專利名稱：使用總線結構實現掃描驅動的紅外觸摸屏的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種紅外觸摸屏中換能元件掃描的驅動結構的改進，屬于計算機多媒體技術中的觸摸屏技術領域。
背景技術：
現有的紅外觸摸屏中，紅外發射管陣列和接收管陣列的驅動方式，都是使用安裝在構成紅外觸摸屏邊框的電路板上的邏輯電路芯片來解析由微控制器系統所產生的掃描地址信息，然后通過一條條獨立的驅動線來選通相應的紅外發射和接收對管，驅動其中的紅外發射管發射紅外線，同時接通對應的紅外接收管的光電信號傳輸通道，從而實現一次觸摸檢測。相關的技術原理可參見號碼為ZL01259522.5、CN00121462.4的中國專利或專利申請文件，及其這些專利所參考的其它國內外專利文獻。由于這種驅動電路需要在作為紅外發射管陣列和接收管陣列安裝載體的PCB(印刷電路板)邊框上安裝數量很多的集成電路，以及同樣數量眾多的連接線，因此很難縮減紅外觸摸屏邊框PCB的寬度，以適應現在顯示設備尤其是液晶顯示器越來越窄的邊框尺寸，安裝在這類顯示器上，從而導致紅外觸摸屏的應用在很多情況下受到這些物理尺寸的限制而難以實現。
發明內容
本發明的內容就是針對現有技術的不足之處，公開了一種在紅外元件中嵌入解碼芯片、使用總線方式實現紅外元件選通以及驅動或光電信號傳輸的技術方案。
紅外觸摸屏由構成觸摸屏框架的印刷電路板、安裝在所述電路板上的紅外發射管陣列和紅外接收管陣列，控制所述紅外發射管和接收管陣列實現屏幕表面掃描，包含有光電信號處理電路的微控制器系統，以及所述微控制器系統與上位機之間的通信接口電路構成。在現有的技術方案的基礎上，本發明還增加了如下技術內容所述微控制器系統內包含有一個紅外發射和接收管掃描地址碼的串行碼編碼器；與此對應在紅外發射管和接收管內部嵌入有解碼芯片，并且在所述解碼芯片內部包含有與所述編碼器相對應的解碼器，并包含與每一對紅外發射和接收對管的掃描地址相對應的地址值的地址比較單元，其數據輸入端與所述解碼器的數據輸出端相連接；所述地址比較單元的輸出端與一個控制開關單元相連接；在所述編碼器與紅外發射管陣列之間，通過至少包含有一條地址線和一條驅動線的驅動總線相耦合連接；在所述編碼器與紅外接收管陣列之間，通過至少包含有一條地址線和一條信號線的信號總線相耦合連接；所述紅外發射或接收管通過所述控制開關與所述驅動或信號總線耦合連接；所述串行碼編碼器與所述安裝有紅外發射管陣列和紅外接收管陣列的電路板之間通過連接器連接。
這里所說的耦合連接，是一種不改變連接性質的連接方案，例如一條總線可能要直接與數十只甚至上百只紅外元件的相應端口相連接，那么一般芯片的輸出端口難以達到這樣的扇出系數，因此可能就需要使用某種驅動器來增加總線的驅動能力。但是增加的驅動器并不改變這種輸出的性質、功能，在本發明中就稱為耦合連接。
通過對本發明技術方案的描述可知，使用本發明的紅外觸摸屏，能夠極大地銷減邊框PCB上的布線數量，并且幾乎可以去掉任何芯片，這樣就能夠大大縮減所述PCB的尺寸，尤其是邊框的寬度寸，縮小了觸摸屏的安裝尺寸，幾乎可以安裝在任何顯示器上，更方便紅外觸摸屏的在各種場合的應用。
圖1本發明的基本原理示意圖。
圖2本發明的一種系統總線與紅外元件的連接結構圖。
圖3與圖2電路結構相對應的一種可用的信號時序圖。
圖4與圖2相對應的一種編碼器和解碼芯片以及紅外元件的基本結構圖。
圖5一種使用獨立的數字和模擬電源的總線連接示意圖。
圖6本發明另外一種總線與紅外元件的連接結構圖。
圖7與圖6電路結構相對應的一種可用的信號時序圖。
圖8一種共用解碼芯片的組合結構的紅外元件的結構示意圖。
下面結合附圖和附圖中的各個部分，來詳細說明本發明的一些具體實施方式
。
具體實施例方式
參看圖1所示的本發明的基本原理示意圖。在用于總體控制紅外觸摸屏工作的微控制器系統102中，包含有一個地址信息編碼器101，該編碼器通過系統總線103與構成紅外發射管陣列106和紅外接收管陣列108中的每一對紅外發射管107和接收管109相連接。這里的系統總線可以區分為驅動總線和信號總線。在驅動總線中，至少包含有一條地址線用于選定相應的紅外發射管，一條驅動線用于驅動紅外發射管發射紅外線；在信號總線中，同樣要至少包含有一條地址線用于選定相應的紅外接收管，一條信號線用于傳送紅外接收管所接收到的紅外光電信號。在紅外發射管107和接收管109的內部，都分別嵌入有一個解碼芯片，并且在一塊紅外觸摸屏中，每一對紅外發射和接收管內部的解碼芯片中都被固化有相同的地址碼，并與其它的紅外發射和接收對管內被固化的地址碼都不相同。這樣，當紅外觸摸屏工作時，這些發射管中的解碼芯片110和接收管中的解碼芯片112不斷解析由驅動總線輸出的地址碼，當地址碼與所述解碼芯片中固化的地址碼相對應時，則選通這對紅外發射和接收管，允許該發射管被驅動總線中的驅動線所輸出的驅動信號驅動管芯111發射紅外線，同時也允許接收管通過信號總線中的信號線，輸出管芯113得到的紅外光電信號到微控制器系統，完成一次檢測掃描。當然，為了發射管和接收管中的芯片能正常工作，還需要通過隨同系統總線一同設置的電源(VCC)線104和地(GND)線105為其提供電能。在本發明中，系統總線、電源線、地線、紅外發射管和接收管陣列，都安裝在構成紅外觸摸屏邊框的PCB電路板上，而微控制器系統及其內部編碼器則另外安裝，二者之間通過連接器114相連接。
圖2給出的是一種系統總線的構成及其與紅外元件之間的連接關系，是本發明可以使用的一種結構。圖中，驅動總線由時鐘(CLK)線201、數據(DATA)線202、驅動(DRV)線203構成；信號總線由時鐘(CLK)線201、數據(DATA)線202、與微控制器系統內的紅外光電信號處理電路205的輸入端相耦合連接信號(REV)線204構成。與此相對應，紅外發射管和接收管內的解碼芯片應該引出相應的輸入輸出端口與總線相耦合連接。另外，用于接收處理從接收管傳送出來的紅外光電信號的接收器205，相對于所述編碼器而言可以獨立工作，因此該部分既可以包含在編碼器101之內，也可以獨立于其外，只受控于所述的微控制器系統。
圖3是圖2所示的總線在工作時，其中每一條導線(傳輸線)上一種可用的的信號時序圖。如圖所示，在T0-T1時間段內，編碼器通過時鐘線(CLK)輸出時鐘脈沖301、通過數據線(DATA)上輸出掃描地址信息302到每一對紅外發射和接收對管；而各個對管也同時在時鐘信號的作用下同步接收掃描地址信息。由于所述的掃描地址信息，是與觸摸屏中各個對管中的某一對的地址相對應的，因此當掃描地址信息發送完畢以后，必然有某對對管通過解碼被選定，然后在T1-T2時間段，驅動線(DRV)輸出紅外發射驅動信號303驅動該被選定的對管中的發射管發射紅外線，同時微控制器通過信號線來檢測相應的接收管是否輸出了紅外光電信號304，就完成了一次觸摸事件檢測。完成這次檢測后，可以設定上述總線中的所有連接線在T2-T3時間段一同輸出一個高電平305，將各對對管內的地址信息清零，準備接收下一組地址信息。這樣周而復始循環不斷，就實現了驅動各個對管連續掃描檢測觸摸事件的功能。
圖4事實上也是實現圖2、圖3所示的原理的一種編碼器和紅外發射管和接收管內部的解碼芯片內部的邏輯原理圖。現在以發射管的工作原理為例來說明這個電路的各部分的結構和功能。在掃描檢測時，由掃描地址信息發生器403生成每一對紅外發射接收對管的地址信息，該信息被傳送到串行數據發生器402中，在時鐘發生器401所產生的時鐘的作用下，通過輸出端口耦合輸出到數據線(DATA)上，同時時鐘發生器的時鐘信號也被耦合輸出到時鐘線(CLK)上。在上述串行地址信息被發送的同時，觸摸屏內所有的發射管和接收管內的解碼芯片也在時鐘信號的作用下同步接收這些地址信息數據，經過在所有的紅外元件中都相同的解碼器405解碼以后，不停地與事先被固化在地址比較單元406內、代表該發射管的地址碼407進行計算或比較，判斷是否相配合。當上述時鐘和數據信號停止以后，參照前面的說明可知，一定會有一只發射管的地質值與編碼器所發送的地址值相配合，這時地址比較單元輸出一個信號到用于控制開關408，將發射管的管芯111接入電路。這樣當驅動線上出現驅動信號時，該發射管就可以被驅動而發射紅外線。這樣，就實現了圖2所示的觸摸檢測功能。
對于圖4的結構，一個簡單的實施方案的主體部分可以這樣構成時鐘發生器401可以由微控制器的I/O端口直接輸出；掃描地址信息發生器403由微控制器的可執行代碼生成；串行數據發生器402可以在微控制器內，利用可執行代碼控制其內部的存儲器，構成實際或者模擬的“并入串出移位寄存器”，再由其I/O端口輸出。而在解碼芯片中，解碼器405可以由一個“串入并出移位寄存器”構成，地址比較單元406可以使用多輸入端與門，根據該紅外元件被設定的地址值，其輸入端與地址比較單元406的相應輸出端相連接。
在完成了一次檢測之后，微控制器系統控制編碼器所有的輸出線輸出一個指定電平，例如圖3中所示的高電平脈沖305，就可以將發射管內的所有數據清零，為下次解碼做好準備。如果要輸出這個高電平脈沖，可以有很多種方法來實現，比如直接通過對微控制器的I/O端口編程。因為雖然在上述附圖中給出的是單獨的串行信息發生器402、地址信息發生器403以及時鐘發生單元401等分立單元，但實際上這些部分都可以直接通過程序在微控制器內部實現甚至不需要增加任何外部元器件。但是為了清晰表述本發明的內容，在圖4中給出了一個或邏輯的脈沖發生結構。如圖所示，在一次觸摸檢測完成以后，被微控制器控制的脈沖發生器412輸出一個高電平脈沖，這個脈沖通過與時鐘信號相連接的或門409、與地址數據相連接的或門410和與驅動信號相連接的或門411分別傳輸到上述的時鐘線、數據線和驅動線上。與此對應，在發射管中的解碼芯片中也包含有一個與門413，其三個輸入端分別與時鐘線、數據線和驅動線相連接，其輸出端與解碼器的數據清零端R相連接。當該與門的三個輸入端都為高電平時，其輸出的高電平為解碼器清零。
要實現連續掃描檢測，就需要不斷復位解碼器，也就是上面所說的清零。從現有技術的來看，為解碼器清零的方式有很多種比如接收一組非有效地址的數據，在所有的紅外元件的解碼芯片中嵌入這個數據，收到并比較、確認后為解碼器清零；再如，保持某一、兩條傳輸線上持續一段時間的特定電平，利用積分電路檢測到這個電平后清零等。因此圖3、4所給出的只是其中的一種相對比較簡單的技術方案，可供選擇，因此在圖中使用虛線表示。
對于紅外接收管，其工作原理與發射管不同之處在于其內部嵌入的解碼芯片中的控制開關408所控制的不是驅動信號的通道，而是紅外光電信號的輸出通道204(REV)。從圖4中可以看到，如果使用前述通過或邏輯輸出高電平脈沖的復位方案，則可以在信號傳輸線上加裝一個選擇開關414，用來切換該傳輸線的用途，其它部分的原理與發射管部分相同。這里所說的控制開關408或者選擇開關414也并非一定是獨立的開電子，如前所述，完全可以通過對微控制器系統的I/O端口進行編程來實現，比如利用I/O端口的高阻態來實現某些傳輸線復用的切換。
由于在紅外接收管中所嵌入的解碼芯片中可能需要加入處理微弱的光電信號的模擬電路部分，并且這部分電路與發射管發射紅外脈沖同時工作，因此如果使用與系統總線隨行的電源線來給接收管供電，那么電源線上的干擾不可避免地將影響接收部分的信號質量。針對這種情況，圖2和圖5給出了兩種不同的解決方案。第一種方案由于在紅外觸摸屏的PCB邊框上，發射管陣列和接收管陣列位于相鄰的兩條邊框上，因此如果在相鄰的兩個發射管陣列之間接入電源，分別為兩個相鄰的發射管陣列和接收管陣列提供電源，將紅外接收管陣列連接在發射管陣列之后，那么就可以在二者之間插入濾波退耦單元206，如圖2所示。第二種方案如圖5所示，在微控制器系統內部構建兩個相互獨立的數字電源501和模擬電源502，然后通過數字電源線503為發射管陣列供電；通過模擬電源線504為接收管陣列供電。這樣的設計更有助于降低數字電路對模擬電路的干擾。這時電源的接入部位應該是相鄰的發射管陣列和接收管陣列的接合部，并將相鄰的兩個發射管陣列和接收管陣列相串連。
圖6和給出了一種最簡化的總線結構驅動總線和信號總線都只包含有兩條傳輸線，分別是脈沖線(PLU)601和驅動線203；脈沖線(PLU)601和信號線204。這時，所述的串行數據發生器402則是一個脈沖發生器，每次掃描輸出脈沖的數量與該次掃描希望選定的地址信息相關，例如與紅外發射接收對管的序號相同。與此對應，紅外元件中的解碼器405就是一個計數器，對總線上的脈沖數量計數。這種結構實際上是將時鐘線與數據線合二為一，以異步傳輸的方式來輸出地址數據。
與圖6相對應，圖7給出了圖6所示的總線在工作時，其中每一條導線(傳輸線)上的信號的一種可用的時序圖。可以看到這個時序圖與圖3非常相似，不同之處只有兩點第一是因為省略了一條傳輸連接線而少了一組波形；第二是脈沖線上的脈沖701的數量N與掃描地址數據有關，在每個全屏掃描周期內，每次的數目N都不相同。
本發明的基本技術方案是在每一只紅外元件中嵌入一片解碼芯片。但是為了節省各種資源、減少因為單個管子體積小、引腳多而導致的封裝或者焊接困難，也可以將幾個紅外元件的管芯封裝在一起，共用一片解碼芯片構成一種組合結構的新型紅外元件，如圖8所示的示例就是將4個紅外元件的管芯封裝在一個殼體內的紅外發射管或者接收管組合。圖中，在殼體801之內的襯板803上，安裝有4個紅外發射管或者接收管的管芯804；解碼芯片802負責按照前面所述的原理來分別控制這4只管芯的選定。這樣，即使使用包含電源線和地線在內、如圖2或圖4所示的5條外接引腳805，其尺寸、體積對于封裝和焊接方面也還是很寬裕的。使用這種結構，可以數只管芯共用一套解碼器405，然后每只管芯配備一個獨立的地址比較單元406和地址碼407以及控制開關408等其它部分，就可以構成用于本發明的紅外元件。
權利要求
1.一種使用總線結構實現掃描驅動的紅外觸摸屏，由構成觸摸屏框架的印刷電路板，安裝在所述電路板上的紅外發射管陣列和紅外接收管陣列，控制所述紅外發射管和接收管陣列實現屏幕表面掃描、包含有光電信號處理電路的微控制器系統，以及所述微控制器系統與上位機之間的通信接口電路構成，其特征在于所述微控制器系統內包含有一個紅外發射和接收管掃描地址碼的串行碼編碼器；與此對應在紅外元件內部嵌入有解碼芯片，并且在所述解碼芯片內部包含有與所述編碼器相對應的解碼器，并包含與每一對紅外發射和接收對管的掃描地址相對應的地址值的地址比較單元，其數據輸入端與所述解碼器的數據輸出端相連接；所述地址比較單元的輸出端與一個控制開關單元相連接；在所述編碼器與紅外發射管陣列之間，通過至少包含有一條地址線和一條驅動線的驅動總線相耦合連接；在所述編碼器與紅外接收管陣列之間，通過至少包含有一條地址線和一條信號線的信號總線相耦合連接；所述紅外發射或接收管通過所述控制開關與所述驅動或信號總線耦合連接；所述串行碼編碼器與所述安裝有紅外發射管陣列和紅外接收管陣列的電路板之間通過連接器連接。
2.根據權利要求1所述的紅外觸摸屏，其特征在于所述的掃描地址碼的編碼器，包含有一個地址碼發生單元、一個串行地址信息輸出單元、一個時鐘信號發生單元、一個紅外發射管驅動單元或者紅外接收管的光電信號接收單元；所述地址碼發生單元的輸出端與串行地址信息輸出單元的輸入端相連接，時鐘信號發生單元的輸出端與所述串行地址信息輸出單元的時鐘輸入端相連接；與編碼器相對應，所述包含在每一對紅外發射和接收管中的解碼器包含有一個帶有時鐘輸入端的串行信號接收單元；所述驅動和信號總線內都包含有一條與所述時鐘信號發生單元的輸出端和所述串行信號接收單元的時鐘輸入端相耦合連接的時鐘線，以及一條耦合連接所述串行地址信息輸出單元的輸出端和所述串行信號接收單元的數據輸入端的數據線。
3.根據權利要求1所述的紅外觸摸屏，其特征在于所述的掃描地址碼的編碼器，是一個受控脈沖發生器，每次所輸出的脈沖的個數與掃描地址的值相關；與編碼器相對應，所述包含在每一對紅外發射和接收管中的解碼器包含有一個計數器單元；所述驅動和接受總線中的地址線，耦合連接在所述受控脈沖發生器的輸出端和所述計數器單元的輸入端之間。
4.根據權利要求1所述的紅外觸摸屏，其特征在于在所述微控制器系統的內部包含有兩個獨立的供電電源，分別為紅外發射管陣列內的發射管和紅外接收管陣列內的接收管供電。
5.根據權利要求1所述的紅外觸摸屏，其特征在于所述微控制器系統內包含有一個電源，該電源通過電源線依次為紅外發射管陣列和紅外接收管陣列供電；在所述紅外發射管陣列和紅外接收管陣列之間的電源線上，安裝有一個電源凈化電路。
6.根據權利要求1或2、3、4、5所述的紅外觸摸屏，其特征在于所述微控制器系統內及其包含的紅外發射和接收管掃描地址碼的串行碼編碼器，與安裝有紅外發射管陣列和紅外接收管陣列的電路板上之間，通過插接接口相連接。
7.根據權利要求1或2、3、4、5所述的紅外觸摸屏，其特征在于所述的紅外元件由若干個紅外發射管或者接收管的管芯和嵌入的解碼芯片構成，共同封裝在一個殼體之內；所述的解碼芯片中包含有一個解碼器和數量與所述管芯相等的地址比較單元。
全文摘要
一種使用總線結構實現掃描驅動的紅外觸摸屏，在微控制器系統內包含有一個紅外發射和接收管掃描地址碼的串行碼編碼器；與此對應在紅外元件內部嵌入有包含有與所述編碼器相對應的解碼器的解碼芯片，并包含與每一對紅外發射和接收對管的掃描地址相對應的地址值的地址比較單元，以及控制管芯是否被選通的控制開關；在所述編碼器與紅外發射和接收管陣列之間，通過至少包含有一條地址線、一條驅動線或者信號線系統總線相連接。所述串行碼編碼器與所述安裝有紅外發射管陣列和紅外接收管陣列的電路板之間通過連接器連接。這種總線驅動方式的紅外觸摸屏，能夠最大程度降低邊框的寬度，使其幾乎可以安裝在任何顯示器上，更方便在各種場合的應用。
文檔編號H03K17/78GK101082850SQ20061008324
公開日2007年12月5日 申請日期2006年5月31日 優先權日2006年5月31日
發明者劉新斌, 葉新林, 劉建軍, 劉新坤 申請人:北京匯冠新技術有限公司