性和使用方面的便利，我们采用USB免驱动设计。通过制定HID报告描述符，我们定义了完整的USB传输协议，使得该硬件适用于任何一台装有支持USB协议系统的微机。在接入USB数据线时，只需要等待识别便能正常工作。

1.4 基于凌动平台的交互软件

同样为了能够支持更多的平台，我们采用了Flash Builder软件进行了跨系统平台的设计思路。

只要系统安装了Flash虚拟机，那么就可以在不改变软件代码的情况下进行完美的移植工作。Flash在交互性上首屈一指，与触摸屏的结合更是能体现出特有的魅力，为了更加地突出触摸屏的操作简单快捷时尚的特点，我们引入了触摸手势的概念。通过识别触摸手势，来快捷地实现图片的放大、缩小、切换等功能。

2 硬件电路实现

2.1 总体设计框架

红外触摸屏的原理是在屏幕四边放置红外发射管和红外接收管，微处理器控制驱动电路依次扫描红外发射管并检查相应的红外接收管，以形成横竖交叉的红外光阵列，得到定位的信息。我们以C8050F340芯片为微处理器，通过1个74138和1个74238的控制对红外发射管逐个扫描，同时微处理器通过内置AD转换每个相应的红外接收管，得到相应的光强值。微处理器根据接收到的被遮挡前后的光强信号得到触摸的位置信息，并通过USB将该信息传送给主机。

2.2 微处理器电路

微处理器在红外触摸屏硬件系统中起着核心的作用：①完成对红外发射电路的驱动；②完成对红外接收电路的驱动；③完成对是否被触摸的判断以及触摸位置信息的计算；④将触摸位置信息通过USB传送给主机；⑤调试整个程序的运行。

这部分电路中主要包括驱动红外发射部分，驱动红外接收部分、串口调试部分、USB通信部分、JTAG调试部分。

C8050F340芯片部分如图3。

图3 C8050F340芯片

驱动红外发射部分是多个74138完成的，它们分别为控制红外发射管亮暗状态的信号：电路原理图如图4所示。

图4 红外发射驱动

驱动红外接收部分基本与发射一致。发射部分用的是三极管，接收部分用的是MOS管。发射部分用三极管是开关和驱动作用，接收部分的MOS管是开关作用。

图5是滤波放大的电路图，信号首先通过一阶巴特沃斯高通滤波器和放大，滤掉一部分低频率的杂波和对波形经行放大,然后再进行低通滤波，再进行放大,然后得到的波形,就可以进行AD采样。

图5 高通滤波电路图

滤波原理为；f=1/（2*π*R*C）；高通滤波就是低于此频率的全部被滤掉，低通就是高于此频率的被滤掉。

串口通信部分用来便于我们调试输出结果捕获AD转换的值。电路原理图如图6。

图6 串口通信模块

JTAG调试部分，其电路原理图如图7。

图7 JTAG调试模块

完整电路图如图8。

2.3 红外发射电路

本文中红外触摸屏采用逐一点亮红外发射管的工作方式，整个红外发射电路是通过每片74138扫描8支红外发射管来实现的。使其电路实现如图9。通过改变p1.0，p1.1，p1.2，其值在000～111之间循环，p1.4是使能端给1使能，0关闭。

图8 完整电路图

图9 红外发射电路

同理，接收电路也是如此通过改变p2.1，p2.1，p2.3，使其值在000～111之间循环，p2.4是使能端给1使能，0关闭。

图10 红外接收电路

2.4 二维选通控制电路

二维选通控制电路通过2个译码器可以最多选通64个元器件，精简了控制电路。如图11所示。

图11 二维选通控制电路

3 USB免驱动的实现方法

3.1 采用USB传输数据的优点

在制板初期由于USB无法方便地跟随到数据，不方便调试，采用串口传输。但串口由于体积较大，并且目前可能有些机器没有串口，导致实用性大大降低。并且如果采用串口传输必定要制定新的协议，开发驱动，用户在使用的过程必须安装驱动，这样将非常不方便。采用USB传输可以轻松解决很多问题，在验证理论达到工业制板的条件后，我们果断地放弃了串口，通过USB进行数据的传输。其优点传输速率快、体积较串口大大减少、采用通用的HID协议可以做到无驱动。

3.2 USB-HID报告描述符设计

在实际开发过程中采用HID协议还是比较有难度的，由于触摸屏是绝对坐标，不能套用鼠标（鼠标是相对坐标）的传统概念，必须重新书写HID报告描述符。通过查询USB通信协议手册，翻阅大量文献资料，终于成功定义了触摸屏的报告描述符。

表1是HID报告描述符具体指令分析。

4 基于凌动嵌入式平台的交互软件实现

博创公司提供的英特尔凌动处理器平台，运用了英特尔公司的低功耗架构、晶体管与电路设计方面的优势以及独特的制造处理技术。所用芯片继承了英特尔经典产品优势——以其杰出的操作性能，能够运行各式多媒体和互联网应用程序、各种软件，并能够轻松执行多种应用程序的多任务处理。

由于论文定位的应用旨在提供活泼、效果丰富的嵌入式人机交互系统解决方案，要求运行交互软件处理器具有较强的处理能力，普通的基于ARM9 s3c2410、ARM11 s3c6410的嵌入式平台已经远远不能满足本项目的要求，因而凌动平台为复杂的交互软件提供了理想的嵌入式解决方案。

基于凌动嵌入式平台交互软件主要包括触摸屏校正模块、人机交互演示软件两部分内容。

表1

校正模块效果图如下：

图12

人机交互图如下：

图13

[1] 高玉良．电路与模拟电子技术．高等教育出版社，2008

[2] 邓元庆，关宇，贾鹏．数字设计基础与应用.清华大学出版社，2005

[3] 周立功．ARM嵌入式系统基础教程．北京航空航天大学出版社，2008

[4] 周春景，钟杰婷．中国专利：101477428，1998．2009-07-08，G06F3/042（2006.01）I.

[5] 周春景，卢如西.中国专利：1945514，2007-04-11，G06F3/042（2006.01）

[6］T·E·马斯特斯，R·W·克内特施．美国专利：1433557，2003-07-30．G06K11/08

[7] 叶新林，刘建军，刘新坤．中国专利：101000529，2007-07-18，G06F3/041（2006.01）

Design of Large-screen Interactive Embedded System Based on Infrared Sensor

QIU Tian-yuan
(Heyuan Vocational and Technical College,Heyuan 517000)

Designs an infrared touch screen with anti-glare,multi-touch and high resolution.Compacts with flexible features embedded platform, customizes a set of cross-p latform embedded infrared touch screen interactive system,the system uses infrared touch screen and flexible operation and convenient features fully reflected.

Infrared Touch Screen;Resolution;Multi-system;Multi-touch;Embedded

1007-1423（2015）06-0075-06

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.06.019

丘田园（1985-），男，广东河源人，本科，助理工程师，研究方向为计算机网络、无线通信网络

2014-12-09

2015-01-29