聲學脈沖波識別觸摸屏技術
樊衛(wèi)華1，朱志軍2，虞炎秋3
(1．中國電子科技集團公司第五十五研究所，南京210016；2．中國人民解放軍駐七七二廠軍事代表室，南京210009；3．國營第七七二廠，南京210009)

摘要：分析了傳統(tǒng)的電阻、電容、紅外及聲表方法觸摸屏的特點和不足。介紹了聲學脈沖波識別觸摸屏結構、工作原理和特點。

關鍵詞：觸摸屏；聲學脈沖波識別；小波變換；小波系數(shù)

中圖分類號：TN27 文獻標識碼：A 文章編號：1005—488X(2008)01—0007—04

    早期的觸摸屏技術起源于20世紀60年代的美國軍方，隨著應用的不斷普及，日本業(yè)者開發(fā)出適合批量生產(chǎn)的觸摸屏生產(chǎn)工藝，并逐步控制了全球80％以上的觸摸屏生產(chǎn)能力。為了控制觸摸屏的生產(chǎn)技術，日本業(yè)者一直堅持觸摸屏技術不轉(zhuǎn)移的策略。直到20世紀90年代，韓國和中國臺灣地區(qū)的廠商才先后在觸摸屏的工藝及批量生產(chǎn)攻關上有所突破，結束在觸摸屏市場上有了一席之地，但其生產(chǎn)能力和技術水平與日本業(yè)者相比還有較大差距。中國大陸觸摸屏制造業(yè)起步更晚。目前十幾家電阻式觸摸屏制造商要緊分布在珠三角地區(qū)，但生產(chǎn)規(guī)模均較小，且供應的產(chǎn)品要緊以用于觸控開關的數(shù)字式及四線電阻式觸摸屏為主。

    今天，觸摸屏輸入方法已成為各種信息產(chǎn)品的主流輸入技術之一。觸摸屏的實質(zhì)是晶瑩定位系統(tǒng)，它由觸摸檢測傳感器和觸摸屏控制器及相應的軟件組成。觸摸檢測傳感器安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測用戶觸摸位置，同意后送觸摸屏控制器；觸摸屏控制器的要緊作用是從觸摸點檢測裝置接收觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成觸點坐標送給CPU，同時能接收CPU發(fā)來的命令并加以履行。目前，依據(jù)傳感器的類型不同，觸摸屏大體被分為紅外線式、電阻式、外表聲波式和電容式觸摸屏四種。這四種觸摸技術各有優(yōu)點和弱點，應用于不同的場所。

    隨著顯示技術的發(fā)展和普及，人們需要更高性能的觸摸屏技術。聲學脈沖波識別(Acoustic pulserecognition，簡稱APR)觸摸屏技結合了電阻技術的可用觸控筆和可密封防水飛濺及抗污物的特點，并加上了紅外線技術及聲波技術的純凈玻璃的光學及抗磨損的特點，本文將對其結構、原理及性能進行詳細介紹。

1 聲學脈沖波識別觸摸屏開發(fā)背景

1．1 電阻式觸摸原理及存在問題

    電阻觸摸屏的屏體部分是一塊多層復合薄膜，由一層玻璃或有機玻璃作為基層，外表涂有一層晶瑩的導電層(ITO膜)，上面再蓋有一層外外表通過硬化處置、滑溜防刮的塑料層。它的內(nèi)外表也涂有一層ITO，在兩層導電層之間有許多細小(幾十微米高)的晶瑩割裂點把它們隔開。當手指接觸屏幕時，兩層ITO產(chǎn)生接觸，探測該點X或Y方向的電位，控制器依據(jù)檢測到的電位來計算接觸點的坐標，再依照那個坐標來進行相應的操作。電阻式觸摸屏依電極配線方法又可分為四線式、五線式、七線式及八線式等。而依面板組成及種類目前可以分為膜／玻璃、玻璃／玻璃、膜／膜及膜／塑料，其中以膜／玻璃為目前主流之應用形式，技術亦最成熟且價格便宜。

    但是，電阻式觸摸屏有兩層lT0膜層，導致觸摸屏的透過率較低；由于IT0材料的折射率是2．0左右，與空氣和玻璃的折射率相差都較大，光線在折射率變化越大界面，反照也大，因此造成在明亮環(huán)境或陽光下的可讀性差。

    電阻式觸摸屏的ITO涂層若太薄則容易脆斷，涂層太厚又會降低透光率且形成內(nèi)反照降低清晰度。由于經(jīng)常被觸動，表皮IT0使用一定時間后會出現(xiàn)細小裂紋，關于四線電阻屏來說，這會導致功能失效，因此其壽命并不長久。五線電阻式觸摸屏會出現(xiàn)因其銀電極的電阻在使用過程中隨時間變化而變化，導致觸摸位置的漂移。

1．2 電容式觸摸屏原理及存在問題

    電容式觸摸屏的四邊均鍍上了狹長的電極，在工作時其內(nèi)部形成一個低電壓交流電場。觸摸屏上有一層晶瑩的導電薄膜層和絕緣薄膜層。當用戶觸摸電容屏時，用戶手指和工作面形成一個耦合電容，因為工作面上接有高頻信號，因此手指會吸走一個很小的電流，那個電流分別從屏的四個角上的電極中流出，控制器通過對四個電流比例的精密計算，即可得出接觸點位置。電容式觸摸屏具有防塵、防火、防刮、強固耐用及具有高辨別率等優(yōu)點，電容式技術應用范圍比較廣泛。

    但是，由于有ITO鍍層，電容式觸摸屏對環(huán)境光有一定反照，妨礙整個顯示系統(tǒng)的亮室對比度。電容屏在原理上把人體作為一個電容器的一個電極使用，當有導體靠近且與夾層ITO工作面之間耦合出足夠量容值的電容時，流走的電流就會引起電容屏的誤動作。電容屏的另一個弱點是用戴手套的手或手持不導電的物體觸摸時沒有反應，這是因為增加了更為絕緣的介質(zhì)。電容屏更要緊的弱點是漂移：當環(huán)境溫度、濕度轉(zhuǎn)變，或環(huán)境電場產(chǎn)生轉(zhuǎn)變時，都會引起電容屏的漂移，造成觸摸點位置探不準確，在工作現(xiàn)場也經(jīng)常需要校準。

1．3紅外線式觸摸屏原理及存在問題

    紅外觸摸屏是使用X、Y方向上密布的紅外線矩陣來檢測并定位用戶的觸摸，紅外觸摸屏在顯示器的前面安裝一個電路板外框，電路板在屏幕四邊排布紅外開槍管和紅外接收管，一一對應形成橫豎交叉的紅外線矩陣，用戶在觸摸屏幕時，手指就會擋住通過該位置的橫豎兩條紅外線，因而可以推斷出觸摸點在屏幕的位置。早期，紅外觸摸屏存在辨別率低、觸摸方法受限制和易受環(huán)境干擾而誤動作等技術上的局限，因而一度淡出過市場，此后第二代紅外屏分解決了抗光干擾的問題，第三代和第四代在提升辨別率和穩(wěn)定性能上亦有所改進，但都沒有在關鍵指標或綜合性能上有質(zhì)的飛躍。紅外觸摸屏也同樣不受電流、壓和靜電干擾，適宜于某些陰毒的環(huán)境。

    但是，紅外線觸摸屏制造成本高，觸摸屏的周要布置開槍和接收電路，有效使用空間的能力下降。另外紅外屏在工作狀態(tài)下不斷接收和開槍，功耗較大，不適合在移動或便攜產(chǎn)品中應用。

1．4外表聲波觸摸屏原理及存在問題

    外表聲波是超聲波的一種，它是在介質(zhì)(例如玻璃或金屬等剛性材料)外表淺層傳播的機械能量波。聲波屏的三個角分別粘貼著X，Y方向的開槍和接收聲波的換能器。開槍換能器將觸摸屏電纜送來的電信號轉(zhuǎn)化為聲波能，接收換能器將反照條紋匯聚成的外表聲波能變?yōu)殡娦盘枺膫€邊刻著反照外表超聲波的反照條紋。當手指或軟性物體觸摸屏幕，部分聲波能量被吸收，因此轉(zhuǎn)變了接收信號，通過控制器的處置獲得觸摸的X，Y坐標。外表聲波觸摸屏具有清晰度較高、透光率好、高度耐久、抗刮傷性良好、反應靈敏、不受溫度、濕度等環(huán)境因素妨礙、辨別率高、壽命長(維護良好情況下5 000萬次)等優(yōu)點；透光率高(92％)，能保全清晰明亮的圖像質(zhì)量；沒有漂移，只需安裝時一次校正；有第三軸(即壓力軸)響應，因此目前在公共場所使用較多。

    外表聲波屏需要經(jīng)常維護，因為灰塵、油污甚至飲料的液體弄臟在屏的外表，都會堵塞觸摸屏外表的導波槽，使波不能正常開槍，或使波形轉(zhuǎn)變而控制器無法正常識別，從而妨礙觸摸屏的正常使用。用戶需嚴格注重環(huán)境衛(wèi)生，必須經(jīng)常擦抹屏的外表以保全屏面的光潔，并時限作一次全面完全擦除。另外外表聲波觸摸屏在工作狀態(tài)下不斷接收和開槍，功耗較大，不適合在移動或便攜產(chǎn)品中應用。

    以上四大方法的觸摸屏技術都存在如此或那樣的局限，人們?nèi)栽诓粩鄬ふ腋玫姆椒▉砑细鞣N觸摸技術的優(yōu)點，克服不足，滿足高度發(fā)展的電子產(chǎn)品的需求。聲學脈沖波識別觸摸屏技術正是在這種背景下應運而生。

2 聲學脈沖波識別觸摸屏技術

2．1聲學脈沖波識別觸摸屏結構

    圖1所示為APR觸摸屏的照片，圖2所示為APR觸摸屏的基本結構。APR觸摸屏的主體是一塊晶瑩基板，可以是光玻璃基板或其他可以傳輸聲波同時對聲波衰減較小的晶瑩基材，在基板四周的最外邊約5 mm區(qū)域里，用膠粘連了四個不對稱放置的壓電傳感器，平行邊的傳感器共地相連，探測到的信號通過柔性帶輸入到觸摸屏的控制器中。

圖1 APR觸摸屏照片
 

圖2 APR觸摸屏基本結構
 

2．2聲學脈沖波識別觸摸屏工作原理

    APR是以一種簡單的聲音辨識方法來測量璃上被接觸點的位置，其關鍵是在玻璃上每個位置觸壓時都會產(chǎn)生特殊的聲波。四個附在觸摸屏邊沿玻璃的微小壓電傳感器接收到壓觸的聲波，那個聲波由控制器數(shù)字化并進行小波改換提取小波系數(shù)的信號處置，接著與事先所記載下的玻璃上每個位置聲波的列表相比較，光標位置馬上被更新到觸摸位置。APR的設計可疏忽外來和四周噪音，因為它們與事先記載的聲波不吻合。

    小波改換就是將原始信號．s可分解成小波相近A與小波細節(jié)D之和，分析原始信號各種變化的特征，進一步用于數(shù)據(jù)壓縮、噪聲去除、特征選擇等。

    履行離散小波改換的有效方法是使用濾波器，該方法是Mallat于1988年提出的，稱為Mallat算法。這種方法實際上是一種信號分解的方法，在數(shù)字信號處置中常稱為雙通道子帶編碼。

    用濾波器履行離散小波改換的概念如圖3所示。S表達原始的輸入信號，通過兩個互補的濾波器組，其中一個濾波器為低通濾波器，通過該濾波器可獲得信號的相近值A(Approximations)，另一個為高通濾波器，通過該濾波器可獲得信號的細節(jié)值D(Detail)。

圖3離散小波信號分解
 

    在小波分析中，相近值是大的縮放因子計算的系數(shù)，表達信號的低頻重量，而細節(jié)值是小的縮放因子計算的系數(shù)，表達信號的高頻重量。實際應用中，信號的低頻重量往往是最重要的，而高頻重量只起一個修飾的作用。如同一個人的聲音一樣，把高頻重量去掉后，聽起來聲音會產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，但還能聽出說的是什么內(nèi)容，但如果把低頻重量刪除后，就會什么內(nèi)容也聽不出來了。原始信號通過一對互補的濾波器組進行的分解稱為一級分解，信號的分解過程也可以不斷進行下去，也就是說可以進行多級分解。如果對信號的高頻重量不再分解，而對低頻重量進行連續(xù)分解，就可以獲得信號不同辨別率下的低頻重量，這也稱為信號的多辨別率分析。實際中，分解的級數(shù)取決于要分析的信號數(shù)據(jù)特征及用戶的的確需要。一般在APR觸摸技術中分解到5級便能滿足要求。

    圖4所示為APR觸摸屏控制器框圖。觸摸屏上任意一點被觸摸后，產(chǎn)生的聲波經(jīng)屏四周的壓力傳感器接收并轉(zhuǎn)成模擬電信號，該信號通過柔帶傳送到觸摸屏的控制板，依據(jù)信號的強弱，控制板上的前置膨脹電路和自動電平增益控制電路等對信號進行預處置。如此，無論是屏尺寸大小，依然觸摸的強弱，送到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的電平幅度相對穩(wěn)定，位置特征要緊由聲波外形和到達不同傳感器的相差決定?？刂瓢迳系腁／D轉(zhuǎn)換器對模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將獲得的數(shù)字信號送到微控制器。微控制器的ROM內(nèi)存有用于離散小波改換的軟件，和控制板上的DSP一同完成對該數(shù)字信號的小波改換，計算出數(shù)字信號的小波系數(shù)，結合相關屏上觸點的位置信息并存于存貯器里。用同樣方法，形成觸摸屏上各點小波分解系數(shù)和對應的位置信息并記載在存貯器中，完成屏的位置聲學脈沖波特征初始化過程。

圖4 APR觸摸屏控制器框圖
 

    在觸摸屏正常工作時期：屏上某點被觸摸產(chǎn)生的聲波被壓電傳感器探測，并模擬電信號傳到觸摸控制板，在控制板上進行預處置并轉(zhuǎn)成數(shù)字信號，數(shù)字信號通過小波改換獲得該點的小波系數(shù)，微控制單元將算出的小波系數(shù)和與事先所記載下的玻璃上每個位置聲波的列表的小波系數(shù)相比較，比較兩者之間的相關性，決定該觸摸點的位置，通過通信單元向主機報告，光標位置馬上被更新到觸摸位置。

2．3聲學脈沖波識別觸摸屏的特點

    APR觸摸屏與其它試圖以收發(fā)器或麥克風來識別觸摸位置的技術不同，它使用一個簡單聲波表查尋方法，比那種沒有任何參考同時需要強有力又昂貴的信號處置硬件來試圖計算觸摸位置的方法要j高效和低成本。因此，APR是低成本的觸摸技術。

    APR觸摸屏的本體只是一塊玻璃，不也許使觸摸屏產(chǎn)生下述四種現(xiàn)象：減少光透射率，增加外表反照，降低清晰，轉(zhuǎn)變原來的色彩，因此不也許降低圖像質(zhì)量。

    APR觸摸屏可用于特殊的防暴型玻璃材質(zhì)在高破壞的環(huán)境里應用?？梢杂眉雍竦?、高溫及化學處置過的堅硬玻璃，來替代一般玻璃。除了有聲波技術優(yōu)異的光學質(zhì)量及不易被磨損的特質(zhì)外，APR觸摸屏還有其電阻技術可用手指、指甲、筆或觸控筆、或信用卡來觸控的特質(zhì)。

    APR觸摸屏有一個固定的坐標系統(tǒng)，不隨時間、位置、或環(huán)境的變動而轉(zhuǎn)變。如果顯示器的大小和位置是固定的，用APR觸控技術，不需使用后的校正。APR觸摸屏的傳感器是消沉工作，功耗省。該屏對水和其它污染物具有很好的抵御性。

    APR觸摸屏可加工成不同尺寸的觸摸屏，從適合于PDA使用的小尺寸觸摸屏到對角線107 cm顯示器用的大尺寸觸摸屏。

    總之，APR觸摸屏技術綜合了外表聲波觸摸技術及紅外線觸摸技術良好的光學性能及優(yōu)秀的耐久性和穩(wěn)定性的優(yōu)點；還兼有電容觸摸技術優(yōu)秀的拖曳及電阻屏可用觸摸筆、手套、指甲觸摸的優(yōu)點；另外它還具有電阻式觸摸屏低制造成本的優(yōu)點。

3 結語

    據(jù)電子制造土地的市場研究機構日本iSuppli公司報告，2006年全球觸摸屏出貨額為24。2億美元，到2012年這一市場將擴大80％，達成約44億美元。銷售量第一大的是電阻屏，其次是電容式、紅外式及聲表式觸摸屏，所有觸控技術會被改良和完美化同時降低成本。美商易觸控系統(tǒng)公司針對在零售和餐館POS市場應用上，最先提出APR技術，盡管
通過算法APR方法的觸摸屏可以獲得很高的辨別率，但目前APR的辨別率為1 mm。APR觸摸技術才剛結束，有巨大觸摸屏市場的牽引，相信APR觸摸技術會獲得快速發(fā)展。

參考文獻

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作者： 樊衛(wèi)華， 朱志軍， 虞炎秋，
作者單位：
樊衛(wèi)華,FAN Wei-hua(中國電子科技集團公司,第五十五研究所,南京,210016)
朱志軍,ZHUZhi-jun(中國人民解放軍駐七七二廠軍事代表室,南京,210009)
虞炎秋,YU Yan-qiu(國營第七七二廠,南京,210009)