电脑触摸屏技术研究
袁莉, 李文奎
(绥化学院计算机系, 黑龙江绥化 152061)

[摘要] 电脑触摸屏技术通过USB 芯片被电脑识别为鼠标, 对碰触信号进行位置检测、模数转换和运算来对电脑鼠标指针进行定位, 通过触笔上的按键和滚轮替代电脑鼠标的按键和滚轮。USB芯片的HID 功能使设备免除了驱动程序, 碰触定位操作与按键、滚轮操作的分离进行, 全面替代了鼠标的操控功能。此技术具有带按键触笔和免驱动特性两大创新点, 在人机交互设备技术领域具有明显的新颖性、创造性和实用性, 有广阔的应用前景。

[关键词] 触摸屏; 免驱动; 带按键触笔; 人机交互

[中图分类号] TP31[文献标识码] A􀀁[文章编号]1008-178X(2011)06-0009-04

    随着使用电脑作为信息来源的与日俱增, 系统设计师越来越多地使用触摸屏。触摸屏作为一种最新的电脑输入设备, 它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。

    触摸屏出现在中国市场上至今只有短短的几年时间, 产品数量与种类很多, 但是大都具有局限性。本文给出的触摸屏技术填补了国内市场两大空白: (1) 目前国内市场上的触摸屏控制器中, 基于USB 接口的免驱动触摸屏控制器尚无实例。目前商品化的USB 接口电脑触摸屏产品中, 必须事先通过驱动光盘安装驱动程序方能够使用。所以本文寻求一种使用USB 接口而无需驱动的电脑触摸屏实现方案, 以填补市场和技术空白; (2) 市售的电脑触摸屏并不能完全模拟鼠标操作, 因为其触控方式并不能直接具有鼠标的左右键、滚
轮等功能, 需要频繁切换触控所要模拟的鼠标操作, 而且无法完成一些特定操作。本文的触摸屏技术使用带按键触笔设计对鼠标操作予以完全模拟。

    这种免驱动并基于带按键触笔的电脑触摸屏技术新颖、成本低并且有广泛的应用前景。本文介绍一种基于这种技术的电脑触摸屏系统, 着重从系统组成和工作原理两方面介绍这种技术。

1.系统原理

1.1硬件组成

触摸屏系统由触摸板、控制器、带按键触笔3 个主要部分构成。结构框图如图1所示。

图1系统结构框图
 

1.1.1 带按键触笔

    鼠标的操作分成移动和按键两个独立的操作, 而传统电脑触摸屏的操作只有触碰一种, 只能通过触碰实现移动和一种按键操作的组合, 所以要不断切换组合方式。而本文实现的电脑触摸屏系统配备了具有鼠标按键和滚轮的触笔, 由触摸屏的触碰实现鼠标的移动,由触笔上的按键实现鼠标的按键，也即完成了移动和击键两个操作的独立,方便其任意组合。

    从不同的制造成本要求来考虑,可以设计成有线式或无线式。有线式带按键触笔结构简单, 仅包括左右键、滚轮以及连线。无线式带按键触笔需要在有线式带按键触笔的基础上加入无线编码发射芯片(如PT2262 或TDA1808 等)与独立的供电电池。在控制器端则需要对应的无线接收解码芯片( 如PT2272 或TDA1809 等) 。

图2带按键触笔结构

1.1.2 触摸板

    透明的触摸板安装在显示器屏幕前面, 用于检测用户触摸位置, 输出横、纵两路模拟电压量表示的触碰位置信号到控制器。固定装置可以是弹性尼龙带、挂钩、双面胶纸等, 用于将触摸面板固定在电脑显示器显示区域表面。触摸板一般选取四线或五线电阻式触摸屏、表面声波触摸屏或红外触摸屏。根据触摸屏的不同, 使用不同接口电路。

    电阻式触摸屏利用压力进行控制。当手指触摸屏幕时, 两层导电层在触摸点位置就有了接触, 电阻发生变化, 在X 和Y 两个方向上产生信号, 然后送触摸屏控制器。控制器侦测到这一接触并计算出( X, Y) 的位置, 再根据模拟鼠标的方式运作。四线电阻式触摸屏作为触摸板时, 控制器端应使用AR7643、AD7843 等触摸屏专用模数转换芯片。

1.1.3 控制器

    触摸屏控制器的主要作用是从触摸板上接收触摸位置信号, 从带按键触笔上接收鼠标操作, 经过处理,通过USB 芯片来控制电脑。主要由4 个芯片构成:

    (1)模数转换芯片AR7643: 电阻触摸屏的输出模拟信号需要此模数转换器转换成数字信号。为了匹配1024*768 或更高的显示分辨率, 要求数字位数不小于10位, 误差小于0.1%。并且为了适应USB 接口的响应频率( 例如, Windows Vista 系统下为125Hz) , 转换频率应在100Hz 以上。AR7643 或AD7843 等专用芯片可以很好满足需要。

    (2)无线接收解码芯片PT2272。用于接收触笔上无线编码发射电路所发射的无线信号, 把无线信号解码成按下、抬起按键或滚动滚轮的数字电压信号。

    (3)51单片机。作为控制器的核心, 可以选用廉价而且好用的51 系列单片机, 如89C52、80C51 等。用
于处理信号、控制整个系统。

    (4)USB 接口芯片PDIUSBD12。作用是将51 系列单片机产生的输出信号( 移动与击键) 传输给计算机。以HID 设备的方式与计算机通信, 通过设置设备识别码, 让电脑将控制器识别为USB 鼠标, 来达到免驱动的目的, 免去了手动安装驱动程序的麻烦。

1.2 工作原理

1.2.1免驱动原理

    触摸屏系统对电脑实现控制的方法为USB 芯片使用HID 协议与电脑通信, 描述符定义设备为鼠标, 使操作系统自动调用内部驱动程序支持此类设备, 无需外部驱动程序。从触摸板经模数转换芯片检测触点横纵坐标, 通过单片机计算为鼠标指针移动信号, 并编码为USB 鼠标HID 报告格式, 通过USB 芯片实时发送给电脑, 完成对鼠标指针的控制。

1.2.2 系统工作过程

    51 单片机持续发送时钟和控制字给模数转换芯片AR7643。如果用户使用带按键触笔的笔尖碰触触摸板,则可以从AR7643 接收到的1 位数字信号PENIRQ 显示发生碰触。触摸板将此位置以横、纵两路由模拟电压量表示的触碰位置信号的形式输出到AR7643。AR7643 将其转换为横、纵两路数字电压量表示的位置坐标值, 输出到51 单片机, 以向系统表示期望显示器件上的指针的移动到的位置。

    用户也可以按下、抬起带按键触笔上的按键或滚动带按键触笔上的滚轮, 以向系统表示自己希望电脑实现类似于电脑鼠标的按键和滚轮功能。这些操作产生数字的电压信号, 通过电路连接或无线收发对PT22262、PT2272 发送到控制器。

    51单片机依据时间先后顺序, 将数字电压量表示的位置坐标值或表示用户按下、抬起按键或滚动滚轮的数字电压信号分别计算、处理成为控制电脑移动显示器件上的指针的数字信号和控制电脑完成按键和滚轮功能的数字信号, 并发送给接口电路。

    USB 接口芯片PDIUSBD12 接收主控电路输出的需要发送给电脑的控制信号, 进行编码, 并发送编码后的电信号给电脑USB 接口。电脑处理USB 接口接收到的信号, 依据信号所表示的指针移动位置移动显示器件上显示的指针, 并依据USB 接收到的信号中表示的按下、抬起按键或滚动滚轮操作, 完成按键和滚轮操作对应的电脑功能。

1.2.3 基本算法描述

    为了实现设备的免驱动, 系统以鼠标的工作方式来控制电脑。所以根据系统的结构特点, 可以设计如下两种通过触摸屏移动鼠标指针的算法:

    (1) 先通过一个足够大的反向移动信号, 快速移动鼠标指针到坐标原点, 再通过正向移动信号( X, Y)移动到目标点( X, Y) 。

    (2) 记录每次移动到的坐标( X0, Y0) , 有新的目标点( X, Y) 时, 通过坐标差值计算移动信号( XX0,Y- Y0) , 移动到目标点( X, Y) 。

    系统需要根据实际情况选择移动鼠标指针的算法。选择的根据基于先前一个或多个系统运行周期内是否有触摸输入。如果没有连续检测到触摸输入, 则此次触摸输入为单次点触, 可以选用算法(1)以提高精度; 如果连续检测到触摸输入, 则表示拖拽操作, 应选用算法(2),令鼠标指针仅移动所需距离即可。

2. 结束语

    本系统经过开发利用, 可以方便地实现屏上软键盘输入、手写输入等功能。其游戏功能也十分丰富。系统可以使一些需要频繁操纵鼠标的电脑游戏软件操作起来更加简便与快速, 增加了游戏的真实性与乐趣。一些枪战类电脑游戏需要频繁地用鼠标点击画面上的敌人来进行射击, 当画面上敌人过多、过分散、移动过快时, 鼠标要在不同敌人间快速移动和点击, 对于使用传统鼠标的玩家来说负担很大。但是使用本文描述的触摸屏系统后, 玩家只需用触笔在屏幕上直接触碰画面上的敌人即可射中, 十分方便快捷, 而且增加了真实
感。

    本文介绍了一种新型的USB 免驱动触摸屏系统的原理, 给出了系统的一个实验样例, 这个系统经过产品化设计后, 生产出的产品与市场同类产品相比, 具备相同大小的成本, 但性能更优。

    此系统可以广泛地应用于电脑操作、文字录入、图文制作、游戏控制等方面, 其即插即用无需驱动和鼠标模拟的特点会为用户提供更多方便。带按键触笔和免驱动电脑触摸屏技术将改变设计师和用户的观念, 成为电脑触摸屏的革新者, 将会推动触摸屏更广泛的应用。

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