（光学工程专业论文）多点触摸技术的初步研究.pdf

， o ：rt 独创性声明 iir l l ll l ii l liiii i ii i iiir ：；y 1713 4 9 4 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地。 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 ，签名：条乃驺日期：冽矿年j 月2 矿日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：锄 聊虢一日期：勿汐年歹月2 2 日 摘要 摘要 触摸屏技术作为一种新兴的传感器技术，在工业、娱乐、个人电子电器领域得 到了广泛的应用。由于其直观的操作，良好的用户体验，使之成为一种广受欢迎 的输入方式。但是，以往的触摸屏因为各种原因，都只能对单个触摸点进行识别， 从而限制了输入方式的多样性和便捷性。如今，以苹果公司的电容式多点触摸屏 为代表的多点触摸时代已经来临，多点触摸技术的发展将给人们的生活带来前所 未有的改变。 本论文对可能实现多点触摸的几种技术都做了简要探讨，并针对基于四线电 阻式触摸屏的多点触摸技术进行了深入研究，主要研究了其全新的器件结构、驱 动电路和驱动算法，利用矩阵单元阵列回避了多个触摸点对识别结果的影响，利 用递推迭代解决了在未知最终合成点数量的情况下避免坐标漂移，提高了坐标识 别的准确度，利用正反电压场交流驱动，解决了零点电压端有效数据和噪声数据 的分离识别问题，利用预扫描加针对性转化解决了电路浮接噪声和扫描速度的问 题，最终实现了多点坐标的识别。与此同时，还设计出一种全新的五线电阻式多 点触摸屏结构，并使用虚拟器件的方法，利用m a t i _ a b 对其工作特性及算法特性 进行了相关建模和研究，最后证明使用该种结构的器件，也可以实现多点触摸。 由于本论文的研究题目是基于诺基亚研发中心和我校液晶电子技术实验室的 合作项目而给出的，因而极具应用价值和商业价值。众所周知，苹果公司的i p h o n e 凭借其出色的多点触摸功能所提供的前所未有的用户体验，在手机行业异军突起， 成为一支新秀。如今多点触摸技术正逐步蔓延到手机、电视、控制台等多个领域， 但是目前的多点触摸屏基本都是基于苹果公司的专利实现，而电容式触摸屏由于 其自身的特性，在很多场合无法使用。因此，寻找一种可以同时突破苹果公司专 利和使用环境的多点触摸技术变得目益迫切。 本论文的研究成果已全部提交诺基亚公司，正在申请全球专利中。目前，该 技术还处于开发阶段，还没任何研究机构或厂家宣布已研发出可以商业化使用的 产品。关于此技术的进一步研究依然在进行中。 关键词：单元阵列多点触摸预扫描 a b s t r a ( t a b s t r a c t t o u c h s c r e e nh a sb e e nu s e dw i d e l yi ni n d u s t r y , i n d i v i d u a l - f u n ，e l e c t r o n i c d e v i c e a n ds oo na san e ws e n s o rt e c h n o l o g y i tb e c o m eaw e l c o m ei n p u tm e t h o df o ri t sd i r e c t o p e r a t i o na n dc o m f o r t a b l eu s e re x p e r i e n c e h o w e v e r , i tc o u l do n l yi d e n t i f ys i n g l et o u c h p o i n tf o rs o m er e a s o n si nt h ep a s t t h i sl i m i t t h en e wi n p u tm e t h o dg r e a t l yi n m u l t i f o r m i t ya n dc o n v e n i e n c e n o wab r a n dn e wt i m eh a sc a m e ，t h em u l t i - t o u c ht i m e w h i c hw i l lg i v ea g r e a tc h a n g et oo u r l i f e t h i st h e s i sg i v e sab r i e fd i s c u s s i o no ns o m ek i n d so ft o u c hs e n s o rw h i c hm a y r e a l i z em u l t i - t o u c ht e c h n o l o g y , a n dg i v e sas p e c i a lf o c u so nf o u r - l i n e sr e s i s t a n c et o u c h p a n e l d e s i g nab r a n dn e ws t r u c t u r e ，d r i v em e t h o da n da r i t h m e t i c u s ef u n c t i o nu n i t a r r a yt oa v o i dt h ee r r o rr e s u l ts u c ha sm u l t i t o u c ho na n o r m a lt o u c hp a d f i n do u ta n i t e r a t i v er e c u r r e n c ef o r m u l at os o l v et h ec o o r d i n a t eo f f s e tp r o b l e mw h i l em e r g e u n k n o w n a b l en u m b e ro fp o i n t s u s er e v e r s ev o l t a g ed r i v em e t h o dt od i v i d ef l o a t n o i s e a n dl o wv a l u er e s u l t u s ep r e s c a n n i n ga n ds e l e c t i v e - s c a n n i n gt og e tah i g h e rc o v e r t s p e e d ，a n dr e a l i z em u l t i t o u c ha tl a s t a tt h es a m et i m e ，a l s oh a v ea b r i e fd i s c u s so n f i v e 1 i n e sr e s i s t a n c e d e s i g nan e ws t r u c t u r ef o ri ti no r d e rt om a k et h et o u c hp a n e l c a n r e a l i z em u l t i t o u c h u s em a t l a bt os i m u l a t ei t sw o r k i n gc h a r a c t e ra n da r i t h m e t i c a n d p r o v ew ec a na l s or e a l i z em u l t i t o u c hw i t h i t b e c a u s eo ft h i sd i s s e r t a t i o nt o p i ci sb a s e do n 也en o k i ar e s e a r c hc e n t e ra n d l c d e l e c t r o n i ct e c h n o l o g yl a b s c o o p e r a t i o np r o j e c t s ，s oi th a sb o t hs i g n i f i c a n ta n d b u s i n e s sv a l u e a sw ea l lk n o w , a p p l ei p h o n e ，w i t hi t se x c e l l e n tm u l t i - t o u c hc a p a b i l i t i e s p r o v i d eu n p r e c e d e n t e du s e re x p e r i e n c ei nt h em o b i l ei n d u s t r yi sb o o m i n g , b e c o m ea n e ws t a r t o d a yt h em u l t i t o u c ht e c h n o l o g yi sg r a d u a l l ys p r e a dt o c e l l p h o n e s ， t e l e v i s i o n s ，c o n s o l e ，e t c ，b u tc u r r e n t l yt h em u l t i - t o u c hs c r e e ni sb a s e do na p p l e sp a t e n t ， a n i ，,ac a p a c i t i v et o u c hs c r e e nd u et o t so w nc h a r a c t e r i s t i c so nm a n yo c c a s i o n si na n u n u s a b l es t a t e t h e r e f o r e ，l o o k i n gf o raw a yt ob o t hb r e a k t h r o u g ha p p l ep a t e n ta n du s e e n v i r o n m e n to fm u l t i - t o u c ht e c h n o l o g yi sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yu r g e n t t h er e s u l t so ft h i st h e s i sh a v eb e e ns u b m i t t e dt on o k i aa n da p p l y i n gf o rp a t e n t sf o r t h ew o r l dw i d e c u r r e n t l y , t h et e c h n o l o g yi ss t i l li nd e v e l o p m e n t n o w , t h e r ei sn o i i r e s e a r c hi n s t i t u t i o no rm a n u f a c t u r e r sa n n o u n c e d t h a ti th a sd e v e l o p e dt h i st e c h n o l o g yt o t h ec o m m e r c i a lu s i n g o nf u r t h e rr e s e a r c ho ft h i st e c h n o l o g yi ss t i l li np r o g r e s s k e y w o r d s ：u n i t - a r r a ym u l t i - t o u c hp r e _ s c a n 毒 目录 目录 第一章概论1 1 1 触摸屏技术的本质及应用范围1 1 2 触摸屏的分类及特性2 1 2 1 电阻式触摸屏。2 1 2 2 电容式触摸屏3 1 2 3 红外式触摸屏6 1 2 4 表面声波式触摸屏6 1 3 触摸技术的新发展7 1 4 研究对象的选择7 第二章电阻式触摸屏技术细节9 2 1 电阻式触摸屏的器件结构9 2 2 电阻式触摸屏的坐标计算原理1 0 2 3 电阻式触摸屏的电路结构1 1 2 4 电阻式触摸屏的校准1 2 2 5 电阻式触摸屏手写笔画处理1 4 第三章单点触摸到多点触摸1 5 3 1 多点触控的定义和应用1 5 3 2 多个触摸点彼此的影响1 6 3 2 1 电阻式触摸屏上的多个触摸点1 6 3 2 2 红外式触摸屏上的多个触摸点1 7 3 3 可能实现多点触摸的器件结构探讨1 7 3 3 1 触摸单元设计的基本原则1 7 3 3 2 矩阵键盘式多点触摸技术1 8 i v 目录 3 3 3 四线电阻矩阵式多点触摸技术1 9 3 3 4 五线电阻矩阵式多点触摸技术2 0 第四章四线电阻矩阵式多点触摸屏2 2 4 1 四线电阻矩阵式多点触摸屏的特点2 2 4 2 四线电阻矩阵式多点触摸屏的器件设计2 3 4 3 四线电阻矩阵式多点触摸屏的电路设计2 3 4 3 1 基本电路结构设计2 3 4 3 2 干扰去除电路设计2 5 4 4 四线电阻矩阵式多点触摸屏的算法设计2 7 4 4 1 串口的基本配置及初始化。2 7 4 4 2a d 转换器的基本配置及初始化2 9 4 4 3 触摸屏的数据结构及初始化3 0 4 4 4 坐标数据的采样及转换方法3 2 4 4 5 坐标数据的内部校准。3 8 4 4 6 坐标数据的滤波及合并3 9 4 4 7 坐标数据的发送及格式转化4 4 4 4 8 坐标数据的接收及格式转化4 5 4 4 9 内部程序的状态转换设计4 6 4 4 1 0 坐标数据的外部校准及平滑处理4 7 4 4 1 1 手势识别4 8 4 4 12 算法设计小结4 8 4 5 四线电阻矩阵式多点触摸屏的硬件制作5 0 4 5 1 面包板验证电路的制作。5 0 4 5 2p c b 板的设计和制作5 2 4 6 四线电阻矩阵式多点触摸屏的演示软件及效果5 4 4 7 针对实际应用的多点触摸屏设计5 8 4 7 1 触摸屏硬件设计5 8 4 7 2 触摸屏驱动设计5 9 4 7 3 触摸屏软件设计6 l v 目录 第五章矩阵式多点触摸屏6 5 5 1 矩阵式多点触摸屏的特点6 5 5 2 矩阵式多点触摸屏的器件设计6 6 5 3 矩阵式触摸屏的电路设计6 7 5 4 矩阵式多点触摸屏的算法设计6 7 5 4 1 坐标判定6 7 5 4 2 数据处理及手势识别6 8 第六章五线电阻式多点触摸屏6 9 6 1 五线电阻式多点触摸屏的特点6 9 6 。2 五线电阻式多点触摸屏的算法设计7 0 6 2 1 简化型五线电阻式多点触摸屏的计算原理7 0 6 2 2 离散噪声点的去除7 1 6 2 3 坐标数据的判读和处理方法7 3 第七章论文总结7 6 致谢7 7 参考文献7 8 附录a 相关软件一a r m 部分8 1 a _ 1 串口函数8 1 a - 2a d 函数8 3 a - 3 多点触摸屏驱动函数8 4 a - 4a r m 主函数9 0 附录b 相关软件- m a t l a b 部分9 0 b - 1m a t l a b 主文件t o u c h p a d m 9 0 b - 2m a t l a b 上位机串口程序9 0 b - 3m a t l a b 上位机数据处理程序9 1 b - 4m a t l a b 图像处理程序9 3 v l 一一 一j i j ! 二一 _ - _ - - _ _ _ _ _ - _ - _ - _ - - _ - _ - _ - _ l _ _ _ 一 附录c 虚拟器件一五线电阻式多点触摸屏模拟9 4 c l 离散噪声滤除程序9 4 c 一2 数据处理程序 c 一3 改进型数据处理程序9 6 攻硕期间取得的研究成果9 8 i 第一章概论 第一章概论 伴随着r r 技术的高速发展，各类电子产品充斥着人们的生活，如今人们早已 习惯各种各样的输入方式，尤其以键盘和鼠标输入最为常见。然而在某些特殊的 时间和场合，键盘和鼠标输入都有着诸多的不便，于是人们开始试着追求一种返 璞归真的输入方法手写输入。其中，触摸板、手写板早已见于世面。然而， 作为键盘和鼠标的替代品，它们依然是一个相对定位系统。而今的人们，对直观 操作有了进一步的要求，于是诞生了一种全新的输入方式触摸屏输入。 1 1 触摸屏技术的本质及应用范围 触摸屏是一种附着在显示器表面，与显示器配合使用，通过手指触摸产生模 拟电子信号，再经过模数转化成为计算机可以识别的触摸点坐标信号，从而将操 作者的意志传达给计算机设备的器件【1 1 。其本质是传感器，由触摸检测部件和触摸 屏控制器组成。触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置， 接受后送触摸屏控制器；触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置接收触摸 信息，并将它转换成触点坐标送c p u ，同时能接c p u 发来的命令并加以执行瞄j 。 ( a ) s a m u e l h u r s t 博士( 左)( b ) 第一款透明触摸屏 图1 - 1s a m u e l h u r s t 博士和他的第一款触摸屏 1 9 7 1 年s a m u e l h u r s t 博士发明了一个触摸传感器，这个传感器就是最早触摸 屏的雏形。1 9 7 4 年s a m u e l h u r s t 博士又设计出第一款透明的触摸屏，如图1 - 1 所示。 1 9 7 7 年分隔点( s e p e r a t o r - d o t ) 专利、电子制图及5 线电阻发明申请专利后，触摸屏 技术才算得到了真正的完善，并进入广泛应用的时代。在1 9 8 2 年t e n n e s s e e 的 电子科技大学硕士学位论文 k n o x v i l l e 世界交易会上，e l o g r a p h i c s 公司在美国馆中展出了3 3 台使用新式透明 触摸敏感控制板的电视机从此，触摸屏正式进入大众的视界。 触摸屏由于其操作的便捷性和直观性，被应用于生活的方方面面。如今，触 摸屏广泛地应用于手机、p d a 、笔记本等各类消费类电器中。其多媒体演示系统 更以其色彩亮丽的画面，丰富的多媒体表现形式，简便的使用操作，用于提供全 方位的形象展示、业务咨询、信息查询、工业控制、公共娱乐等功能。 ( a ) 触摸屏手机 1 2 触摸屏的分类及特性 图1 - 2 触摸屏的应用 ( b ) 触摸屏显示器 触摸屏的本质是传感技术。通常根据传感器的类型，将触摸屏分为四类：电容 式触摸屏、电阻式触摸屏、红外线式触摸屏和表面声波触摸屏i l 7 j 。电阻技术触摸 屏的定位准确，但其价格颇高，且怕刮易损；电容技术触摸屏设计构思合理，但 其图像失真问题很难得到根本解决；红外线技术触摸屏价格低廉，但其外框易碎， 容易产生光干扰，曲面情况下失真；表面声波触摸屏解决了以往触摸屏的各种缺 陷，清晰不容易被损坏，适于各种场合，缺点是屏幕表面如果有水滴和尘土会使 触摸屏变的迟钝，甚至不工作。下面将对以上四种触摸屏做简要介绍。 1 2 1 电阻式触摸屏 电阻触摸屏的屏体部分是一块多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基 层，表面涂有一层透明的导电层( r r o 膜) ，上面再盖有一层外表面经过硬化处理、 光滑防刮的塑料层。它的内表面也涂有一层i t o ，在两层导电层之间有许多细小( 小 于千分之一英寸) 的透明隔离点把它们隔开【8 2 1 。当手指接触屏幕时，两层i t o 发 生接触，电阻发生变化，控制器根据检测到的电阻变化来计算接触点的坐标，再 依照这个坐标来进行相应的操作。电阻式触摸屏根据引出线数多少，又分为四线、 2 第一章概论 五线等类型。五线电阻触摸屏的外表面是导电玻璃而不是导电涂覆层，这种导电 玻璃的寿命较长，透光率也较高。 所有的电阻式触摸屏都采用分压器原理来产生代表x 坐标和y 坐标的电压 s 1 0 l 。如图1 3 所示，分压器是通过将两个电阻进行串联来实现的。上面的电阻( r 1 ) 连接正参考电压( v r e f ) ，下面的电阻( r 2 ) 接地。两个电阻连接点处的电压测量值与 下面那个电阻的阻值成正比。 为了在电阻式触摸屏上的特定方向测量一个坐标，需要对一个阻性层进行偏 置：将它的一边接v r 日，另一边接地。同时，将未偏置的那一层连接到一个a d c 的高阻抗输入端。当触摸屏上的压力足够大，使两层之间发生接触时，电阻性表 面被分隔为两个电阻。它们的阻值与触摸点到偏置边缘的距离成正比。触摸点与 接地边之间的电阻相当于分压器中下面的那个电阻。因此，在未偏置层上测得的 电压与触摸点到接地边之间的距离成正比。 2 ( a ) 触摸发生时的物理模型( b ) 触摸不意图 图1 - 3 电阻式触摸屏分压原理 电阻触摸屏是一个相对封闭的系统，因此不怕尘埃、水及污垢影响，能在恶 劣环境下工作，适合配带手套和不能用手直接触控的场合。但是，由于其工作依 赖于电阻网络的精密性，当电阻网络出现任何微小的故障时，都会导致触摸屏系 统的失灵。由于经常被触动，表层i t o 使用一定时间后会出现细小裂纹，甚至变 型，同时由于复合薄膜的外层采用塑胶材料，抗爆性较差，因此其寿命并不长久。 1 2 2 电容式触摸屏 电容式触摸屏由一个模拟感应器和一个双向智能控制器组成，利用人体的电 流感应进行工作【1 羽。模拟感应器是一块四层复合玻璃屏，用真空镀膜技术在玻璃 3 电子科技大学硕士学位论文 层的内表面镀上i t o ，玻璃四边均镀上银质电极并在四角引出，其内部形成一个低 电压交流电场。触摸屏上贴有层透明的薄膜层，它是一种特殊的金属导电物质。 当用户触摸电容屏时，用户手指和工作面形成一个耦合电容，因为工作面上接有 高频信号，于是手指会吸走一个很小的电流，这个电流分别从屏的四个角上的电 极中流出；且理论上流经四个电极的电流与手指到四角的距离成比例，控制器通 过对四个电流比例的精密计算，即可得出接触点位置。 如图1 4 所示，在四个顶点测出四个电流值1 1 1 4 ，则有1 1 ：r 2 ：r 3 ：r 4 = 1 1 ：1 2 ：1 3 ：1 4 。 联立求解方程组( 1 ) 一( 5 ) ，就可以解出触摸点坐标值。 ( 0 ，h ) ( 1 ，h ) ( 0 ，0 ) ( 1 ，0 ) ( a ) 电流的测量 ，：r 2 ：r 3 ：= 1 1 ：1 2 ：1 3 ：，4 ( 1 ) x 2 + y 2 一誓一( 2 ) 0 一，) 2 + y 2 = 彳( 3 ) ( x 一，) 2 + ( y 一办) 2 一孑( 4 ) x 2 + ( y 一办) 2 = 2 ( 5 ) ( b ) 坐标的计算 图1 - 4 基于电流探测的电容式触摸屏工作原理 除了可以对电流进行测量以外，还可以通过对电压或频率进行测量【1 3 1 ，从而 判定电容是否发生了变化，进而判断出是否发生触摸。虽然每个电容器只能给出 是否发生触摸，但是倘若将电容器制作成阵列，就可以实现定位，甚至多点定位。 4 第一章概论 眇霉3 x 一一一。一，。一 芒竺竺鳖鲨攀罗、；d 匕竺竺竺翌鬻男笋。 c = 学 图1 - 5 电容器开关 对于r c 振荡电路有厂= 1 ( 1 3 8 6 掌r 木c ) ，r 一定的情况下，c 的改变将直接 导致f 改变，因此只要对实际震荡频率进行计数测量，就可以知道对应的电容开关 是否被触发。除此之外，还可以对特征电压进行测量，进而得知是否有触摸发生。 对于零输入和零状态下的电容方程满足矿= v o x p ( - 办，有f = 一r c 宰l n 喙) o 设定参考电压v ，测量电容器由满电压变化到v 时所需要的时间t ，就可以判断出 电容是否发生变化。 圆弩 l d e r a ( a ) 特征频率测量( b ) 特征电压测量 图1 6 电容开关触动状态的判定方法 电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及感应器，更能有效地防止外在环境因 素对触摸屏造成影响，就算屏幕沾有污秽、尘埃或油渍，电容式触摸屏依然能准 确算出触摸位置。精确、反应快，尺寸稍大时也有较高分辨率，更耐用( 抗刮擦) 。 但由于电容随温度、湿度或接地情况的不同而变化，其稳定性较差，往往会产生 漂移现象。 5 电子科技大学硕士学位论文 1 2 3 红外式触摸屏 红外式触摸屏是利用红外发射器与探测器构成红外探测栅格，如图1 7 。当有 任何物体进入这个栅格时，光线会被阻挡，红外线探测器会收到变化的信号，控制器 就可以确定触摸的位置坐标。 x 接收器阵 湮 y 接 收 器 栅 x 发射器阵 ” 遮括碡离7m m 。 ( a ) 红外触摸屏器件结构( b ) 红外管工作特性 图1 - 7 红外触摸屏工作原理 红外接收器产生的电压与接收到的红外光强成比例【1 4 】，因此只需要对电压进 行测量就可以计算出触点与该只发射管的相对位置，再加上该管的物理位置，就 可以对触点进行绝对定位。 红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适宜于某些恶劣的环境。其主要优 点是价格低廉、安装方便，可以用在各档次的计算机上。此外，由于没有电容充 放电过程，响应速度比电容式快，但分辨率较低。还由于其使用了大量的红外元 件，任何一个元件的装配不当或损坏都会影响其工作性能，故可靠性不高。使用 过程中架框四周的红外线发射管及接收管很容易损坏，同时还易受外界光的影响。 对应于一个如此庞大的元件阵列之后，必然是一个庞大的电路，体积无法得到有 效控制。 1 2 4 表面声波式触摸屏 表面声波是一种在介质表面进行浅层传播的机械能量波，其性能稳定，在横波 传递中具有非常尖锐的频率特性。表面声波触摸屏的触摸部分是玻璃平板，没有任 何贴膜和覆盖层。玻璃屏的左上角和右下角各固定竖直和水平方向的超声波发射 换能器，在屏幕表面形成一个纵横交错的超声波栅格，右上角固定两个相应的超声 波接收换能器。当手指或其他柔性触摸笔接近屏幕表面时，手指或其他柔性触摸笔 6 5 4 3 2 l o 龃t申丑铎 第一章概论 吸收了一部分声波能量，而控制器则侦测到接收信号在某一时刻上的衰减，由此可 计算出触摸点的位置。 表面声波触摸屏不受温度、湿度等环境因素影响，分辨率极高，有极好的防 刮性，寿命长，透光率高，能保持清晰透亮的图像质量，最适合公共场所使用。 但尘埃、水及污垢会严重影响其性能，需要经常维护，保持屏面的光洁。 1 3 触摸技术的新发展 目前，以上述四种触摸技术为基础，又产生了许多新兴的触摸技术，这些新技 术或者拓展了触摸屏的应用范围，或者发展了触摸屏的精度，或者增加了触摸屏 的功能。有的技术对两种或多种结构进行组合利用，以达到拓展行为识别的目的， 如将红外触摸屏置于电阻或电容触摸屏上，就可以实现接触触摸和非接触触摸两 种动作识别【1 5 以8 1 。有的利用多达2 5 个标准基点组成“校准神经网络 ，对非线性 失真进行了进一步的处理【1 9 - 2 0 l ，从而改善了触摸屏的校准。有的将新型光学感应 器件应用于触摸技术【2 1 彩】，从而拓展了触摸技术的适用范围。有的利用串行电阻 对触摸屏结构进行改进 2 4 - 2 6 ，从而实现了高效节能。有的直接利用原有的器件， 在算法上做改进，实现多点触摸等新功能【2 7 - 3 4 ，将触摸技术带入一个新纪元。 1 4 研究对象的选择 综上所述，各种触摸屏技术各有所长，不同的技术适用于不同的应用场合。 对于个人消费类电子产品中使用的触摸屏，电阻式触摸技术有着其独到的应用优 势。由于个人消费类电子产品大都体积较小，且对精度有较高要求，且经常使用 于日光下，如手机、数码相机、m p 3 等，故不宜使用红外式触摸屏。再由于消费 者的使用环境不定，且大都在户外等非高清洁环境中使用，故不宜使用声波式触 摸屏。对于电容式触摸屏，由于其受环境( 温度、湿度等) 影响较大，会出现漂 移现象，且不能在佩带手套时使用，这严重的限制了寒冷地区冬日的户外使用。 故依然不适用于个人消费类电子产品。电阻式触摸屏技术虽然存在怕划伤、寿命 短等不利因素，但是考虑到个人电子产品更换频率较高，而且使用新的技术和工 艺，其寿命也得到了极大的提高。最关键的是与其它三种触摸屏技术相比，电阻 式触摸屏技术的原理最为简单，结构及工艺要求也最低。相对简单的原理，使得 其拥有相对简单的结构，从而提高了产品的可靠性，同时也保证了其相对低廉的 7 皇王型垫奎兰堡主堂垡笙壅 - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - l - l _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ l _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 一一 制造成本。 i s u p p l i 的显示技术与策略部门资深分析师j e n n i f e rc o l e g r o v e 曾明确表示：“推 动触摸屏需求增长的主要是手机和消费电子产业，具体而言就是便携游戏机、p d a 和便携导航设备( p n d ) 。 可见，未来的触摸屏主要应用方面为个人消费类电子， 于是选择了电阻式触摸屏作为研究对象，并最终实现了基于电阻式触摸屏技术的 多点触摸技术。 8 第二章电阻式触摸屏技术细节 第二章电阻式触摸屏技术细节 综上所述，由于电阻式触摸屏技术在消费类电子产品中的种种优势，决定使 用电阻式触摸屏技术来完成设计目标。因此，有必要对已有的电阻式触摸屏的结 构及技术细节做进一步的深入了解，为日后的技术创新奠定基础。 2 1 电阻式触摸屏的器件结构 如前所述，电阻式触摸屏还有四线、五线等不同形式，但其基本原理都一样， 都是在一个电阻面上加电压，形成电压梯度，再通过对接触点的电压值进行提取， 计算出触点坐标。所以无论是哪种形式的电阻式触摸屏，都一定有一个电阻层及 一个电压提取层，在此就用四线式电阻屏来作为典型代表。 电极 阻性 离层 ( a ) 四线电阻式触摸屏的基本结构( b ) 四线电阻式触摸屏器件结构 图2 1 四线式触摸屏结构 四线式电阻屏一般有两层阻性导电层和一层隔离层构成，阻性层两边各有一 条导电电极，且上下两个阻性层的电极彼此垂直，如图2 1 所示。若在其中一层电 阻层上加上电压，当有触摸发生，就可以利用另一层电阻层来提取特征电压，从 而确定一个方向上的坐标。同理，在另一层上加上电压，就可以确定另一个方向 上的坐标，如图2 2 所示。 9 皇王型垫奎堂堡主堂垡鲨壅 一 _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ - _ - _ l - _ - _ _ 一 褥电i t o 涂屡l 陶露l c o n d u c l i v ei t oc o a t i n g ( a ) 触摸示意图 测量x 坐标 v ( b ) 触摸等效电路 图2 - 2 四线电阻式触摸屏工作原理 对于五线电阻式触摸屏，基本结构和四线电阻式触摸屏完全一样。但是其只 具有一个电阻层，另一层是导电层。通过对电阻层分次加上横向和纵向电压，来 实现坐标定位。五线式电阻屏只有一个工作层，就算导电层出现瑕疵，也能正常 工作，因此其可靠性和使用寿命都优于四线式电阻屏。 2 2 电阻式触摸屏的坐标计算原理 由于电阻式触摸屏都是基于电阻网络的分压原理进行工作，所以无论哪种电 阻式触摸屏，其坐标计算原理都是一样的。整个阻性层就好象一个滑动电阻器， 触点总是将阻性层延电压方向一分为二，其距边缘的距离就与由触点所测得的电 压成比例。 1 0 第二章电阻式触摸屏技术细节 假设阻性层长l 、宽w ，加在电极上的电压为v c c 、测得电压为v ，触点距离 接地电极的距离为x ，如图2 3 所示。 v e t v l g n d 图2 - 3 电阻式触摸屏坐标计算原理 则有：争去x 一去宰三同理有：y = 去串形 故通过两次测量，就可以唯一确定触摸点的坐标。 2 3 电阻式触摸屏的电路结构 由计算原理可知，电阻式触摸屏确定触摸点坐标的关键就在于特征电压的提 取和比较。所以需要一个控制器对电源进行控制，使得v c c 可以交替施加于垂直 和水平电极上；还需要一个电压测量和比较器，将提取的电压和电源电压做比较， 以得出具体的坐标位置；最后将得出的坐标提交给m c u 做后续处理。 i 控制器卜一电源 fl + 电压测量 和比较器 _ _ 一 触摸屏 ( a ) 电阻式触摸屏电路的基本结构 ( b ) 四线五线式触摸屏电路结构 图2 4 电阻式触摸屏电路结构 电咖 点土 触 =a 电子科技大学硕士学位论文 通常电压测量和比较器用一个摸数转换器( a d ) 实现，对于四线或五线式触 摸屏，通常使用专用集成电路( a s i c ) a d s 7 8 4 6 或a d s 7 8 4 5 来实现坐标获取【3 3 _ 3 6 ， 其基本电路结构如图2 4 所示。 2 4 电阻式触摸屏的校准 电阻触摸屏本身存在性能差异，在安装时也会存在装配偏差，再加上使用一 段时间后，触摸屏的性能参数也可能发生改变。所以，我们使用不同的触摸屏时， 即便是在显示屏幕的同一位置触摸，也很难保证得到相同的触摸坐标1 5 j 。因此，触 摸屏在初次使用和使用一段时间后，都需要重新校准。关于触摸屏校准的理论很 多，但都大同小异，所有理论都基于同一个假设，既假设触摸屏是理想的线性器 件，其失真也是线性的。采用五点式校准法【3 7 瑚】，比四点式校准法【3 9 1 多出一个效 验点，可以提高设备的可靠性，故此处仅对五点式校准法做简要介绍。 如前所述，触摸屏由于种种因素，其测量坐标与显示器的显示坐标之间总存 在差异，需要校准。为了方便描述，引入两个基本概念：物理坐标和逻辑坐标。 物理坐标就是指显示器的显示坐，用( x ，y ) 表示，逻辑坐标指经由触摸屏获取的 坐标，用( x ，v ) 表示。 前面已经假设触摸屏的失真是线性失真，因此可以进一步假设存在线性函数 f ( x ) 和甙y ) ，使得x = f ( x ) 和y - f ( y ) 。为了尽量避免因为校正误差，使得变换坐标平 面超过实际的显示平面，我们选用实际触摸显示平面的四个顶点作为校正点，而 不是像以前那样在屏幕中任意找四点做校正点。 对于线性方程组：j 12 向x + k 2 仅需要两个对角效验点( 四个坐标值) 就可 【y2 m l y + m 2 以求解，采用四点效验，是为了使k 与m 的求解更加精确。至于第五个点，则是 用于验证k 与m 的可靠性。 首先在显示器上显示触摸区域的四个顶点a ( x i n i n ，y m 缸) 、b ( x m 觚，y m 缸) 、 q ：x 毗x ，y m 曲、d ( x l n i n ，y m i n ) 和中间点e ( x ，如图2 5 所示。然后触摸这四点，得到 逻辑坐标值a ( x 。，y r ) 、b ( x b ，y b ) 、c ( x 。，y c ) 、d ( x d ，y d ) 和中间点e ( x ，y ) 。利用两组对角点a 、 c 和b 、d 求出两组k 和m ，再取平均值。最后利用求出来的k 、m 和测得的e ( x ，y ) 来计算e ( x ，看计算值与实际显示坐标之间的误差是否在误差限内，如果满足 要求，则校正程序结束。 1 2 第二章电阻式触摸屏技术细节 显示平面有效触摸平面 由a 、c 有： 同理： 有： 图2 - 5 坐标校正 x 曲。= k n 。儿x o + + k 豫a 2 ： 得仨麓 芝二麓 霸= 学 如= 半 f x 。= 白1 x 。- i - k 1 2 l k = m i l y c + m 1 2 卜等y y， 口一cl z 。l j l m a 2 = k 一l 儿 臣二毪 现；监羔堑 二 ( 2 - 2 ) m=2 m 1 2 - 1 - m 2 2 将测得的逻辑坐标e ( x ，y ) 带入 三2 尼1 x 十鼠，求出e ，( x ，y ，) ，与显示坐标e ( x ，y ) 【j2 m l y + 珑2 做比较，如果误差在容限内，则校正完毕，否则重复以上所有步骤。 在实际应用中，由于触摸屏分辨率误差、触摸屏与l c d 的贴合情况误差等原 因，触摸屏上电压转换值并不是很严格的线性分布【6 1 ，既失真也不是完全的线性失 真。于是可以根据实际情况，对触摸区域进行区域划分，对各个不同的区域，都 采用上述方法进行校准，得到不同的坐标变换系数，利用分段函数来提高精度， 1 3 电子科技大学硕士学位论文 如图2 - 6 所示。但是，通常情况下由于触摸屏面积并不是很大，基本保证了其线性 失真的特性，用不着区域划分。 图2 - 6 区域划分校正 2 5 电阻式触摸屏手写笔画处理 有时我们需要用手或触摸笔在触摸屏上写画，然而，当用点触笔在屏幕上书写 移动时，由于触摸屏表面相对纸张而言要硬一些，所以在书写时，尤其是书写动作稍 快时，点触笔中途可能短时间跳离触摸屏，导致探测到的笔画不连续，影响系统对手 写体的辨识，因而影响触摸屏的使用效果m 】。 但是偶然的跳离与笔画完结提笔的时间间隔有很大差别，故可以通过对时间 间隔的长短进行测量来确定是偶然的跳离还是笔画结束。 1 4 第三章单点触摸到多点触摸 第三章单点触摸到多点触摸 前述触摸屏技术确实可以实现对触摸点的坐标定位，但是每次只能对一个触 摸点的情况进行测定，当存在多个触摸点时，就会因为多个触摸点彼此的影响而 得出错误的触摸坐标。然而在真实应用中，人们往往需要同时对多个按键进行操 作，如s h i f t 键、c t r l 键等，以达到特别的操作目的。另外，人手具有相当的灵活性， 可以通过2 个甚至3 个手指的协同触摸来完成更加高级的功能，比如两个手指完 成的图片旋转、缩放等功能。由此可见，单点触摸远远不能满足人们的需求，要 充分发挥手的灵活性优势，就必须使用多点触摸技术。因此，如何实现多点触摸 的正确识别和定位处理就成为了一个相当重要的技术。 3 1 多点触控的定义和应用 所谓的多点触控技术就是指能同时对多个触摸点进行正确的识别和定位，独 立判断每个触控点的操作意义，并实现相应功能的技术，其关