图解红外式触摸屏工作原理

1.红外线检测技术

在光谱中波长自0.76～400μm的一段称为红外线，红外线是不可见光线。所有高于绝对零度（－273.15℃）的物质都可以产生红外线，现代物理学称之为热射线。红外线检测技术是利用同一波长的红外发射管、红外接收管（简称红外对管）的检测方法，只要有物体阻挡住红外对管之间的连线，接收信号就急剧下降，因此红外线可用检测物体的阻挡，在防盗系统、自动感应系统、计数器等系统上广泛应用。

红外线若是短距离应用，根据接收信号的衰减程度还可以探知阻挡程度，这就是所谓的模拟方式，模拟方式在接收端采用密集的接收管阵列，还可用于造影成像；为防止干扰，红外线检测还可采用脉冲方式，即红外发射管发射一个固定频率的信号，而接收方只对这一频率进行检测，脉冲方式抗干扰能力非常强。

如果脉冲方式在工作频率上调制信号，还可用于数字通信，这就是红外线通信，家用电器的遥控、计算机的红外线通信、甚至是当今最快的光纤通信，都缘于此。红外线通信对人体没有影响，因发射距离短没有空间污染，当今备受青睐。

红外线检测技术用于触摸屏技术主要有3个技术难点：

1）环境光因素。红外接收管有最小灵敏度和最大光照度之间的工作范围，但是触摸屏产品却不能限制使用范围。

2）快速检测。红外式触摸屏一般尺寸最少也有64套红外对管，也就是说，至少要求在0.4ms内就要完成一条红外线的检测。

3）周围的反射、折射、干扰。红外发射管有一个发射角，接收管有较大范围的接收角，如果周围反射到一定程度，会导致手指放在什么地方也阻挡不住信号。

要解决这些问题，选择模拟方式最大的好处是可以提高触摸屏的分辨率，但是抗干扰能力比不上脉冲方式，选择脉冲方式虽然抗干扰能力强，但是存在脉冲方式在接收方需要一个响应时间，而触摸屏却要求极快的速度，因此要在自适应电路、单片机软件、模具设计、透光材料选择等几个方面有技术突破。

2.红外式触摸屏输入技术

红外式触摸屏是利用X、Y方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸，与触摸屏所选用的透明挡板的材料无关（有一些根本就没有使用任何挡板）。因此，选用透光性能好的挡板，并加以抗反光处理，可以得到很好的视觉效果。但是，受到红外线发射管体积的限制，不可能发射高密度的红外线，所以这种触摸屏的分辨率不高。另外，由于红外式触摸屏依靠红外感应来工作，外界光线变化，如阳光或室内灯光等均会影响其准确度。

红外式触摸屏在显示器的前面安装一个电路板外框，在电路板的四边排布红外发射管和红外接收管，一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵。用户在触摸屏幕时，手指或其他物就会挡住经过该位置的横竖红外线，触摸屏扫描时发现并确信有一条红外线受阻后，可能有触摸，同时立刻换到另一坐标再扫描，如果再发现另外一轴也有一条红外线受阻，黄灯亮，表示发现触摸，并将两个发现阻隔的红外对管位置报告给控制器，经过计算判断出触摸点在屏幕的位置。任何触摸物体都可改变触点上的红外线而实现触摸屏操作。

每扫描完一圈，如果所有的红外对管通达，绿灯亮，表示一切正常。红外式触摸屏赖以工作的红外光栅矩阵显然要求在同一平面上，因此，红外式触摸屏真正感应触摸的工作面距离显示器屏幕有一定的间隔，这种情况在球面显示器上使用尤其明显。

红外式触摸屏相邻的两条边各放置一排红外发光二极管，另两条边各放置一排红外光电检测器。当手指或针挡住了红外光时，光电检测器产生的信号将示出该处的X、Y坐标。此种输入方法的触摸屏所能产生的分辨率取决于发光二极管的数量。

美国ITWEntrex公司的红外式触摸屏与众不同，它是采用模拟方式，如图2-64、图2-65所示。在该红外式触摸屏的一角安置的电动机上置有红外线发光二极管，在电动机转动时，红外光线便连续地扫描红外式触摸屏，扫描角度的范围为90°。反射镜置于框架的底部，而逆向反射体置于框架的其余两边，使入射光和反射光基本上通过同一光路。发光二极管发出的红外光束反射至靠近光源的一个光敏元件。手指或针触摸屏幕时，扫描一次就遮住两次红外光。控制电路借助由遮住的两个角构成的三角形算出触摸坐标。该模拟方式红外式触摸屏所用的发光二极管和光敏元件数量大为减少，价格便宜，分辨率高，但由于使用电动机一类可动部件，可靠性欠佳。该公司销售的新一代红外式触摸屏是用固体转动部件替代电动机，可靠性有所改观，但价格高出20％。

图2-64 模拟式红外式触摸屏输入光路图

图2-65 模拟式红外式触摸屏输入工作机理图

图2-66 模拟式红外式触摸屏输入的检测

红外式触摸屏输入的主要缺点是存在检测误差，如图2-66所示。由于红外光是直线传播，而常规的CRT屏面是曲面，所以发光二极管和光电检测器的安装位置必须高于曲面的顶点。这就使屏面边缘凹陷，而且在手指尚未触至CRT屏面时，光线即被挡住，操作时易出错。

美国惠普和泰克公司已将红外式触摸屏广泛用于生产过程控制和自动化生产，为防止手指触错而发生误动作，泰克公司进行了一项重要的改进，即挡住红外光线时设备不会作出响应，用户的手指可以继续在屏面上移动，等到操作者确认手指所触部位正好是要选取的功能时，将手指挪开，红外光线得以恢复。至此，设备才作出响应。红外式触摸屏输入技术的主要优点是工作可靠，而且不会影响显示器的清晰度。这便是泰克公司选用这一技术的原因所在。

3.红外式触摸屏结构及工作原理

红外式触摸屏以光束阻断技术为基本原理，红外式触摸屏的结构非常简单，在屏幕前框架的左边（Y轴）和下边（X轴）分别装有红外线发射管，各自的对边又装有对应的接收管，进而形成一个横竖交叉的红外线网。管的排列密度与其分辨率有关。工作时在屏幕前形成纵横交叉的红外线矩阵，只要有物体触摸屏幕上任何一点时，便会阻挡了该位置的红外线（如果物体对红外线几乎不吸收，并且让红外线接近100％通过的话，红外式触摸屏失效），控制器即时算出触摸点的坐标位置。

红外式触摸屏的矩阵电路及微处理器控制电路都装在屏前的框架内，也有的红外式触摸屏把控制器设计在单独的小盒中，控制器通过键盘接口或者串行口直接与主机通信，采用键盘接口的红外式触摸屏可以直接读取键盘口发来的触摸屏数据而无需任何驱动程序，不需独立电源。其价格低、安装简易，但由于发射、接收管排列有限，分辨率不高，且怕外界红外光的干扰及有不防水、防尘、框架易碎等缺点，主要应用于室内站台等简单操作的地方。

红外式触摸屏的控制原理框图如图2-67所示。通过ARM7对接收管和发射管的控制，来实时采集与发射管一一对应的接收管的光通量，然后计算鼠标位置，最后通过VC编程来实现在Windows下的鼠标驱动。

图2-67 控制原理框图

由于传统的鼠标是一种相对定位系统，它只与前一次鼠标的位置坐标有关。而触摸屏则是一种绝对坐标系，与相对定位系统有着本质的区别。因此，通过主机从串口接收到的触摸点坐标数据并进行转换来得到屏幕坐标，即触摸屏的坐标范围为（0，0）～（2048，768）。而ARM7只能通过串口发送字节，且只能发送小于256个数据，所以很难实现直接传输。因此，在数据发送时，应将采集得到的位置数据每个位上的数分别进行传送。与此同时，主机端从串口接收缓冲区并取出数据，然后在驱动程序中将这些数据重新组合起来以得到触摸位置信息。每次串口通信的数据格式如下：

重新组合得到的坐标如下：

X＝X₁×100＋X₂×10＋X₃

Y＝Y₁×100＋Y₂×10＋Y₃

式中，X为触摸位置的横坐标，X₁为X百位上的数，X₂为X十位上的数，X₃为X个位上的数；Y为触摸位置的纵坐标，Y₁为Y百位上的数，Y₂为Y十位上的数，Y₃为Y个位上的数。

由于刚接收的数据为VARIANT类型，故需将其转化为INT型变量来进行以上坐标的组合。该转换过程是先将VARIANT类型变量赋值Cole-Safe Array类，再利用Cole-Safe Array类中的成员函数将数据写入BYTE型数组中，最后将BYTE型数据转化为INT型。

红外式触摸屏是靠多对红外发射和接收对管来工作，红外对管性能和寿命都比较可靠，任何阻挡光线的物体都可用来作触摸物，不过红外式触摸屏使用传感器数目将近100对，并且共用外围电路，这就要求传感器不仅本身性能好，还要求将近100对（或更多）的红外二极管“光-电阻特性”和“结电容”都保持一致。实际应用中，万一有哪一对出现故障，可以在上电自检过程中发现并在此后加以忽略，通过邻近的红外线代替，使每一对红外线只“监管”约6mm的窄带，而手指粗细通常在15mm左右，用户是察觉不到的。但如果生产过程没有对红外发射管进行老化测试，没有很好的质量管理体系，将近100对（或更多）的传感器，很快就不是一对两对“掉队”的问题了，总体寿命也就难以保证。因此，购买红外式触摸屏的用户应该了解厂商有没有严格的质量检测办法或是否通过ISO9000认证。(www.xing528.com)

红外式触摸屏赖以工作的是红外线矩阵，矩阵上多点的X、Y坐标能组合出二次方倍的触摸点，如图2-68中的A、B两点和C、D两点对红外式触摸屏来说是相同的效果，无法分辨，目前市场上的红外式触摸屏对多点触摸常见的处理不管是否连续，要么不判断，要么判为左上角，即在图2-68中，不管是A、B还是C、D都判为C点。真正技术过得硬的红外式触摸屏应该是对坐标连续的多点触摸判断取中点，即判断为大物体（比如粗手指）的触摸，而对不连续的多点触摸不予判断，所以说采用此技术对产品的品质要求更严，不允许出现各种各样的故障情况，这种红外式触摸屏现在市场上的价格非常高。

图2-68 红外线矩阵多点的X、Y坐标示意图

红外式触摸屏工作时的同一瞬间，只有一对红外对管（指物理位置相对应的一只发射管和一只接收管）在进行数据采集工作，电路通过对红外对管高频率的数据采集来达到迅速反应的效果，触摸屏的反应速度非常快。红外式触摸屏通过硬件设计和软件编程，可以对各点数据进行插值计算，可以达到4096×4096的分辨率。

4.触摸位置的计算

为了得到准确的触摸位置，在计算触摸位置时必须排除周围环境光的干扰。为此，通过确定每对管的域值来作为判断是否有手指触摸的依据。该域值的确定可通过对每对管子的“0”态和“1”态时的数据采样来实现。“0”态，即将所有的发射管进行一次清零，此时的发射管都为熄灭状态，这样采样得到的就是接收管接收到周围光的光通量；“1”态，即将所有的发射管逐个点亮，此时的发射管在某一时刻只有一只被点亮，采样得到的是接收管接收对应发射管及周围光的光通量。

红外式触摸屏触摸位置的计算主要是通过遮挡时与未遮挡时的光强比来得到的。在判断触摸位置时，可以先确定被遮挡的管子，计算得到被遮挡的大致位置。若被遮挡的管子为第N个管子，这个被遮挡的大致位置为L_d，则有

L_d＝（N－1）×管子的宽度 （2-20）

由于手指遮挡时有一定的区域，所以遮挡时有两种可能：一是在被确定的管子的前面；二是在被确定的管子处。手指遮挡示意图如图2-69所示。

为了精确计算，需要计算这两种情况下位置的偏移量ΔL₁和ΔL₂，则有

L＝L_d－ΔL₁＋ΔL₂ （2-21）

ΔL₁＝[1－（X_N－1－X_N－1min）/（X_N－1max－X_N－1min）]×管子的宽度 （2-22）

ΔL₂＝[1－（X_N－X_Nmin）/（X_Nmax－X_Nmin）]×管子的宽度 （2-23）

式中，L为第N个管子被遮挡时的位置。ΔL₁为手指在被确定的管子前面时的偏移量。ΔL₂为手指在被确定的管子处时的偏移量，X_N为扫描时采样第N个管子接收到的数据，X_Nmax为“1”态时采样第N个管子接收到的数据，X_Nmin为“0”态时采样第N个管子接收到的数据。

图2-69 手指遮挡示意图

5.高分辨率的实现

早期的红外式触摸屏的分辨率直接由红外对管数决定，对于接收管来说，只有接收到和没有接收到信号两种情况，触摸分辨率就等于屏的物理分辨率。因此其触摸屏的分辨率比较低。过去市场上红外式触摸屏的分辨率多为32×32点、40×32点等，最大可达50×40点，软件倍增后可达99×79点。现在红外式触摸屏的分辨率已有较大提高，最大分辨率可达到1000×720点左右。

但如果将接收的信号强度进行量化分级，那么对于接收的信号不仅要判断是否被阻挡，还要判断出被阻挡的程度，触摸物的不同位置将决定是否有接收信号且接收信号的强度也有所不同，因此触摸物的位置与接收的红外信号强度有直接的对应关系，即使触摸物移动非常小的距离也会导致信号强度发生改变，从而可以得到极高的分辨率。该情况下的触摸屏分辨率主要由红外对管数和A-D转换精度决定，触摸屏的分辨率为红外对管数与单对红外管能实现的分辨率的乘积。触摸屏坐标由红外管的物理坐标和触摸点在相应管中的坐标共同决定。基于以上原理，可以将每次采集到的红外接收管的光通量进行256级量化，这样得到的最小分辨率就是接收管宽度的256级，从而大大提高了红外式触摸屏的分辨率，该方法可以达到2046×768点的精度。

6.红外式触摸屏分类

红外式触摸屏按安装方式分为以下几类：

1）外挂式红外式触摸屏。外挂式红外式触摸屏的安装方法非常简单，是所有触摸屏中安装最方便的，只要用胶或双面胶将框架固定在显示器前面即可，缺点是影响构成的触摸屏系统外观。

2）内置式红外式触摸屏。内置式红外式触摸屏性能更加稳定，影响外观程度小，适合Kiosk使用。

红外式触摸屏按密封方式分为以下几类：

1）半密封式红外式触摸屏。半密封式红外式触摸屏的理论使用寿命为3～5年，实际使用寿命因使用环境不同，而有所区别。在较潮湿和经常有水的环境下，有可能会使寿命锐减，原因是：半密封式红外式触摸屏的底板为一整块钢化玻璃，然后把红外式触摸屏电路板粘贴到玻璃的4条边上面，然后在4条边上粘上4条防水条进行防水处理。有可能会因为粘贴不密实而漏水，防水条也会因为使用时间过久，胶水老化，而脱落。而导致水渗入电路板，而腐蚀电路。

2）全密封式红外式触摸屏的理论使用寿命为3～5年，实际使用寿命不因使用环境的不同，而有所区别，其结构采用注塑红外式触摸屏电路板外框，由一个U形塑料前框和一个平面塑料后盖构成，红外式触摸屏的电路板完全包在塑料框内，与外部触摸面完全密封，不会因为表面有水而导致电路受损。

目前市场上生产全密封式结构红外式触摸屏的主要厂商有北京汇冠电子公司、广州金回电子公司。半密封式红外式触摸屏为市场上大多数厂商所采用的方法，原因是前者的造价要比后者高出不少，并且还要投资开发塑料模具，而在使用效果、功能实现方面，两者不会有任何差异，而且信号强度还有可能会稍优于后者。

7.红外式触摸屏产品技术特性

红外式触摸屏产品的技术特性如下：

1）对于外置红外式触摸屏，其边框由轻而坚硬的铝合金制成，整体纤细，与大尺寸显示器浑然一体。不会减弱显示器的亮度，也不会产生任何的模糊和视差，触摸精度高达4096×4096点。

2）无需外接电源，USB接口连接即可使用。

3）加装强化玻璃，光学透光率大于90％；未加装玻璃体，光学透光率100％。采用防爆玻璃（玻璃厚度为6mm）结构的红外式触摸屏屏幕，用质量1kg表面光滑的钢球，从1m的高度自由落下，屏体无损。

4）可以用直径大于5mm的任何不透明物体触摸，包括手指/笔，轻松实现手写文字、绘图、加注等功能。响应时间低于16ms，使用寿命长达50000h，触摸寿命极长无需保养。

5）所有控制在屏幕表面完成，即触摸红外式触摸屏的屏幕可控制所有应用程序。

6）工作温度最高可达到－40～70℃，使用稳定性高，触摸无漂移。安装简易，只需使用串口通信电缆连接RS-232串口或采用USB口连接。

7）长时间的使用不会影响触摸准确性，完全封闭，设置完成无需日常维护。