聲學脈沖波識別觸摸屏技術
樊衛華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：分析了傳統的電阻、電容、紅外及聲表方式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
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，日本業者開發出適合批量生產的觸摸屏生產工藝，并逐步控制了全球80％以上的觸摸屏生產能力。為了控制觸摸屏的生產技術，日本業者一直堅持觸摸屏技術不轉移的策略。直到20世紀90年代，韓國和中國臺灣地區的廠商才先后在觸摸屏的工藝及批量生產攻關上有所突破，開始在觸摸屏市場上有了一席之地，但其生產能力和技術水平與日本業者相比還有較大差距。中國大陸觸摸屏制造業起步更晚。目前十幾家電阻式觸摸屏制造商主要分布在珠三角地區，但生產規模均較小，且供應的產品主要以用于觸控開關的數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品的主流輸入技術之一。觸摸屏的本質是透明定位系統，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，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檢測裝置接收觸摸信息，并將它轉換成觸點坐標送給CPU，同時能接收CPU發來的命令并加以執行。目前，根據傳感器的類型不同，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。這四種觸摸技術各有優點和缺點，應用于不同的場合。
隨著顯示技術的發展和普及，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，表面涂有一層透明的導電層(ITO膜)，上面再蓋有一層外表面經過硬化處理、光滑防刮的塑料層。它的內表面也涂有一層ITO，在兩層導電層之間有許多細小(幾十微米高)的透明隔離點把它們隔開。當手指接觸屏幕時，兩層ITO發生接觸，探測該點X或Y方向的電位，控制器根據檢測到的電位來計算接觸點的坐標，再依照這個坐標來進行相應的操作。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，反射也大，因此造成在明亮環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反射降低清晰度。由于經常被觸動，表層IT0使用一定時間后會出現細小裂紋，對于四線電阻屏來說，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，在工作時其內部形成一個低電壓交流電場。觸摸屏上有一層透明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，于是手指會吸走一個很小的電流，這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、強固耐用及具有高分辨率等優點，電容式技術應用范圍比較廣泛。
但是，由于有ITO鍍層，電容式觸摸屏對環境光有一定反射，影響整個顯示系統的亮室對比度。電容屏在原理上把人體當作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。電容屏的另一個缺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。電容屏更主要的缺點是漂移：當環境溫度、濕度改變，或環境電場發生改變時，都會引起電容屏的漂移，造成觸摸點位置探不準確，在工作現場也經常需要校準。
1．3紅外線式觸摸屏原理及存在問題
紅外觸摸屏是利用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發射管和紅外接收管，一一對應形成橫豎交叉的紅外線矩陣，用戶在觸摸屏幕時，手指就會擋住經過該位置的橫豎兩條紅外線，因而可以判斷出觸摸點在屏幕的位置。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分辨率和穩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境。
但是，紅外線觸摸屏制造成本高，觸摸屏的周要布置發射和接收電路，有效利用空間的能力下降。另外紅外屏在工作狀態下不斷接收和發射，功耗較大，不適合在移動或便攜產品中應用。
1．4表面聲波觸摸屏原理及存在問題
表面聲波是超聲波的一種，它是在介質(例如玻璃或金屬等剛性材料)表面淺層傳播的機械能量波。聲波屏的三個角分別粘貼著X，Y方向的發射和接收聲波的換能器。發射換能器將觸摸屏電纜送來的電信號轉化為聲波能，接收換能器將反射條紋匯聚成的表面聲波能變為電信號，四個邊刻著反射表面超聲波的反射條紋。當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，經過控制器的處理得到觸摸的X，Y坐標。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、反應靈敏、不受溫度、濕度等環境因素影響、分辨率高、壽命長(維護良好情況下5 000萬次)等優點；透光率高(92％)，能保持清晰透亮的圖像質量；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。
表面聲波屏需要經常維護，因為灰塵、油污甚至飲料的液體玷污在屏的表面，都會阻塞觸摸屏表面的導波槽，使波不能正常發射，或使波形改變而控制器無法正常識別，從而影響觸摸屏的正常使用。用戶需嚴格注意環境衛生，必須經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下不斷接收和發射，功耗較大，不適合在移動或便攜產品中應用。
以上四大方式的觸摸屏技術都存在這樣或那樣的局限，人們仍在不斷尋找更好的方法來集合各種觸摸技術的優點，克服不足，滿足高度發展的電子產品的需求。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透明基板，可以是光玻璃基板或其他可以傳輸聲波并且對聲波衰減較小的透明基材，在基板四周的最外邊約5 mm區域里，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式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生獨特的聲波。四個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，這個聲波由控制器數字化并進行小波變換提取小波系數的信號處理，然后與事先所記錄下的玻璃上每個位置聲波的列表相比較，光標位置立即被更新到觸摸位置。APR的設計可忽略外來和四周噪音，因為它們與事先記錄的聲波不吻合。
小波變換就是將原始信號．s可分解成小波近似A與小波細節D之和，分析原始信號各種變化的特性，進一步用于數據壓縮、噪聲去除、特征選擇等。
執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。這種方法實際上是一種信號分解的方法，在數字信號處理中常稱為雙通道子帶編碼。
用濾波器執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，通過兩個互補的濾波器組，其中一個濾波器為低通濾波器，通過該濾波器可得到信號的近似值A(Approximations)，另一個為高通濾波器，通過該濾波器可得到信號的細節值D(Detail)。
圖3離散小波信號分解
在小波分析中，近似值是大的縮放因子計算的系數，表示信號的低頻分量，而細節值是小的縮放因子計算的系數，表示信號的高頻分量。實際應用中，信號的低頻分量往往是最重要的，而高頻分量只起一個修飾的作用。如同一個人的聲音一樣，把高頻分量去掉后，聽起來聲音會發生改變，但還能聽出說的是什么內容，但如果把低頻分量刪除后，就會什么內容也聽不出來了。原始信號經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。如果對信號的高頻分量不再分解，而對低頻分量進行連續分解，就可以得到信號不同分辨率下的低頻分量，這也稱為信號的多分辨率分析。實際中，分解的級數取決于要分析的信號數據特征及用戶的具體需要。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，產生的聲波經屏四周的壓力傳感器接收并轉成模擬電信號，該信號經過柔帶傳送到觸摸屏的控制板，根據信號的強弱，控制板上的前置放大電路和自動電平增益控制電路等對信號進行預處理。這樣，無論是屏尺寸大小，還是觸摸的強弱，送到模數轉換電路的電平幅度相對穩定，位置特征主要由聲波形狀和到達不同傳感器的相差決定。控制板上的A／D轉換器對模擬信號進行模數轉換，并將獲得的數字信號送到微控制器。微控制器的ROM內存有用于離散小波變換的軟件，和控制板上的DSP一同完成對該數字信號的小波變換，計算出數字信號的小波系數，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和對應的位置信息并記錄在存貯器中，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
在觸摸屏正常工作階段：屏上某點被觸摸產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理并轉成數字信號，數字信號經過小波變換得到該點的小波系數，微控制單元將算出的小波系數和與事先所記錄下的玻璃上每個位置聲波的列表的小波系數相比較，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，光標位置立即被更新到觸摸位置。
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式，比那種沒有任何參考而且需要強有力又昂貴的信號處理硬件來試圖計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。
APR觸摸屏的本體只是一塊玻璃，不會使觸摸屏產生下述四種現象：減少光透射率，增加表面反射，降低清晰，改變原來的色彩，因此不會降低圖像質量。
APR觸摸屏可用于特殊的防暴型玻璃材質在高破壞的環境里應用。可以用加厚的、高溫及化學處理過的堅硬玻璃，來替代普通玻璃。除了有聲波技術優異的光學質量及不易被磨損的特質外，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。
APR觸摸屏有一個固定的坐標系統，不隨時間、位置、或環境的變動而改變。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觸摸屏的傳感器是被動工作，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觸摸屏技術綜合了表面聲波觸摸技術及紅外線觸摸技術良好的光學性能及優秀的耐久性和穩定性的優點；還兼有電容觸摸技術優秀的拖曳及電阻屏可用觸摸筆、手套、指甲觸摸的優點；此外它還具有電阻式觸摸屏低制造成本的優點。
3 結語
據電子制造領域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，所有觸控技術會被改良和完美化并且降低成本。美商易觸控系統公司針對在零售和餐館POS市場應用上，最先提出APR技術，雖然
通過算法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觸摸技術才剛開始，有巨大觸摸屏市場的牽引，相信APR觸摸技術會獲得快速發展。
參考文獻
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作者： 樊衛華， 朱志軍， 虞炎秋，
作者單位：
樊衛華,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)
