一種紅外屏電路的驅動電流自適應調節方案

分類：解決方案日期：2007-03-16 00:00:00

摘要：本文分析了現有紅外觸摸屏壽命較短的原因，提出了一種驅動電流自適應調節的紅外觸摸屏電路結構，以及自適應調節方法，同時給出了坐標歸一化計算方法。本文提出的方法能夠根據接收信號強弱對紅外發光管驅動電流進行補償，采用此項技術設計的紅外觸摸屏電路具有較強的抗干擾能力，其使用壽命也大大延長。
0 引言
　　紅外觸摸屏作為一種特殊的計算機外設，它是方便、簡單、自然的輸入手段，廣泛應用于ATM、辦公設備、以及醫療設備上。紅外光發射元件在使用中會發生老化，發光效率降低，接收元件的靈敏度下降。因此延緩其老化，彌補其老化造成的影響以延長紅外線觸摸屏的使用壽命，是技術人員所一直追求的[1]。本文提出新的電路結構和控制方法，可以最大限度地延長紅外發射管的工作壽命，同時使接收信號保持良好的信噪比。同時本文提出檢測信號的零點值、滿度值校準方法和檢測信號歸一化方法，配合本文給出的電路和控制方法，可方便后續的檢測計算工作。

1 現有紅外觸摸屏電路結構的分析

　　如圖1所示，現有技術的紅外觸摸屏電路包括模擬開關、驅動電流限制電路、信號收取電路、信號處理電路、數控增益放大器以及A/D轉換器。模擬開關用以選擇某一發射元件，并由驅動電流限制電路向該元件提供驅動電流以使其發光。

　　圖1所示電路的技術方案存在以下缺點：
· 電路設計上都將驅動電流設定為固定值，這樣會形成兩難局面：A、如果驅動電流較大，發射元件易老化；B、如果驅動電流較小，使用一段時間后會有個別發射元件的發光能力變弱，受其影響該紅外屏無法繼續使用。
·當某發射元件的發光效率太小時，接收到的光信號和后續檢測信號都比較弱，抗外界光干擾能力變弱。
2 自適應調節電流的電路結構設計
　　本文設計的紅外觸摸屏電路如圖2所示，該裝置包括：驅動選擇電路、信號收取電路、信號處理電路、A/D轉換器、檢測調校控制單元、數控驅動電路。
　　將圖2與圖1相對照，本文的技術方案進行了如下改進：
· 省卻了圖1中的數控增益放大器，將信號處理電路的放大系數設定為合適的固定數值。
· 如圖2所示，現有技術的驅動電流限制電路已被這里虛線框21所示的數控驅動電路所替換。
· 增加了探測裝置，用以探測操作體或操作者的接近。

3 驅動電流自適應調節方案的設計
3.1 基本思路
　　當探測裝置發現沒有操作體靠近紅外觸摸屏時，紅外觸摸屏電路工作在調整校準工作模式下，檢測調校控制單元根據接收信號強弱對紅外發光管驅動電流進行補償。
　　調整校準方法的基本設計思想如下：
· 最初在檢測工作中用能使紅外光信號達到檢測工作最低要求的驅動電流下限值I0做為起始值驅動發射元件發光，以延緩紅外發射元件發光效率參數的老化衰減。
· 隨著發射元件發光效率參數的降低，給驅動電流增加相應的補償量，以維持該發射元件所發出的紅外光的強度大體不變，從而延長了該發射元件的后期可用時段[3]。

· 分別保存各路檢測信號的零點值和滿度值以確定各路檢測信號的量程范圍，解決各接收元件參數和發射元件參數的離散所形成的檢測信號量程離散偏差。
3.2 參數選擇方案
　　在電路設計和參數選取方面，基本方法是：
· 適當設計實數控驅動電路的有關參數，使得D/A轉換器輸出為最大值DM時，驅動電流放大電路輸出的最大驅動電流IM等于或略小于（比如小5%）紅外發射元件的最大允許驅動電流IM。做為驅動電流起始值的前述驅動電流下限值I0可根據實驗確定，一般可選為IM的若干分之一，比如1/10、1/5或1/2。
· 選擇一對紅外發射元件和接收元件，其各自的發光效率參數和光電靈敏度系數都等于其各自的最大允許值，并將這一對紅外元件按照實際應用條件相對設置。適當設計固化信號處理電路和A/D轉換器的有關參數，使得向所選發射元件提供的驅動電流ID為I0時，與所選接收元件相應的檢測信號UT的幅值略小于（比如小3%或10%）A/D轉換器的滿度值UM，此時的檢測信號UT的幅值稱為檢測信號的高端參考值URT。

· 再選擇一對紅外發射元件和接收元件，其各自的發光效率參數和光電靈敏度系數都等于其各自的最小允許值，并將這一對紅外元件按照實際應用條件相對設置。此時向所選發射元件提供驅動電流I0，則與所選接收元件相應的檢測信號UT的幅值稱為檢測信號的低端參考值URB。
· 隨著時間的推移，發射元件老化，其發光效率參數逐漸降低，檢測信號的幅值也隨之減小，需要對驅動電流進行前述的補償。測算元件參數是否發生了衰減及其衰減程度，可行的方法是預定一個檢測信號的參考值UR，并將測得的檢測信號與之相比較，根據檢測信號相對該參考值的偏差程度，給驅動電流增加相應的補償量。檢測信號參考值UR選取URT和URB的平均值（URT+URB）/2，因為URB經常被設計為滿足信噪比和抗干擾要求的檢測信號下限值。UR值選取得較大，驅動電流會向較大值調整看齊，檢測信號信噪比和抗干擾能力就越強，但發射元件老化速度也就越快。
　　選定了參考值UR后，調整和校準的一種具體流程如圖3所示。

4 坐標歸一化算法
　　對檢測信號的處理利用方面，可以將檢測信號按線性處理利用，或按二次或三次曲線擬合后進行其它計算[4]。為了后續計算的方便，可以先對檢測信號進行歸一化處理。第i路檢測信號UT(i)對其正軸滿度值的歸一化數值為：
　　UT(i)=[UT(i)-U0(i)]/[UF(i)-U0(i)]
　　式中UF(i)-U0(i)代表檢測信號量程，UT(i)的范圍為0～1，這樣各路檢測信號之間就具有了可比性，歸一化后，對各路信號的計算處理可以用一套統一的計算式完成，各參數標準也對各路信號一致通用。當然，也可以按照其它比例系數進行歸一化。下面給出X軸坐標的計算流程圖，Y軸的坐標計算流程類似。