聲學(xué)脈沖波識(shí)別觸摸屏技術(shù)
樊衛(wèi)華1，朱志軍2，虞炎秋3
(1．中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京210016；2．中國(guó)人民解放軍駐七七二廠軍事代表室，南京210009；3．國(guó)營(yíng)第七七二廠，南京210009)

摘要：分析了傳統(tǒng)的電阻、電容、紅外及聲表方式觸摸屏的特點(diǎn)和不足。介紹了聲學(xué)脈沖波識(shí)別觸摸屏結(jié)構(gòu)、工作原理和特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：觸摸屏；聲學(xué)脈沖波識(shí)別；小波變換；小波系數(shù)

中圖分類號(hào)：TN27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005—488X(2008)01—0007—04

    早期的觸摸屏技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代的美國(guó)軍方，隨著應(yīng)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(shù)，日本業(yè)者一直堅(jiān)持觸摸屏技術(shù)不轉(zhuǎn)移的策略。直到20世紀(jì)90年代，韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)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(guān)上有所突破，開始在觸摸屏市場(chǎng)上有了一席之地，但其生產(chǎn)能力和技術(shù)水平與日本業(yè)者相比還有較大差距。中國(guó)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主要分布在珠三角地區(qū)，但生產(chǎn)規(guī)模均較小，且供應(yīng)的產(chǎn)品主要以用于觸控開關(guān)的數(shù)字式及四線電阻式觸摸屏為主。

    今天，觸摸屏輸入方式已成為各種信息產(chǎn)品的主流輸入技術(shù)之一。觸摸屏的本質(zhì)是透明定位系統(tǒng)，它由觸摸檢測(cè)傳感器和觸摸屏控制器及相應(yīng)的軟件組成。觸摸檢測(cè)傳感器安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測(cè)用戶觸摸位置，接受后送觸摸屏控制器；觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點(diǎn)檢測(cè)裝置接收觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)送給CPU，同時(shí)能接收CPU發(fā)來(lái)的命令并加以執(zhí)行。目前，根據(jù)傳感器的類型不同，觸摸屏大致被分為紅外線式、電阻式、表面聲波式和電容式觸摸屏四種。這四種觸摸技術(shù)各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，應(yīng)用于不同的場(chǎng)合。

    隨著顯示技術(shù)的發(fā)展和普及，人們需要更高性能的觸摸屏技術(shù)。聲學(xué)脈沖波識(shí)別(Acoustic pulserecognition，簡(jiǎn)稱APR)觸摸屏技結(jié)合了電阻技術(shù)的可用觸控筆和可密封防水飛濺及抗污物的特點(diǎn)，并加上了紅外線技術(shù)及聲波技術(shù)的純凈玻璃的光學(xué)及抗磨損的特點(diǎn)，本文將對(duì)其結(jié)構(gòu)、原理及性能進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 聲學(xué)脈沖波識(shí)別觸摸屏開發(fā)背景

1．1 電阻式觸摸原理及存在問(wèn)題

    電阻觸摸屏的屏體部分是一塊多層復(fù)合薄膜，由一層玻璃或有機(jī)玻璃作為基層，表面涂有一層透明的導(dǎo)電層(ITO膜)，上面再蓋有一層外表面經(jīng)過(guò)硬化處理、光滑防刮的塑料層。它的內(nèi)表面也涂有一層ITO，在兩層導(dǎo)電層之間有許多細(xì)小(幾十微米高)的透明隔離點(diǎn)把它們隔開。當(dāng)手指接觸屏幕時(shí)，兩層ITO發(fā)生接觸，探測(cè)該點(diǎn)X或Y方向的電位，控制器根據(jù)檢測(cè)到的電位來(lái)計(jì)算接觸點(diǎn)的坐標(biāo)，再依照這個(gè)坐標(biāo)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的操作。電阻式觸摸屏依電極配線方式又可分為四線式、五線式、七線式及八線式等。而依面板構(gòu)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(yīng)用形式，技術(shù)亦最成熟且價(jià)格便宜。

    但是，電阻式觸摸屏有兩層lT0膜層，導(dǎo)致觸摸屏的透過(guò)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，反射也大，因此造成在明亮環(huán)境或陽(yáng)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(huì)降低透光率且形成內(nèi)反射降低清晰度。由于經(jīng)常被觸動(dòng)，表層IT0使用一定時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)細(xì)小裂紋，對(duì)于四線電阻屏來(lái)說(shuō)，這會(huì)導(dǎo)致功能失效，因此其壽命并不長(zhǎng)久。五線電阻式觸摸屏?xí)霈F(xiàn)因其銀電極的電阻在使用過(guò)程中隨時(shí)間變化而變化，導(dǎo)致觸摸位置的漂移。

1．2 電容式觸摸屏原理及存在問(wèn)題

    電容式觸摸屏的四邊均鍍上了狹長(zhǎng)的電極，在工作時(shí)其內(nèi)部形成一個(gè)低電壓交流電場(chǎng)。觸摸屏上有一層透明的導(dǎo)電薄膜層和絕緣薄膜層。當(dāng)用戶觸摸電容屏?xí)r，用戶手指和工作面形成一個(gè)耦合電容，因?yàn)楣ぷ髅嫔辖佑懈哳l信號(hào)，于是手指會(huì)吸走一個(gè)很小的電流，這個(gè)電流分別從屏的四個(gè)角上的電極中流出，控制器通過(guò)對(duì)四個(gè)電流比例的精密計(jì)算，即可得出接觸點(diǎn)位置。電容式觸摸屏具有防塵、防火、防刮、強(qiáng)固耐用及具有高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，電容式技術(shù)應(yīng)用范圍比較廣泛。

    但是，由于有ITO鍍層，電容式觸摸屏對(duì)環(huán)境光有一定反射，影響整個(gè)顯示系統(tǒng)的亮室對(duì)比度。電容屏在原理上把人體當(dāng)作一個(gè)電容器的一個(gè)電極使用，當(dāng)有導(dǎo)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(shí)，流走的電流就會(huì)引起電容屏的誤動(dòng)作。電容屏的另一個(gè)缺點(diǎn)是用戴手套的手或手持不導(dǎo)電的物體觸摸時(shí)沒(méi)有反應(yīng)，這是因?yàn)樵黾恿烁鼮榻^緣的介質(zhì)。電容屏更主要的缺點(diǎn)是漂移：當(dāng)環(huán)境溫度、濕度改變，或環(huán)境電場(chǎng)發(fā)生改變時(shí)，都會(huì)引起電容屏的漂移，造成觸摸點(diǎn)位置探不準(zhǔn)確，在工作現(xiàn)場(chǎng)也經(jīng)常需要校準(zhǔn)。

1．3紅外線式觸摸屏原理及存在問(wèn)題

    紅外觸摸屏是利用X、Y方向上密布的紅外線矩陣來(lái)檢測(cè)并定位用戶的觸摸，紅外觸摸屏在顯示器的前面安裝一個(gè)電路板外框，電路板在屏幕四邊排布紅外發(fā)射管和紅外接收管，一一對(duì)應(yīng)形成橫豎交叉的紅外線矩陣，用戶在觸摸屏幕時(shí)，手指就會(huì)擋住經(jīng)過(guò)該位置的橫豎兩條紅外線，因而可以判斷出觸摸點(diǎn)在屏幕的位置。早期，紅外觸摸屏存在分辨率低、觸摸方式受限制和易受環(huán)境干擾而誤動(dòng)作等技術(shù)上的局限，因而一度淡出過(guò)市場(chǎng)，此后第二代紅外屏分解決了抗光干擾的問(wèn)題，第三代和第四代在提升分辨率和穩(wěn)定性能上亦有所改進(jìn)，但都沒(méi)有在關(guān)鍵指標(biāo)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，適宜于某些惡劣的環(huán)境。

    但是，紅外線觸摸屏制造成本高，觸摸屏的周要布置發(fā)射和接收電路，有效利用空間的能力下降。另外紅外屏在工作狀態(tài)下不斷接收和發(fā)射，功耗較大，不適合在移動(dòng)或便攜產(chǎn)品中應(yīng)用。

1．4表面聲波觸摸屏原理及存在問(wèn)題

    表面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)表面淺層傳播的機(jī)械能量波。聲波屏的三個(gè)角分別粘貼著X，Y方向的發(fā)射和接收聲波的換能器。發(fā)射換能器將觸摸屏電纜送來(lái)的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲波能，接收換能器將反射條紋匯聚成的表面聲波能變?yōu)殡娦盘?hào)，四個(gè)邊刻著反射表面超聲波的反射條紋。當(dāng)手指或軟性物體觸摸屏幕，部分聲波能量被吸收，于是改變了接收信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制器的處理得到觸摸的X，Y坐標(biāo)。表面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(yīng)靈敏、不受溫度、濕度等環(huán)境因素影響、分辨率高、壽命長(zhǎng)(維護(hù)良好情況下5 000萬(wàn)次)等優(yōu)點(diǎn)；透光率高(92％)，能保持清晰透亮的圖像質(zhì)量；沒(méi)有漂移，只需安裝時(shí)一次校正；有第三軸(即壓力軸)響應(yīng)，因此目前在公共場(chǎng)所使用較多。

    表面聲波屏需要經(jīng)常維護(hù)，因?yàn)榛覊m、油污甚至飲料的液體玷污在屏的表面，都會(huì)阻塞觸摸屏表面的導(dǎo)波槽，使波不能正常發(fā)射，或使波形改變而控制器無(wú)法正常識(shí)別，從而影響觸摸屏的正常使用。用戶需嚴(yán)格注意環(huán)境衛(wèi)生，必須經(jīng)常擦抹屏的表面以保持屏面的光潔，并定期作一次全面徹底擦除。另外表面聲波觸摸屏在工作狀態(tài)下不斷接收和發(fā)射，功耗較大，不適合在移動(dòng)或便攜產(chǎn)品中應(yīng)用。

    以上四大方式的觸摸屏技術(shù)都存在這樣或那樣的局限，人們?nèi)栽诓粩鄬ふ腋玫姆椒▉?lái)集合各種觸摸技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，克服不足，滿足高度發(fā)展的電子產(chǎn)品的需求。聲學(xué)脈沖波識(shí)別觸摸屏技術(shù)正是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生。

2 聲學(xué)脈沖波識(shí)別觸摸屏技術(shù)

2．1聲學(xué)脈沖波識(shí)別觸摸屏結(jié)構(gòu)

    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(jié)構(gòu)。APR觸摸屏的主體是一塊透明基板，可以是光玻璃基板或其他可以傳輸聲波并且對(duì)聲波衰減較小的透明基材，在基板四周的最外邊約5 mm區(qū)域里，用膠粘連了四個(gè)不對(duì)稱放置的壓電傳感器，平行邊的傳感器共地相連，探測(cè)到的信號(hào)通過(guò)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(jié)構(gòu)
 

2．2聲學(xué)脈沖波識(shí)別觸摸屏工作原理

    APR是以一種簡(jiǎn)單的聲音辨識(shí)方式來(lái)測(cè)量璃上被接觸點(diǎn)的位置，其關(guān)鍵是在玻璃上每個(gè)位置觸壓時(shí)都會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的聲波。四個(gè)附在觸摸屏邊緣玻璃的微小壓電傳感器接收到壓觸的聲波，這個(gè)聲波由控制器數(shù)字化并進(jìn)行小波變換提取小波系數(shù)的信號(hào)處理，然后與事先所記錄下的玻璃上每個(gè)位置聲波的列表相比較，光標(biāo)位置立即被更新到觸摸位置。APR的設(shè)計(jì)可忽略外來(lái)和四周噪音，因?yàn)樗鼈兣c事先記錄的聲波不吻合。

    小波變換就是將原始信號(hào)．s可分解成小波近似A與小波細(xì)節(jié)D之和，分析原始信號(hào)各種變化的特性，進(jìn)一步用于數(shù)據(jù)壓縮、噪聲去除、特征選擇等。

    執(zhí)行離散小波變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(shí)際上是一種信號(hào)分解的方法，在數(shù)字信號(hào)處理中常稱為雙通道子帶編碼。

    用濾波器執(zhí)行離散小波變換的概念如圖3所示。S表示原始的輸入信號(hào)，通過(guò)兩個(gè)互補(bǔ)的濾波器組，其中一個(gè)濾波器為低通濾波器，通過(guò)該濾波器可得到信號(hào)的近似值A(chǔ)(Approximations)，另一個(gè)為高通濾波器，通過(guò)該濾波器可得到信號(hào)的細(xì)節(jié)值D(Detail)。

圖3離散小波信號(hào)分解
 

    在小波分析中，近似值是大的縮放因子計(jì)算的系數(shù)，表示信號(hào)的低頻分量，而細(xì)節(jié)值是小的縮放因子計(jì)算的系數(shù)，表示信號(hào)的高頻分量。實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)的低頻分量往往是最重要的，而高頻分量只起一個(gè)修飾的作用。如同一個(gè)人的聲音一樣，把高頻分量去掉后，聽起來(lái)聲音會(huì)發(fā)生改變，但還能聽出說(shuō)的是什么內(nèi)容，但如果把低頻分量刪除后，就會(huì)什么內(nèi)容也聽不出來(lái)了。原始信號(hào)經(jīng)過(guò)一對(duì)互補(bǔ)的濾波器組進(jìn)行的分解稱為一級(jí)分解，信號(hào)的分解過(guò)程也可以不斷進(jìn)行下去，也就是說(shuō)可以進(jìn)行多級(jí)分解。如果對(duì)信號(hào)的高頻分量不再分解，而對(duì)低頻分量進(jìn)行連續(xù)分解，就可以得到信號(hào)不同分辨率下的低頻分量，這也稱為信號(hào)的多分辨率分析。實(shí)際中，分解的級(jí)數(shù)取決于要分析的信號(hào)數(shù)據(jù)特征及用戶的具體需要。一般在APR觸摸技術(shù)中分解到5級(jí)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(diǎn)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(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)柔帶傳送到觸摸屏的控制板，根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱，控制板上的前置放大電路和自動(dòng)電平增益控制電路等對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。這樣，無(wú)論是屏尺寸大小，還是觸摸的強(qiáng)弱，送到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的電平幅度相對(duì)穩(wěn)定，位置特征主要由聲波形狀和到達(dá)不同傳感器的相差決定?？刂瓢迳系腁／D轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將獲得的數(shù)字信號(hào)送到微控制器。微控制器的ROM內(nèi)存有用于離散小波變換的軟件，和控制板上的DSP一同完成對(duì)該數(shù)字信號(hào)的小波變換，計(jì)算出數(shù)字信號(hào)的小波系數(shù)，結(jié)合相關(guān)屏上觸點(diǎn)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(diǎn)小波分解系數(shù)和對(duì)應(yīng)的位置信息并記錄在存貯器中，完成屏的位置聲學(xué)脈沖波特征初始化過(guò)程。

圖4 APR觸摸屏控制器框圖
 

    在觸摸屏正常工作階段：屏上某點(diǎn)被觸摸產(chǎn)生的聲波被壓電傳感器探測(cè)，并模擬電信號(hào)傳到觸摸控制板，在控制板上進(jìn)行預(yù)處理并轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)小波變換得到該點(diǎn)的小波系數(shù)，微控制單元將算出的小波系數(shù)和與事先所記錄下的玻璃上每個(gè)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(guān)性，決定該觸摸點(diǎn)的位置，通過(guò)通信單元向主機(jī)報(bào)告，光標(biāo)位置立即被更新到觸摸位置。

2．3聲學(xué)脈沖波識(shí)別觸摸屏的特點(diǎn)

    APR觸摸屏與其它試圖以收發(fā)器或麥克風(fēng)來(lái)識(shí)別觸摸位置的技術(shù)不同，它使用一個(gè)簡(jiǎn)單聲波表查尋方式，比那種沒(méi)有任何參考而且需要強(qiáng)有力又昂貴的信號(hào)處理硬件來(lái)試圖計(jì)算觸摸位置的方式要j高效和低成本。所以，APR是低成本的觸摸技術(shù)。

    APR觸摸屏的本體只是一塊玻璃，不會(huì)使觸摸屏產(chǎn)生下述四種現(xiàn)象：減少光透射率，增加表面反射，降低清晰，改變?cè)瓉?lái)的色彩，因此不會(huì)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(yīng)用?？梢杂眉雍竦?、高溫及化學(xué)處理過(guò)的堅(jiān)硬玻璃，來(lái)替代普通玻璃。除了有聲波技術(shù)優(yōu)異的光學(xué)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(shù)可用手指、指甲、筆或觸控筆、或信用卡來(lái)觸控的特質(zhì)。

    APR觸摸屏有一個(gè)固定的坐標(biāo)系統(tǒng)，不隨時(shí)間、位置、或環(huán)境的變動(dòng)而改變。如果顯示器的大小和位置是固定的，用APR觸控技術(shù)，不需使用后的校正。APR觸摸屏的傳感器是被動(dòng)工作，功耗省。該屏對(duì)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(duì)角線107 cm顯示器用的大尺寸觸摸屏。

    總之，APR觸摸屏技術(shù)綜合了表面聲波觸摸技術(shù)及紅外線觸摸技術(shù)良好的光學(xué)性能及優(yōu)秀的耐久性和穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)；還兼有電容觸摸技術(shù)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(diǎn)；此外它還具有電阻式觸摸屏低制造成本的優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

    據(jù)電子制造領(lǐng)域的市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)日本iSuppli公司報(bào)告，2006年全球觸摸屏出貨額為24。2億美元，到2012年這一市場(chǎng)將擴(kuò)大80％，達(dá)到約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(shù)會(huì)被改良和完美化并且降低成本。美商易觸控系統(tǒng)公司針對(duì)在零售和餐館POS市場(chǎng)應(yīng)用上，最先提出APR技術(shù)，雖然
通過(guò)算法APR方式的觸摸屏可以獲得很高的分辨率，但目前APR的分辨率為1 mm。APR觸摸技術(shù)才剛開始，有巨大觸摸屏市場(chǎng)的牽引，相信APR觸摸技術(shù)會(huì)獲得快速發(fā)展。

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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(guó)電子科技集團(tuán)公司,第五十五研究所,南京,210016)
朱志軍,ZHUZhi-jun(中國(guó)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(guó)營(yíng)第七七二廠,南京,210009)