触笔上有按键和滚轮的计算机触摸屏系统
袁莉
( 绥化学院计算机系，黑龙江绥化152061)
摘要:以实现对电脑鼠标的完全模拟和替代为目的，介绍了一种基于多功能触笔的PC 触摸屏系统的组成原理和工作方法。此计算机触摸屏系统的触笔上具有按键和滚轮，碰触定位操作与按键、滚轮操作的分离进行:该系统通过触笔的笔尖碰触触摸屏的触摸面板以确定电脑鼠标指针移动的位置，通过按下、抬起触笔上的按键或滚动触笔上的滚轮以实现与电脑鼠标的按键和滚轮相同的功能。此系统完全实现了鼠标的全部功能而且更加方便快捷。此系统在人机交互设备与系统技术领域具有明显的新颖性、创造性和实用性，填补了市场空白，有广阔的应用前景。
关键词:计算机触摸屏;触笔;人机交互
中图分类号: TP334． 2 文献标识码: A 文章编号: 1004 － 1869( 2011) 01 － 0053 － 03
目前计算机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计算机鼠标的操作。但是鼠标的操作包含“移动指针”和“按下按键”等不同的操作以及其组合。而现有的计算机触摸屏均是一次触摸就移动指针并按下左键，并不能区分“移动指针”、“按下按键”两种独立操作，也不能区分用户想要按左键还是右键。个别设计通过按
键切换触摸所实现的功能，在实际使用中，需要频繁地切换功能。
如上所述，目前的计算机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，能够允许计算机触摸屏同时支持移动指针、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，实现对传统计算机鼠标的完全替代。
触笔上有按键和滚轮的计算机触摸屏系统为完全模拟计算机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 系统组成原理
1．1 触摸屏
触摸屏，由透明触摸板和显示器组成。透明触摸板是四线电阻式触摸板，用于检测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触摸板控制电路; 显示器是计算机本来带的，显示计算机输出的图像信号。
1．2 触笔
触笔带有笔尖、左键、右键、滚轮、无线编码发射电路。笔尖碰触触摸屏的触摸板以确定显示器件上的指针的移动目的地的位置，碰触由触摸板感受。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。无线编码发射电路包括编码电路MC145026 和射频发射模块TDA1808。接收用户按下、抬起按键或滚动滚轮的数字电压信号。这5 路1 位数字电压信号被MC145026 编码成1 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。
1．3 控制器
控制器包含触摸板控制电路AR7643、无线接收解码电路、主控MCU 80C51、USB 接口芯片PDIUSBD12。AR7643 是触摸板控制芯片，具有四线电阻式触摸板接口，可以实现两路12 位模数转换，从CLK和DIN 端口接收主控电路输出的控制信号，从X +、X －、Y +、Y－四个端口接收触摸板111 输出的横、纵两路模拟电压量表示的触碰位置信号，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1 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。
无线接收解码电路包括译码电路MC145027 和射频接收模块TDA1809。用于接收触笔上无线编码发射电路所发射的无线信号，对无线信号解码成表示用户按下、抬起按键或滚动滚轮的数字电压信号，这5 路1 位数字信号分别传输到主控电路中80C51 的输入端口。
图1:系统组成原理System structure principle
MCU，型号80C51，作为主控部分，用于处理信号、控制整个系统。主控电路的80C51 输出对触摸板控制电路的控制信号( 时钟和控制字) ，接收触摸板控制电路返回的横、纵两路数字电压量表示的位置坐标值( 1 位数字串行信号) ，接收触摸板控制电路返回的PENIRQ 信号( 1 位数字信号) ，并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。主控电路依据接口类型( 如USB 接口) 进行编码处理，80C51 输出需要发送给计算机的控制信号和数据流( 共8 位数字信号)到接口电路。
USB 接口芯片PDIUSB D12 用于与计算机外设接口( 对应USB 接口芯片PDIUSB D12，则为USB 接口) 连接，实现与计算机的通信。接口电路从PDIUSBD12 的端口D0 ～ D7 接收主控电路输出的控制信号和数据流( 共8 位数字信号) ，并通过双向端口X1 和X2 和计算机接口进行数字通信，让计算机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，并实现计算机上的按键和滚轮操作功能。
2 系统工作方法
2．1 初始化
触摸屏系统通过控制器中接口电路上的接口与计算机外设接口连接; 控制器中的主控电路通过数字信号控制接口电路与计算机进行通信，本例中采用USB 协议，让计算机完成USB 设备识别与USB设备驱动的过程。
2．2 用户输入
用户输入过程包含两个相互独立的过程:碰触定位: 用户使用触笔的笔尖碰触触摸屏的触摸板，以向触摸屏系统表示期望显示器件上的指针的移动到的位置。触摸板将此位置以横、纵两路由模拟电压量表示的触碰位置信号的形式输出到触摸板控制电路。
按键滚轮操作: 用户按下、抬起触笔上的按键或滚动滚轮，以向触摸屏系统表示自己希望计算机实现类似于计算机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
触摸板控制电路接收主控电路输出的控制信号后开始工作，如果触摸板输出了横、纵两路模拟电压量表示的触碰位置信号，AR7643 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。
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进行编码并发射编码后的无线信号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，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
主控处理过程全部在80C51 的程序模块中完成。程序主要有三大模块:碰触定位、USB编码、输出。碰触定位模块以一定频率输出数字的控制信号，即触摸板控制芯片时钟和控制字，输出给触摸板控制电路，如果接收到的1 位数字信号PENIRQ 显示发生碰触，则接收触摸板控制电路输出的1 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，就将其编码为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 位数字信号输出给接口电路。
2．5 与计算机通信
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计算机的数据流，发送给计算机外设接口。
2．6 计算机处理
计算机处理计算机外设接口接收到的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。然后根据此意图，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计算机功能。
计算机处理过程结束后，系统回到用户输入过程循环工作。
3 结束语
这个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，将具备相似的成本，但性能更优，能够实现市场同类产品难以实现的功能。此系统可以广泛地应用于计算机操作、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会为用户提供更多方便。触笔上有按键和滚轮的计算机触摸屏系统将改变设计师和用户的观念，成为计算机触摸屏的革新者，将会推动触摸屏和计算机的更广泛的应用。
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