觸筆上有按鍵和滾輪的計算機觸摸屏系統
袁莉
( 綏化學院計算機系，黑龍江綏化152061)

摘要:以實現對電腦鼠標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 觸摸屏系統的組成原理和工作方法。此計算機觸摸屏系統的觸筆上具有按鍵和滾輪，碰觸定位操作與按鍵、滾輪操作的分離進行:該系統通過觸筆的筆尖碰觸觸摸屏的觸摸面板以確定電腦鼠標指針移動的位置，通過按下、抬起觸筆上的按鍵或滾動觸筆上的滾輪以實現與電腦鼠標的按鍵和滾輪相同的功能。此系統完全實現了鼠標的全部功能而且更加方便快捷。此系統在人機交互設備與系統技術領域具有明顯的新穎性、創造性和實用性，填補了市場空白，有廣闊的應用前景。

關鍵詞:計算機觸摸屏;觸筆;人機交互

中圖分類號: TP334． 2 文獻標識碼: A 文章編號: 1004 － 1869( 2011) 01 － 0053 － 03

    目前計算機觸摸屏單點定位技術十分成熟，其本質是以觸摸的方式代替傳統的計算機鼠標的操作。但是鼠標的操作包含“移動指針”和“按下按鍵”等不同的操作以及其組合。而現有的計算機觸摸屏均是一次觸摸就移動指針并按下左鍵，并不能區分“移動指針”、“按下按鍵”兩種獨立操作，也不能區分用戶想要按左鍵還是右鍵。個別設計通過按
鍵切換觸摸所實現的功能，在實際使用中，需要頻繁地切換功能。

    如上所述，目前的計算機觸摸屏系統對鼠標功能的實現不夠完全，且缺乏效率。因此需要有一種方法和設備，能夠允許計算機觸摸屏同時支持移動指針、滾動滾輪、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，實現對傳統計算機鼠標的完全替代。

    觸筆上有按鍵和滾輪的計算機觸摸屏系統為完全模擬計算機鼠標功能提供了一種巧妙的解決方案。下面介紹系統各組成部分的組成原理以及系統的工作方法。

1 系統組成原理

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; 顯示器是計算機本來帶的，顯示計算機輸出的圖像信號。

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。左鍵、右鍵、滾輪分別產生3 路1 位數字信號，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/下滾動時，分別產生兩路方波數字信號，方波數字信號每個周期表示向上/下滾動一個單位。無線編碼發射電路包括編碼電路MC145026 和射頻發射模塊TDA1808。接收用戶按下、抬起按鍵或滾動滾輪的數字電壓信號。這5 路1 位數字電壓信號被MC145026 編碼成1 路1 位數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，可以實現兩路12 位模數轉換，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，將其轉換
為橫、縱兩路數字電壓量表示的位置坐標值，編碼成1 路1 位串行數字信號，輸出給主控電路，并從PENIRQ端口輸出1 位數字信號表示是否發生碰觸，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射電路所發射的無線信號，對無線信號解碼成表示用戶按下、抬起按鍵或滾動滾輪的數字電壓信號，這5 路1 位數字信號分別傳輸到主控電路中80C51 的輸入端口。

 

圖1:系統組成原理System structure principle
 

    MCU，型號80C51，作為主控部分，用于處理信號、控制整個系統。主控電路的80C51 輸出對觸摸板控制電路的控制信號( 時鐘和控制字) ，接收觸摸板控制電路返回的橫、縱兩路數字電壓量表示的位置坐標值( 1 位數字串行信號) ，接收觸摸板控制電路返回的PENIRQ 信號( 1 位數字信號) ，并接收無線接收解碼電路輸出的表示用戶按下、抬起按鍵或滾動滾輪的數字電壓信號。主控電路依據接口類型( 如USB 接口) 進行編碼處理，80C51 輸出需要發送給計算機的控制信號和數據流( 共8 位數字信號)到接口電路。

    USB 接口芯片PDIUSB D12 用于與計算機外設接口( 對應USB 接口芯片PDIUSB D12，則為USB 接口) 連接，實現與計算機的通信。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據流( 共8 位數字信號) ，并通過雙向端口X1 和X2 和計算機接口進行數字通信，讓計算機通過顯示器接口傳輸圖像數據，移動顯示器件上顯示的指針，并實現計算機上的按鍵和滾輪操作功能。

2 系統工作方法

2．1 初始化

    觸摸屏系統通過控制器中接口電路上的接口與計算機外設接口連接; 控制器中的主控電路通過數字信號控制接口電路與計算機進行通信，本例中采用USB 協議，讓計算機完成USB 設備識別與USB設備驅動的過程。

2．2 用戶輸入

    用戶輸入過程包含兩個相互獨立的過程:碰觸定位: 用戶使用觸筆的筆尖碰觸觸摸屏的觸摸板，以向觸摸屏系統表示期望顯示器件上的指針的移動到的位置。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滾輪，以向觸摸屏系統表示自己希望計算機實現類似于計算機鼠標的按鍵和滾輪功能。這些操作產生數字的電壓信號，輸入到無線編碼發射電路中。

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 則將其轉換為橫、縱兩路12 位數字電壓量表示的位置坐標值，輸出到主控電路。

    觸筆的無線編碼發射電路對按下、抬起觸筆上的按鍵或滾動滾輪產生數字的電壓信號進行編碼并發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、抬起按鍵或滾動滾輪的數字電壓信號，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字的控制信號，即觸摸板控制芯片時鐘和控制字，輸出給觸摸板控制電路，如果接收到的1 位數字信號PENIRQ 顯示發生碰觸，則接收觸摸板控制電路輸出的1 路1位串行數字信號DOUT，從中讀取出碰觸位置的坐標值X、Y，經過如下計算修正: X’= k1 * X + X0、Y’= k2 * Y + Y0 ( 其中k1、k2、X0、Y0 是給定參數，可設計校準功能以確定這些參數) ，最終得到移動指針的目的地坐標值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指針的目的地坐標值X’、Y’，或接收到按鍵和/或滾輪操作信號時，就將其編碼為USB 協議要求的格式，傳遞給輸出模塊。具體如何編碼，取決于USB 報告中將觸摸屏系統描述為何種設備，設計者可以自行決定設備類型。

    輸出模塊將移動指針、按鍵操作、滾輪操作信號和接口電路控制信號共8 位數字信號輸出給接口電路。

2．5 與計算機通信

    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送給計算機的數據流，發送給計算機外設接口。

2．6 計算機處理

    計算機處理計算機外設接口接收到的USB 信號，解碼得到依據用戶期望的指針移動位置和按下、抬起按鍵或滾動滾輪操作的意圖。然后根據此意圖，移動顯示器件上顯示的指針和/或完成按鍵和滾輪操作對應的計算機功能。

    計算機處理過程結束后，系統回到用戶輸入過程循環工作。

3 結束語

    這個系統經過產品化設計后，生產出的產品與市場同類產品相比，將具備相似的成本，但性能更優，能夠實現市場同類產品難以實現的功能。此系統可以廣泛地應用于計算機操作、文字錄入、圖文制作、游戲控制等方面，其即插即用無需驅動和鼠標模擬的特點會為用戶提供更多方便。觸筆上有按鍵和滾輪的計算機觸摸屏系統將改變設計師和用戶的觀念，成為計算機觸摸屏的革新者，將會推動觸摸屏和計算機的更廣泛的應用。

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