一种红外屏电路的驱动电流自适应调节方案

分类：解决方案日期：2007-03-16 00:00:00

摘要：本文分析了现有红外触摸屏寿命较短的原因，提出了一种驱动电流自适应调节的红外触摸屏电路结构，以及自适应调节方法，同时给出了坐标归一化计算方法。本文提出的方法能够根据接收信号强弱对红外发光管驱动电流进行补偿，采用此项技术设计的红外触摸屏电路具有较强的抗干扰能力，其使用寿命也大大延长。
0 引言
　　红外触摸屏作为一种特殊的计算机外设，它是方便、简单、自然的输入手段，广泛应用于ATM、办公设备、以及医疗设备上。红外光发射元件在使用中会发生老化，发光效率降低，接收元件的灵敏度下降。因此延缓其老化，弥补其老化造成的影响以延长红外线触摸屏的使用寿命，是技术人员所一直追求的[1]。本文提出新的电路结构和控制方法，可以最大限度地延长红外发射管的工作寿命，同时使接收信号保持良好的信噪比。同时本文提出检测信号的零点值、满度值校准方法和检测信号归一化方法，配合本文给出的电路和控制方法，可方便后续的检测计算工作。

1 现有红外触摸屏电路结构的分析

　　如图1所示，现有技术的红外触摸屏电路包括模拟开关、驱动电流限制电路、信号收取电路、信号处理电路、数控增益放大器以及A/D转换器。模拟开关用以选择某一发射元件，并由驱动电流限制电路向该元件提供驱动电流以使其发光。

　　图1所示电路的技术方案存在以下缺点：
· 电路设计上都将驱动电流设定为固定值，这样会形成两难局面：A、如果驱动电流较大，发射元件易老化；B、如果驱动电流较小，使用一段时间后会有个别发射元件的发光能力变弱，受其影响该红外屏无法继续使用。
·当某发射元件的发光效率太小时，接收到的光信号和后续检测信号都比较弱，抗外界光干扰能力变弱。
2 自适应调节电流的电路结构设计
　　本文设计的红外触摸屏电路如图2所示，该装置包括：驱动选择电路、信号收取电路、信号处理电路、A/D转换器、检测调校控制单元、数控驱动电路。
　　将图2与图1相对照，本文的技术方案进行了如下改进：
· 省却了图1中的数控增益放大器，将信号处理电路的放大系数设定为合适的固定数值。
· 如图2所示，现有技术的驱动电流限制电路已被这里虚线框21所示的数控驱动电路所替换。
· 增加了探测装置，用以探测操作体或操作者的接近。

3 驱动电流自适应调节方案的设计
3.1 基本思路
　　当探测装置发现没有操作体靠近红外触摸屏时，红外触摸屏电路工作在调整校准工作模式下，检测调校控制单元根据接收信号强弱对红外发光管驱动电流进行补偿。
　　调整校准方法的基本设计思想如下：
· 最初在检测工作中用能使红外光信号达到检测工作最低要求的驱动电流下限值I0做为起始值驱动发射元件发光，以延缓红外发射元件发光效率参数的老化衰减。
· 随着发射元件发光效率参数的降低，给驱动电流增加相应的补偿量，以维持该发射元件所发出的红外光的强度大体不变，从而延长了该发射元件的后期可用时段[3]。

· 分别保存各路检测信号的零点值和满度值以确定各路检测信号的量程范围，解决各接收元件参数和发射元件参数的离散所形成的检测信号量程离散偏差。
3.2 参数选择方案
　　在电路设计和参数选取方面，基本方法是：
· 适当设计实数控驱动电路的有关参数，使得D/A转换器输出为最大值DM时，驱动电流放大电路输出的最大驱动电流IM等于或略小于（比如小5%）红外发射元件的最大允许驱动电流IM。做为驱动电流起始值的前述驱动电流下限值I0可根据实验确定，一般可选为IM的若干分之一，比如1/10、1/5或1/2。
· 选择一对红外发射元件和接收元件，其各自的发光效率参数和光电灵敏度系数都等于其各自的最大允许值，并将这一对红外元件按照实际应用条件相对设置。适当设计固化信号处理电路和A/D转换器的有关参数，使得向所选发射元件提供的驱动电流ID为I0时，与所选接收元件相应的检测信号UT的幅值略小于（比如小3%或10%）A/D转换器的满度值UM，此时的检测信号UT的幅值称为检测信号的高端参考值URT。

· 再选择一对红外发射元件和接收元件，其各自的发光效率参数和光电灵敏度系数都等于其各自的最小允许值，并将这一对红外元件按照实际应用条件相对设置。此时向所选发射元件提供驱动电流I0，则与所选接收元件相应的检测信号UT的幅值称为检测信号的低端参考值URB。
· 随着时间的推移，发射元件老化，其发光效率参数逐渐降低，检测信号的幅值也随之减小，需要对驱动电流进行前述的补偿。测算元件参数是否发生了衰减及其衰减程度，可行的方法是预定一个检测信号的参考值UR，并将测得的检测信号与之相比较，根据检测信号相对该参考值的偏差程度，给驱动电流增加相应的补偿量。检测信号参考值UR选取URT和URB的平均值（URT+URB）/2，因为URB经常被设计为满足信噪比和抗干扰要求的检测信号下限值。UR值选取得较大，驱动电流会向较大值调整看齐，检测信号信噪比和抗干扰能力就越强，但发射元件老化速度也就越快。
　　选定了参考值UR后，调整和校准的一种具体流程如图3所示。

4 坐标归一化算法
　　对检测信号的处理利用方面，可以将检测信号按线性处理利用，或按二次或三次曲线拟合后进行其它计算[4]。为了后续计算的方便，可以先对检测信号进行归一化处理。第i路检测信号UT(i)对其正轴满度值的归一化数值为：
　　UT(i)=[UT(i)-U0(i)]/[UF(i)-U0(i)]
　　式中UF(i)-U0(i)代表检测信号量程，UT(i)的范围为0～1，这样各路检测信号之间就具有了可比性，归一化后，对各路信号的计算处理可以用一套统一的计算式完成，各参数标准也对各路信号一致通用。当然，也可以按照其它比例系数进行归一化。下面给出X轴坐标的计算流程图，Y轴的坐标计算流程类似。