声学脉冲波识别触摸屏技术
樊卫华1，朱志军2，虞炎秋3
(1．中国电子科技集团公司第五十五研究所，南京210016；2．中国人民解放军驻七七二厂军事代表室，南京210009；3．国营第七七二厂，南京210009)
摘要：分析了传统的电阻、电容、红外及声表方式触摸屏的特点和不足。介绍了声学脉冲波识别触摸屏结构、工作原理和特点。
关键词：触摸屏；声学脉冲波识别；小波变换；小波系数
中图分类号：TN27 文献标识码：A 文章编号：1005—488X(2008)01—0007—04
早期的触摸屏技术起源于20世纪60年代的美国军方，随着应用的不断普及，日本业者开发出适合批量生产的触摸屏生产工艺，并逐步控制了全球80％以上的触摸屏生产能力。为了控制触摸屏的生产技术，日本业者一直坚持触摸屏技术不转移的策略。直到20世纪90年代，韩国和中国台湾地区的厂商才先后在触摸屏的工艺及批量生产攻关上有所突破，开始在触摸屏市场上有了一席之地，但其生产能力和技术水平与日本业者相比还有较大差距。中国大陆触摸屏制造业起步更晚。目前十几家电阻式触摸屏制造商主要分布在珠三角地区，但生产规模均较小，且供应的产品主要以用于触控开关的数字式及四线电阻式触摸屏为主。
今天，触摸屏输入方式已成为各种信息产品的主流输入技术之一。触摸屏的本质是透明定位系统，它由触摸检测传感器和触摸屏控制器及相应的软件组成。触摸检测传感器安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置接收触摸信息，并将它转换成触点坐标送给CPU，同时能接收CPU发来的命令并加以执行。目前，根据传感器的类型不同，触摸屏大致被分为红外线式、电阻式、表面声波式和电容式触摸屏四种。这四种触摸技术各有优点和缺点，应用于不同的场合。
随着显示技术的发展和普及，人们需要更高性能的触摸屏技术。声学脉冲波识别(Acoustic pulserecognition，简称APR)触摸屏技结合了电阻技术的可用触控笔和可密封防水飞溅及抗污物的特点，并加上了红外线技术及声波技术的纯净玻璃的光学及抗磨损的特点，本文将对其结构、原理及性能进行详细介绍。
1 声学脉冲波识别触摸屏开发背景
1．1 电阻式触摸原理及存在问题
电阻触摸屏的屏体部分是一块多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导电层(ITO膜)，上面再盖有一层外表面经过硬化处理、光滑防刮的塑料层。它的内表面也涂有一层ITO，在两层导电层之间有许多细小(几十微米高)的透明隔离点把它们隔开。当手指接触屏幕时，两层ITO发生接触，探测该点X或Y方向的电位，控制器根据检测到的电位来计算接触点的坐标，再依照这个坐标来进行相应的操作。电阻式触摸屏依电极配线方式又可分为四线式、五线式、七线式及八线式等。而依面板构成及种类目前可以分为膜／玻璃、玻璃／玻璃、膜／膜及膜／塑料，其中以膜／玻璃为目前主流之应用形式，技术亦最成熟且价格便宜。
但是，电阻式触摸屏有两层lT0膜层，导致触摸屏的透过率较低；由于IT0材料的折射率是2．0左右，与空气和玻璃的折射率相差都较大，光线在折射率变化越大界面，反射也大，因此造成在明亮环境或阳光下的可读性差。
电阻式触摸屏的ITO涂层若太薄则容易脆断，涂层太厚又会降低透光率且形成内反射降低清晰度。由于经常被触动，表层IT0使用一定时间后会出现细小裂纹，对于四线电阻屏来说，这会导致功能失效，因此其寿命并不长久。五线电阻式触摸屏会出现因其银电极的电阻在使用过程中随时间变化而变化，导致触摸位置的漂移。
1．2 电容式触摸屏原理及存在问题
电容式触摸屏的四边均镀上了狭长的电极，在工作时其内部形成一个低电压交流电场。触摸屏上有一层透明的导电薄膜层和绝缘薄膜层。当用户触摸电容屏时，用户手指和工作面形成一个耦合电容，因为工作面上接有高频信号，于是手指会吸走一个很小的电流，这个电流分别从屏的四个角上的电极中流出，控制器通过对四个电流比例的精密计算，即可得出接触点位置。电容式触摸屏具有防尘、防火、防刮、强固耐用及具有高分辨率等优点，电容式技术应用范围比较广泛。
但是，由于有ITO镀层，电容式触摸屏对环境光有一定反射，影响整个显示系统的亮室对比度。电容屏在原理上把人体当作一个电容器的一个电极使用，当有导体靠近且与夹层ITO工作面之间耦合出足够量容值的电容时，流走的电流就会引起电容屏的误动作。电容屏的另一个缺点是用戴手套的手或手持不导电的物体触摸时没有反应，这是因为增加了更为绝缘的介质。电容屏更主要的缺点是漂移：当环境温度、湿度改变，或环境电场发生改变时，都会引起电容屏的漂移，造成触摸点位置探不准确，在工作现场也经常需要校准。
1．3红外线式触摸屏原理及存在问题
红外触摸屏是利用X、Y方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸，红外触摸屏在显示器的前面安装一个电路板外框，电路板在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管，一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵，用户在触摸屏幕时，手指就会挡住经过该位置的横竖两条红外线，因而可以判断出触摸点在屏幕的位置。早期，红外触摸屏存在分辨率低、触摸方式受限制和易受环境干扰而误动作等技术上的局限，因而一度淡出过市场，此后第二代红外屏分解决了抗光干扰的问题，第三代和第四代在提升分辨率和稳定性能上亦有所改进，但都没有在关键指标或综合性能上有质的飞跃。红外触摸屏也同样不受电流、压和静电干扰，适宜于某些恶劣的环境。
但是，红外线触摸屏制造成本高，触摸屏的周要布置发射和接收电路，有效利用空间的能力下降。另外红外屏在工作状态下不断接收和发射，功耗较大，不适合在移动或便携产品中应用。
1．4表面声波触摸屏原理及存在问题
表面声波是超声波的一种，它是在介质(例如玻璃或金属等刚性材料)表面浅层传播的机械能量波。声波屏的三个角分别粘贴着X，Y方向的发射和接收声波的换能器。发射换能器将触摸屏电缆送来的电信号转化为声波能，接收换能器将反射条纹汇聚成的表面声波能变为电信号，四个边刻着反射表面超声波的反射条纹。当手指或软性物体触摸屏幕，部分声波能量被吸收，于是改变了接收信号，经过控制器的处理得到触摸的X，Y坐标。表面声波触摸屏具有清晰度较高、透光率好、高度耐久、抗刮伤性良好、反应灵敏、不受温度、湿度等环境因素影响、分辨率高、寿命长(维护良好情况下5 000万次)等优点；透光率高(92％)，能保持清晰透亮的图像质量；没有漂移，只需安装时一次校正；有第三轴(即压力轴)响应，因此目前在公共场所使用较多。
表面声波屏需要经常维护，因为灰尘、油污甚至饮料的液体玷污在屏的表面，都会阻塞触摸屏表面的导波槽，使波不能正常发射，或使波形改变而控制器无法正常识别，从而影响触摸屏的正常使用。用户需严格注意环境卫生，必须经常擦抹屏的表面以保持屏面的光洁，并定期作一次全面彻底擦除。另外表面声波触摸屏在工作状态下不断接收和发射，功耗较大，不适合在移动或便携产品中应用。
以上四大方式的触摸屏技术都存在这样或那样的局限，人们仍在不断寻找更好的方法来集合各种触摸技术的优点，克服不足，满足高度发展的电子产品的需求。声学脉冲波识别触摸屏技术正是在这种背景下应运而生。
2 声学脉冲波识别触摸屏技术
2．1声学脉冲波识别触摸屏结构
图1所示为APR触摸屏的照片，图2所示为APR触摸屏的基本结构。APR触摸屏的主体是一块透明基板，可以是光玻璃基板或其他可以传输声波并且对声波衰减较小的透明基材，在基板四周的最外边约5 mm区域里，用胶粘连了四个不对称放置的压电传感器，平行边的传感器共地相连，探测到的信号通过柔性带输入到触摸屏的控制器中。
图1 APR触摸屏照片
图2 APR触摸屏基本结构
2．2声学脉冲波识别触摸屏工作原理
APR是以一种简单的声音辨识方式来测量璃上被接触点的位置，其关键是在玻璃上每个位置触压时都会产生独特的声波。四个附在触摸屏边缘玻璃的微小压电传感器接收到压触的声波，这个声波由控制器数字化并进行小波变换提取小波系数的信号处理，然后与事先所记录下的玻璃上每个位置声波的列表相比较，光标位置立即被更新到触摸位置。APR的设计可忽略外来和四周噪音，因为它们与事先记录的声波不吻合。
小波变换就是将原始信号．s可分解成小波近似A与小波细节D之和，分析原始信号各种变化的特性，进一步用于数据压缩、噪声去除、特征选择等。
执行离散小波变换的有效方法是使用滤波器，该方法是Mallat于1988年提出的，称为Mallat算法。这种方法实际上是一种信号分解的方法，在数字信号处理中常称为双通道子带编码。
用滤波器执行离散小波变换的概念如图3所示。S表示原始的输入信号，通过两个互补的滤波器组，其中一个滤波器为低通滤波器，通过该滤波器可得到信号的近似值A(Approximations)，另一个为高通滤波器，通过该滤波器可得到信号的细节值D(Detail)。
图3离散小波信号分解
在小波分析中，近似值是大的缩放因子计算的系数，表示信号的低频分量，而细节值是小的缩放因子计算的系数，表示信号的高频分量。实际应用中，信号的低频分量往往是最重要的，而高频分量只起一个修饰的作用。如同一个人的声音一样，把高频分量去掉后，听起来声音会发生改变，但还能听出说的是什么内容，但如果把低频分量删除后，就会什么内容也听不出来了。原始信号经过一对互补的滤波器组进行的分解称为一级分解，信号的分解过程也可以不断进行下去，也就是说可以进行多级分解。如果对信号的高频分量不再分解，而对低频分量进行连续分解，就可以得到信号不同分辨率下的低频分量，这也称为信号的多分辨率分析。实际中，分解的级数取决于要分析的信号数据特征及用户的具体需要。一般在APR触摸技术中分解到5级便能满足要求。
图4所示为APR触摸屏控制器框图。触摸屏上任意一点被触摸后，产生的声波经屏四周的压力传感器接收并转成模拟电信号，该信号经过柔带传送到触摸屏的控制板，根据信号的强弱，控制板上的前置放大电路和自动电平增益控制电路等对信号进行预处理。这样，无论是屏尺寸大小，还是触摸的强弱，送到模数转换电路的电平幅度相对稳定，位置特征主要由声波形状和到达不同传感器的相差决定。控制板上的A／D转换器对模拟信号进行模数转换，并将获得的数字信号送到微控制器。微控制器的ROM内存有用于离散小波变换的软件，和控制板上的DSP一同完成对该数字信号的小波变换，计算出数字信号的小波系数，结合相关屏上触点的位置信息并存于存贮器里。用同样方法，形成触摸屏上各点小波分解系数和对应的位置信息并记录在存贮器中，完成屏的位置声学脉冲波特征初始化过程。
图4 APR触摸屏控制器框图
在触摸屏正常工作阶段：屏上某点被触摸产生的声波被压电传感器探测，并模拟电信号传到触摸控制板，在控制板上进行预处理并转成数字信号，数字信号经过小波变换得到该点的小波系数，微控制单元将算出的小波系数和与事先所记录下的玻璃上每个位置声波的列表的小波系数相比较，比较两者之间的相关性，决定该触摸点的位置，通过通信单元向主机报告，光标位置立即被更新到触摸位置。
2．3声学脉冲波识别触摸屏的特点
APR触摸屏与其它试图以收发器或麦克风来识别触摸位置的技术不同，它使用一个简单声波表查寻方式，比那种没有任何参考而且需要强有力又昂贵的信号处理硬件来试图计算触摸位置的方式要j高效和低成本。所以，APR是低成本的触摸技术。
APR触摸屏的本体只是一块玻璃，不会使触摸屏产生下述四种现象：减少光透射率，增加表面反射，降低清晰，改变原来的色彩，因此不会降低图像质量。
APR触摸屏可用于特殊的防暴型玻璃材质在高破坏的环境里应用。可以用加厚的、高温及化学处理过的坚硬玻璃，来替代普通玻璃。除了有声波技术优异的光学质量及不易被磨损的特质外，APR触摸屏还有其电阻技术可用手指、指甲、笔或触控笔、或信用卡来触控的特质。
APR触摸屏有一个固定的坐标系统，不随时间、位置、或环境的变动而改变。如果显示器的大小和位置是固定的，用APR触控技术，不需使用后的校正。APR触摸屏的传感器是被动工作，功耗省。该屏对水和其它污染物具有很好的抵御性。
APR触摸屏可加工成不同尺寸的触摸屏，从适合于PDA使用的小尺寸触摸屏到对角线107 cm显示器用的大尺寸触摸屏。
总之，APR触摸屏技术综合了表面声波触摸技术及红外线触摸技术良好的光学性能及优秀的耐久性和稳定性的优点；还兼有电容触摸技术优秀的拖曳及电阻屏可用触摸笔、手套、指甲触摸的优点；此外它还具有电阻式触摸屏低制造成本的优点。
3 结语
据电子制造领域的市场研究机构日本iSuppli公司报告，2006年全球触摸屏出货额为24。2亿美元，到2012年这一市场将扩大80％，达到约44亿美元。销售量第一大的是电阻屏，其次是电容式、红外式及声表式触摸屏，所有触控技术会被改良和完美化并且降低成本。美商易触控系统公司针对在零售和餐馆POS市场应用上，最先提出APR技术，虽然
通过算法APR方式的触摸屏可以获得很高的分辨率，但目前APR的分辨率为1 mm。APR触摸技术才刚开始，有巨大触摸屏市场的牵引，相信APR触摸技术会获得快速发展。
参考文献
[1] 田中芳和．APR(音声波照合方式)夕一手，{东儿刃介[J]．月刊尹，f灭歹b-／f．2007(4)：54—58．
[2]张贤达．现代信号处理[M]．北京：清华大学出版社。1994：485—554．
作者： 樊卫华， 朱志军， 虞炎秋，
作者单位：
樊卫华,FAN Wei-hua(中国电子科技集团公司,第五十五研究所,南京,210016)
朱志军,ZHUZhi-jun(中国人民解放军驻七七二厂军事代表室,南京,210009)
虞炎秋,YU Yan-qiu(国营第七七二厂,南京,210009)
