基于多功能触笔的PC触摸屏系统

    目前触摸屏单点定位技术十分成熟，其本质是以触摸的方式代替传统的电脑鼠标的操作[1]。鼠标的操作包含“移动指针”和“按下按键”等不同的操作以及其组合。而现有的电脑触摸屏则是：

    (1)以一次触摸实现“移动指针”并“按下左键”两个操作，并不能区分用户的意图是仅“移动指针”、仅“按下按键”还是“移动指针”并“按下按键”，也不能区分用户想要按左键还是右键。

    (2)以一次触摸实现“移动指针”并“按下某按键”两个操作，通过某种方式切换触摸所实现的功能，在“移动指针并按左键”、“移动指针并按右键”两种功能中选择一种。在实际使用中，需要频繁地切换功能[2]。

    由此可见，目前的触摸屏系统对鼠标功能的实现不够完全，且缺乏效率。因此需要有一种方法和设备，能够允许电脑触摸屏同时支持“单独移动指针”、“单独滚动滚轮”、“单独按下或抬起按键”以及“移动指针”、“滚动滚轮”、“按下或抬起按键”三者的任意组合操作,免去频繁地切换功能,实现对传统电脑鼠标的完全替代[3]。

    支持带有按键和滚轮的触笔的电脑触摸屏系统为完全模拟电脑鼠标功能提供了一种巧妙的解决方案。下面介绍系统各组成部分的组成原理以及系统的工作方法。

    1 系统硬件构成

    系统硬件构成框图如图1所示。触摸屏系统由触摸屏、带有按键和滚轮的触笔、控制器三部分组成。

    1.1 触摸屏

    触摸屏由触摸面板和显示器件组成。触摸面板可以是四线电阻式触摸面板，用于检测带有按键和滚轮的触笔的笔尖触碰的位置，输出横、纵两路由模拟电压量表示的触碰位置信号到控制器中A/D(模数)转换电路[4]；显示器件可以是电脑本来的显示器或额外的显示屏。显示器件作为电脑的显示设备,与电脑的显示器接口连接，显示电脑输出的图像信号，图像信号包括指针的位置。

    1.2 带有按键和滚轮的触笔

    带有按键和滚轮的触笔包含笔尖、左键、右键、滚轮、无线编码发射电路。

    笔尖碰触触摸屏的触摸面板以确定显示器件上的指针移动目的地的位置，碰触由触摸面板感受。

    左键、右键可以按下/抬起。滚轮既可以按下/抬起，也可以向上/下滚动。左键、右键、滚轮分别产生3路1位数字信号，信号分别表示左键、右键、中键（滚轮）的按下/抬起。另外,滚轮向上/下滚动时，分别产生两路方波数字信号，方波数字信号每个周期表示向上/下滚动一个单位。

    无线编码发射电路采用无线编码发射芯片PT2262，从管脚D0~D4接收用户按下、抬起按键或滚动滚轮的数字电压信号，其中D0接收左键按下/抬起信号，D1接收右键按下/抬起信号，D2接收中键（滚轮）按下/抬起信号，D3接收滚轮上滚信号，D4接收滚轮下滚信号。这5路1位数字电压信号被PT2262编码成一路1位数字信号并无线传输给控制器中无线接收解码电路(无线信号频率为315 MHz，采用ASK调制方式调制)。

    1.3 控制器

    控制器包含A/D转换电路、无线接收解码电路、主控电路和接口电路。A/D转换电路包含一个2路12 bit A/D转换芯片ADS7843，从CLK和DIN端口接收主控电路输出的控制信号，从X+、X-、Y+、Y-四个端口接收触摸面板输出的横、纵两路模拟电压量表示的触碰位置信号，并将其转换为横、纵两路数字电压量表示的位置坐标值，编码成一路1位串行数字信号，输出给主控电路，并从PENIRQ端口输出1位数字信号表示是否发生碰触，输出给主控电路[5]。

    无线接收解码电路包含一个无线接收解码芯片PT2272，用于接收带有按键和滚轮的触笔上无线编码发射电路所发射的无线信号(无线信号频率为315 MHz，采用ASK调制方式调制)。对无线信号解码为表示用户按下、抬起按键或滚动滚轮的数字电压信号，从管脚D0~D4输出，其中D0输出左键按下/抬起信号，D1输出右键按下/抬起信号，D2输出中键（滚轮）按下/抬起信号，D3输出滚轮上滚信号，D4输出滚轮下滚信号，这5路1位数字信号分别传输到主控电路中89C52的输入端口P10~P14。

    主控电路包括一个型号89C52的MCU,作为主控部分，用于处理信号和控制整个系统。主控电路的89C52从端口P20、P21输出对A/D转换电路的控制信号(时钟和控制字)，从端口P22接收A/D转换电路返回的横、纵两路数字电压量表示的位置坐标值(1位数字串行信号)，从P23接收A/D转换电路返回的PENIRQ信号(1位数字信号)，并从端口P10~P14接收无线接收解码电路输出的表示用户按下、抬起按键或滚动滚轮的数字电压信号(共5个1位数字信号)，P10接收左键按下/抬起信号，P11接收右键按下/抬起信号，P12接收中键（滚轮）按下/抬起信号，P13接收滚轮上滚信号，P14接收滚轮下滚信号。主控电路依据接口类型（如USB接口）进行编码处理。主控电路的89C52从端口P00~P07输出需要发送给电脑的控制信号和数据流（共8位数字信号）到接口电路。

    接口电路包括一个USB接口芯片PDIUSB D12，用于与电脑外设接口(对应USB接口芯片PDIUSB D12，则为USB接口)连接，实现与电脑的通信。接口电路从PDIUSB D12的端口D0~D7接收主控电路输出的控制信号和数据流(共8 bit数字信号)，并通过双向端口X1、X2与电脑接口进行数字通信，让电脑通过显示器接口传输图像数据，移动显示器件上显示的指针，并实现电脑上的按键和滚轮操作功能。

    2 系统工作方法

    图2是本触摸屏系统的工作原理示意图。其工作原理包含6个过程：初始化、用户输入、信号传递和处理、主控处理、与电脑通信和电脑处理。

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    2.1 初始化过程

    初始化过程包含子过程物理连接、设备识别和驱动。

    物理连接：触摸屏系统通过控制器中接口电路上的接口与电脑外设接口连接。

    设备识别和驱动：控制器中的主控电路通过数字信号控制接口电路与电脑进行通信,本系统采用USB协议，使电脑完成USB设备识别与USB设备驱动的过程。

    2.2 用户输入过程

    用户输入过程包含两个相互独立的过程:碰触定位和按键滚轮操作。

    (1)碰触定位：用户使用带有按键和滚轮的触笔的笔尖碰触触摸屏的触摸面板，以向触摸屏系统表示期望显示器件上的指针移动到的位置。触摸面板将此位置以横、纵两路由模拟电压量表示的触碰位置信号的形式输出到A/D转换电路。

    (2)按键滚轮操作：用户按下、抬起带有按键和滚轮的触笔上的按键或滚动滚轮，以向触摸屏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,输入到无线编码发射电路中。

    2.3 信号传递和处理过程

    信号传递和处理过程包含两个独立的处理过程：A/D转换和无线收发。

    A/D转换：A/D转换电路接收主控电路输出的控制信号后开始工作，如果触摸面板输出了横、纵两路模拟电压量表示的触碰位置信号，ADS7843则将其转换为横、纵两路12位数字电压量表示的位置坐标值，输出到主控电路[6]。

    无线收发：触笔的无线编码发射电路对按下、抬起触笔上的按键或滚动滚轮产生数字的电压信号并进行编码，将编码后的无线信号发射给控制器上的无线接收解码电路。控制器上的无线接收解码电路接收此无线信号，并对其解码，还原成表示用户按下、抬起按键或滚动滚轮的数字电压信号，输出到主控电路。

    2.4 主控处理过程

    主控处理过程全部在89C52的程序模块中完成。图3是主控电路89C52的程序模块示意图。89C52的程序模块包括：碰触定位模块、USB编码模块和输出模块。

    碰触定位模块以一定频率输出数字的控制信号，即A/D转换芯片的时钟和控制字，从端口P20、P21输出给A/D转换电路。如果P24接口接收到的1位数字信号PENIRQ显示发生碰触[5]，则从端口P23接收A/D转换电路输出的一路1位串行数字信号DOUT，从中读取出碰触位置的坐标值X、Y，经过如下计算修正：X′=k1×X+X0、Y′=k2×Y+Y0（其中k1、k2、X0、Y0是给定参数，可设计校准功能以确定这些参数），最终得到移动指针的目的地坐标值X′、Y′，输送给USB编码模块。

    USB编码模块一旦接收到碰触定位模块输出的移动指针的目的地坐标值X′、Y′，或接收到按键和/或滚轮操作信号时，则将其编码为USB协议要求的格式，传递给输出模块。具体如何编码，取决于USB报告中将触摸屏系统描述为何种设备，设计者可以自行决定设备类型。

    输出模块将移动指针、按键操作、滚轮操作信号和接口电路控制信号共8位数字信号通过端口P00~P07输出给接口电路。

    2.5 与电脑通信过程

    如图1所示，接口电路受主控电路输出的控制信号控制，接收主控电路输出的需要发送给电脑的数据流，发送给电脑外设接口。

    2.6 电脑处理过程

    如图2所示,该过程包含信号解码和两个独立过程(移动指针和/或实现按键滚轮功能)：

    电脑处理电脑外设接口接收到的USB信号，解码得到依据用户期望的指针移动位置和按下、抬起按键或滚动滚轮操作的意图,根据此意图，移动显示器件上显示的指针和/或完成按键和滚轮操作对应的电脑功能(见图1)。电脑处理过程结束后，系统回到用户输入过程循环工作。

    本文介绍的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，具备相似的成本，但性能更优，能够实现市场同类产品难以实现的功能；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为用户提供更多方便；支持带有按键和滚轮的触笔的电脑触摸屏系统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。