觸筆上有按鍵和滾輪的計(jì)算機(jī)觸摸屏系統(tǒng)
袁莉
( 綏化學(xué)院計(jì)算機(jī)系，黑龍江綏化152061)
摘要:以實(shí)現(xiàn)對電腦鼠標(biāo)的完全模擬和替代為目的，介紹了一種基于多功能觸筆的PC 觸摸屏系統(tǒng)的組成原理和工作方法。此計(jì)算機(jī)觸摸屏系統(tǒng)的觸筆上具有按鍵和滾輪，碰觸定位操作與按鍵、滾輪操作的分離進(jìn)行:該系統(tǒng)通過觸筆的筆尖碰觸觸摸屏的觸摸面板以確定電腦鼠標(biāo)指針移動(dòng)的位置，通過按下、抬起觸筆上的按鍵或滾動(dòng)觸筆上的滾輪以實(shí)現(xiàn)與電腦鼠標(biāo)的按鍵和滾輪相同的功能。此系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了鼠標(biāo)的全部功能而且更加方便快捷。此系統(tǒng)在人機(jī)交互設(shè)備與系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域具有明顯的新穎性、創(chuàng)造性和實(shí)用性，填補(bǔ)了市場空白，有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)觸摸屏;觸筆;人機(jī)交互
中圖分類號: TP334． 2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號: 1004 － 1869( 2011) 01 － 0053 － 03
目前計(jì)算機(jī)觸摸屏單點(diǎn)定位技術(shù)十分成熟，其本質(zhì)是以觸摸的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)的操作。但是鼠標(biāo)的操作包含“移動(dòng)指針”和“按下按鍵”等不同的操作以及其組合。而現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)觸摸屏均是一次觸摸就移動(dòng)指針并按下左鍵，并不能區(qū)分“移動(dòng)指針”、“按下按鍵”兩種獨(dú)立操作，也不能區(qū)分用戶想要按左鍵還是右鍵。個(gè)別設(shè)計(jì)通過按
鍵切換觸摸所實(shí)現(xiàn)的功能，在實(shí)際使用中，需要頻繁地切換功能。
如上所述，目前的計(jì)算機(jī)觸摸屏系統(tǒng)對鼠標(biāo)功能的實(shí)現(xiàn)不夠完全，且缺乏效率。因此需要有一種方法和設(shè)備，能夠允許計(jì)算機(jī)觸摸屏同時(shí)支持移動(dòng)指針、滾動(dòng)滾輪、按下或抬起按鍵三者的任意組合操作。免去頻繁地切換功能，實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)的完全替代。
觸筆上有按鍵和滾輪的計(jì)算機(jī)觸摸屏系統(tǒng)為完全模擬計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)功能提供了一種巧妙的解決方案。下面介紹系統(tǒng)各組成部分的組成原理以及系統(tǒng)的工作方法。
1 系統(tǒng)組成原理
1．1 觸摸屏
觸摸屏，由透明觸摸板和顯示器組成。透明觸摸板是四線電阻式觸摸板，用于檢測觸筆的筆尖觸碰的位置，輸出橫、縱兩路由模擬電壓量表示的觸碰位置信號到控制器中觸摸板控制電路; 顯示器是計(jì)算機(jī)本來帶的，顯示計(jì)算機(jī)輸出的圖像信號。
1．2 觸筆
觸筆帶有筆尖、左鍵、右鍵、滾輪、無線編碼發(fā)射電路。筆尖碰觸觸摸屏的觸摸板以確定顯示器件上的指針的移動(dòng)目的地的位置，碰觸由觸摸板感受。左鍵、右鍵可以按下/抬起。滾輪既可以按下/抬起，也可以向上/下滾動(dòng)。左鍵、右鍵、滾輪分別產(chǎn)生3 路1 位數(shù)字信號，信號分別表示左鍵、右鍵、中鍵( 滾輪) 的按下/抬起。另外滾輪向上/下滾動(dòng)時(shí)，分別產(chǎn)生兩路方波數(shù)字信號，方波數(shù)字信號每個(gè)周期表示向上/下滾動(dòng)一個(gè)單位。無線編碼發(fā)射電路包括編碼電路MC145026 和射頻發(fā)射模塊TDA1808。接收用戶按下、抬起按鍵或滾動(dòng)滾輪的數(shù)字電壓信號。這5 路1 位數(shù)字電壓信號被MC145026 編碼成1 路1 位數(shù)字信號并無線傳輸給控制器中無線接收解碼電路。
1．3 控制器
控制器包含觸摸板控制電路AR7643、無線接收解碼電路、主控MCU 80C51、USB 接口芯片PDIUSBD12。AR7643 是觸摸板控制芯片，具有四線電阻式觸摸板接口，可以實(shí)現(xiàn)兩路12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換，從CLK和DIN 端口接收主控電路輸出的控制信號，從X +、X －、Y +、Y－四個(gè)端口接收觸摸板111 輸出的橫、縱兩路模擬電壓量表示的觸碰位置信號，將其轉(zhuǎn)換
為橫、縱兩路數(shù)字電壓量表示的位置坐標(biāo)值，編碼成1 路1 位串行數(shù)字信號，輸出給主控電路，并從PENIRQ端口輸出1 位數(shù)字信號表示是否發(fā)生碰觸，輸出給主控電路。
無線接收解碼電路包括譯碼電路MC145027 和射頻接收模塊TDA1809。用于接收觸筆上無線編碼發(fā)射電路所發(fā)射的無線信號，對無線信號解碼成表示用戶按下、抬起按鍵或滾動(dòng)滾輪的數(shù)字電壓信號，這5 路1 位數(shù)字信號分別傳輸?shù)街骺仉娐分?0C51 的輸入端口。
圖1:系統(tǒng)組成原理System structure principle
MCU，型號80C51，作為主控部分，用于處理信號、控制整個(gè)系統(tǒng)。主控電路的80C51 輸出對觸摸板控制電路的控制信號( 時(shí)鐘和控制字) ，接收觸摸板控制電路返回的橫、縱兩路數(shù)字電壓量表示的位置坐標(biāo)值( 1 位數(shù)字串行信號) ，接收觸摸板控制電路返回的PENIRQ 信號( 1 位數(shù)字信號) ，并接收無線接收解碼電路輸出的表示用戶按下、抬起按鍵或滾動(dòng)滾輪的數(shù)字電壓信號。主控電路依據(jù)接口類型( 如USB 接口) 進(jìn)行編碼處理，80C51 輸出需要發(fā)送給計(jì)算機(jī)的控制信號和數(shù)據(jù)流( 共8 位數(shù)字信號)到接口電路。
USB 接口芯片PDIUSB D12 用于與計(jì)算機(jī)外設(shè)接口( 對應(yīng)USB 接口芯片PDIUSB D12，則為USB 接口) 連接，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信。接口電路從PDIUSBD12 的端口D0 ～ D7 接收主控電路輸出的控制信號和數(shù)據(jù)流( 共8 位數(shù)字信號) ，并通過雙向端口X1 和X2 和計(jì)算機(jī)接口進(jìn)行數(shù)字通信，讓計(jì)算機(jī)通過顯示器接口傳輸圖像數(shù)據(jù)，移動(dòng)顯示器件上顯示的指針，并實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)上的按鍵和滾輪操作功能。
2 系統(tǒng)工作方法
2．1 初始化
觸摸屏系統(tǒng)通過控制器中接口電路上的接口與計(jì)算機(jī)外設(shè)接口連接; 控制器中的主控電路通過數(shù)字信號控制接口電路與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，本例中采用USB 協(xié)議，讓計(jì)算機(jī)完成USB 設(shè)備識(shí)別與USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)的過程。
2．2 用戶輸入
用戶輸入過程包含兩個(gè)相互獨(dú)立的過程:碰觸定位: 用戶使用觸筆的筆尖碰觸觸摸屏的觸摸板，以向觸摸屏系統(tǒng)表示期望顯示器件上的指針的移動(dòng)到的位置。觸摸板將此位置以橫、縱兩路由模擬電壓量表示的觸碰位置信號的形式輸出到觸摸板控制電路。
按鍵滾輪操作: 用戶按下、抬起觸筆上的按鍵或滾動(dòng)滾輪，以向觸摸屏系統(tǒng)表示自己希望計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)類似于計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)的按鍵和滾輪功能。這些操作產(chǎn)生數(shù)字的電壓信號，輸入到無線編碼發(fā)射電路中。
2．3 信號傳遞和處理
觸摸板控制電路接收主控電路輸出的控制信號后開始工作，如果觸摸板輸出了橫、縱兩路模擬電壓量表示的觸碰位置信號，AR7643 則將其轉(zhuǎn)換為橫、縱兩路12 位數(shù)字電壓量表示的位置坐標(biāo)值，輸出到主控電路。
觸筆的無線編碼發(fā)射電路對按下、抬起觸筆上的按鍵或滾動(dòng)滾輪產(chǎn)生數(shù)字的電壓信號進(jìn)行編碼并發(fā)射編碼后的無線信號給控制器上的無線接收解碼電路。控制器上的無線接收解碼電路接收此無線信號，對其解碼，還原成表示用戶按下、抬起按鍵或滾動(dòng)滾輪的數(shù)字電壓信號，輸出到主控電路。
2．4 主控處理
主控處理過程全部在80C51 的程序模塊中完成。程序主要有三大模塊:碰觸定位、USB編碼、輸出。碰觸定位模塊以一定頻率輸出數(shù)字的控制信號，即觸摸板控制芯片時(shí)鐘和控制字，輸出給觸摸板控制電路，如果接收到的1 位數(shù)字信號PENIRQ 顯示發(fā)生碰觸，則接收觸摸板控制電路輸出的1 路1位串行數(shù)字信號DOUT，從中讀取出碰觸位置的坐標(biāo)值X、Y，經(jīng)過如下計(jì)算修正: X’= k1 * X + X0、Y’= k2 * Y + Y0 ( 其中k1、k2、X0、Y0 是給定參數(shù)，可設(shè)計(jì)校準(zhǔn)功能以確定這些參數(shù)) ，最終得到移動(dòng)指針的目的地坐標(biāo)值X’、Y’，輸送給USB 編碼模塊。
USB 編碼模塊一旦接收到碰觸定位模塊輸出的移動(dòng)指針的目的地坐標(biāo)值X’、Y’，或接收到按鍵和/或滾輪操作信號時(shí)，就將其編碼為USB 協(xié)議要求的格式，傳遞給輸出模塊。具體如何編碼，取決于USB 報(bào)告中將觸摸屏系統(tǒng)描述為何種設(shè)備，設(shè)計(jì)者可以自行決定設(shè)備類型。
輸出模塊將移動(dòng)指針、按鍵操作、滾輪操作信號和接口電路控制信號共8 位數(shù)字信號輸出給接口電路。
2．5 與計(jì)算機(jī)通信
接口電路受主控電路輸出的控制信號控制，接收主控電路輸出的需要發(fā)送給計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)流，發(fā)送給計(jì)算機(jī)外設(shè)接口。
2．6 計(jì)算機(jī)處理
計(jì)算機(jī)處理計(jì)算機(jī)外設(shè)接口接收到的USB 信號，解碼得到依據(jù)用戶期望的指針移動(dòng)位置和按下、抬起按鍵或滾動(dòng)滾輪操作的意圖。然后根據(jù)此意圖，移動(dòng)顯示器件上顯示的指針和/或完成按鍵和滾輪操作對應(yīng)的計(jì)算機(jī)功能。
計(jì)算機(jī)處理過程結(jié)束后，系統(tǒng)回到用戶輸入過程循環(huán)工作。
3 結(jié)束語
這個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過產(chǎn)品化設(shè)計(jì)后，生產(chǎn)出的產(chǎn)品與市場同類產(chǎn)品相比，將具備相似的成本，但性能更優(yōu)，能夠?qū)崿F(xiàn)市場同類產(chǎn)品難以實(shí)現(xiàn)的功能。此系統(tǒng)可以廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)操作、文字錄入、圖文制作、游戲控制等方面，其即插即用無需驅(qū)動(dòng)和鼠標(biāo)模擬的特點(diǎn)會(huì)為用戶提供更多方便。觸筆上有按鍵和滾輪的計(jì)算機(jī)觸摸屏系統(tǒng)將改變設(shè)計(jì)師和用戶的觀念，成為計(jì)算機(jī)觸摸屏的革新者，將會(huì)推動(dòng)觸摸屏和計(jì)算機(jī)的更廣泛的應(yīng)用。
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