红外触摸屏抗强光干扰的设计与实现

权蕾　朱莉

摘 要：红外触摸屏的使用越来越广泛，针对其易受红外光干扰的缺点，本文采用电气防光和物理防光两方面的措施进行解决。通过箝位电路消除信号中环境光的直流分量，利用增益放大电路提高信噪比，不仅提升了触摸屏的抗光干扰能力，并且有助于提高信号的采样精度，同时设计了左右两侧分别排布发射管和接收管的双备份布局方式，再配合使用滤色片，经实验证明解决了红外触摸屏的抗强光干扰问题。

关键词：红外触摸屏；抗强光干扰；箝位，增益放大；双备份

在日常生活中，触摸屏随处可见，应用相当普及，已经成为人机界面的标准配置，给使用者带来极大的方便。红外触摸屏作为触摸屏的一种，它由安装在触摸屏外框上的红外发射管和接收管构成，发射管和接收管互相对应，形成横竖交叉的红外线探测矩阵，当发生触摸时，触摸物会挡住经过该位置的横竖两条红外线，控制电路通过计算即可判断出触摸点的位置。红外触摸屏的特点是防爆且不随环境变化产生漂移，不受电流、电压和静电的干扰，适宜恶劣的环境条件，对触摸物没有要求，最大的优点是100%透光率；其缺点主要是会受强红外线干扰，如遥控器或者太阳光中的红外光。针对该缺点，本文采用了新型的设计方案，包括电气防光和物理防光，确保红外触摸屏可实现抗强光干扰的功能。

1 电气防光

电气防光是指从电路的角度出发，通过设计合理的软硬件电路来使红外触摸屏达到防红外光的效果。本系统的电路总体框架如图1所示，一是红外发射电路子模块，二是红外接收电路子模块，三是控制电路子模块。

在红外发射和接收电路模块，采用了新型的红外管双备份布局方式；在控制电路模块，主要通过设计箝位电路和增益放大电路，来实现抗强光干扰的功能。

1.1 红外管双备份布局

当红外接收管处于强光照射的环境中时，很容易达到饱和状态，导致无法识别触摸动作，因此必须采取措施进行处理。本文利用阳光直射的单一方向性设计了新型的红外管双备份布局方式，解决了强光干扰问题。

如图2所示，红外触摸屏的上边框排布接收管，下边框排布发射管，左右两侧边框则都排布了发射管和接收管。

在图2中，所有的接收管均排布在发射管的后排，最大程度的减少入射阳光的影响。由于触摸屏是配合显示器使用的，显示器正常垂直放置，阳光不可能从下侧射入，因此下边框排布了发射管，与太阳光反向，排除干扰。而左右两侧，则都有可能受到阳光照射，因此分别布置了发射管和接收管。

在同一个时刻，阳光只会从一侧射入，当光强使得一侧的接收管达到饱和无法检测触摸时，另一侧的接收管由于与阳光反向，完全不受影响，仍处于正常工作状态，因此只需要单边即可完成触摸检测功能和坐标计算功能。只使用一边，相当于触摸屏Y方向的物理分辨率减少了一半，触摸精度一定会收到影响，但由于作为长边的X方向不受影响，所以从整体上看，短边Y方向带来的影响不大。

该方案简单可靠，不需复杂的软硬件设计，有效地解决了红外触摸屏在强光条件下触摸失效或误操作的问题。

1.2 箝位电路

当环境光的强度不大，不足以使红外接收管达到饱和状态时，常用的做法是在触摸屏的初始化阶段关闭所有的发射管，接收管对环境光进行采样，将此采样值存储起来，当正常工作检测触摸计算坐标时，再将初始化的值减掉。这样做一是增加主控制器的负担，二是当环境光强度有所改变时，不能实时检测。因此，本文设计了一种新型的箝位电路，来消除环境光的干扰。

所谓箝位，就是将信号叠加到某一电平上使之保持相对的恒定。箝位电路就是将脉冲信号波形的顶部或底部固定在一个确定的直流电平上，而使原信号其余部分的波形保持不变的电路。箝位电路可以使失去直流分量的脉冲信号恢复直流成分。

在本系统中，红外接收电路收到的是一个个高频脉冲信号，环境光可以看成是直流信号，因此可以采用箝位的方法，消除环境光的影响。设计中只需要一个电容和模拟开关就可以完成，如图3所示。

电容器是一个在其电场中储存能量的无源元件，对直流电而言，电容是开路的，对高频而言，电容相当于短路。设计中正是巧妙利用了电容高频短路这一特点，滤除环境光的直流分量。

电容与模拟开关的工作状态是：在发射管未工作时，接收管只收到环境光，此时命令模拟开关导通，近似为直流信号的环境光被迅速过滤掉，输出被强制拉为参考电压；在发射管工作时，命令模拟开关断开，电容对高频脉冲导通，则输出的信号就是滤除掉环境光的有用信号。该方法设计简单，成本低廉。

为了保证采样的可靠性，本系统设计了三级箝位，同时配合三级增益放大。其原理框图如图4所示。

图4 接收信号处理框图

三级箝位和三级增益放大的作用各不相同。第一级箝位电路的参考电平为0.5V，远高于环境光的0.05V左右，目的是排除环境光甚至强光的影响，将接收脉冲的底部稳定在0.5V；第一级增益放大的倍数不能太大，因为会同时将脉冲底部的0.5V放大。第二级箝位参考电平为0V，将脉冲底部拉回低电平；第二级增益放大利用软件可调，实现对每一颗接收管的信号分别调整增益的功能。第三级箝位和增益放大电路再将信号做一次处理，使数据的准确性大大提高，避免了环境光的影响。

在系统实现过程中，采用的箝位电路原理如图5所示。

74HCT4066是PHILIPS公司生产的可控四通道高速模拟开关，根据控制脚电平的高低开关相应的通道，高电平打开，低电平关闭。利用电容与开关的配合，实现直流分量的滤除。由于74HCT4066通道多，因此，1片74HCT4066即可完成三级箝位。

2 物理防光

除了采用改进电路的措施，本系统还对触摸屏进行了物理防光处理，在红外管的前方加装红外光谱波段滤色片，减少或消除红外发射管主波峰波段外的环境散射光影响，提高触摸屏抗环境散射光的能力。在滤色片的选择上，由于本系统的红外发射管主波波长为940nm，因此设计滤色片波段通过范围为940±20nm，就可以消除环境光中770 nm～920 nm及960nm～1200 nm波长红外波段环境杂散光对红外接收管的干扰。

安装时，将电路板的背面朝上，这样红外管隐藏在电路板下方，不容易被环境光直射，只要保证红外发射管和对应的接收管处于同一个水平线，就不会影响正常的发射与接收；然后在外框的内侧即红外管的前方装上滤色片，如图6所示。

图6 滤色片安装结构图

另外，在制作印制板时，也有细节方面的改进，常规的印制板是绿色的，本系统改为黑色印制板，减少环境光的反射与散射。

參考文献：

[1]宋林川，曹允，孙圣武. 一种新型抗阳光干扰红外多点触摸屏[J]. 光电子技术，2014，34（1）：31-35.

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