专利名称：使用总线结构实现扫描驱动的红外触摸屏的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种红外触摸屏中换能元件扫描的驱动结构的改进，属于计算机多媒体技术中的触摸屏技术领域。
背景技术：
现有的红外触摸屏中，红外发射管阵列和接收管阵列的驱动方式，都是使用安装在构成红外触摸屏边框的电路板上的逻辑电路芯片来解析由微控制器系统所产生的扫描地址信息，然后通过一条条独立的驱动线来选通相应的红外发射和接收对管，驱动其中的红外发射管发射红外线，同时接通对应的红外接收管的光电信号传输通道，从而实现一次触摸检测。相关的技术原理可参见号码为ZL01259522.5、CN00121462.4的中国专利或专利申请文件，及其这些专利所参考的其它国内外专利文献。由于这种驱动电路需要在作为红外发射管阵列和接收管阵列安装载体的PCB(印刷电路板)边框上安装数量很多的集成电路，以及同样数量众多的连接线，因此很难缩减红外触摸屏边框PCB的宽度，以适应现在显示设备尤其是液晶显示器越来越窄的边框尺寸，安装在这类显示器上，从而导致红外触摸屏的应用在很多情况下受到这些物理尺寸的限制而难以实现。
发明内容
本发明的内容就是针对现有技术的不足之处，公开了一种在红外元件中嵌入解码芯片、使用总线方式实现红外元件选通以及驱动或光电信号传输的技术方案。
红外触摸屏由构成触摸屏框架的印刷电路板、安装在所述电路板上的红外发射管阵列和红外接收管阵列，控制所述红外发射管和接收管阵列实现屏幕表面扫描，包含有光电信号处理电路的微控制器系统，以及所述微控制器系统与上位机之间的通信接口电路构成。在现有的技术方案的基础上，本发明还增加了如下技术内容所述微控制器系统内包含有一个红外发射和接收管扫描地址码的串行码编码器；与此对应在红外发射管和接收管内部嵌入有解码芯片，并且在所述解码芯片内部包含有与所述编码器相对应的解码器，并包含与每一对红外发射和接收对管的扫描地址相对应的地址值的地址比较单元，其数据输入端与所述解码器的数据输出端相连接；所述地址比较单元的输出端与一个控制开关单元相连接；在所述编码器与红外发射管阵列之间，通过至少包含有一条地址线和一条驱动线的驱动总线相耦合连接；在所述编码器与红外接收管阵列之间，通过至少包含有一条地址线和一条信号线的信号总线相耦合连接；所述红外发射或接收管通过所述控制开关与所述驱动或信号总线耦合连接；所述串行码编码器与所述安装有红外发射管阵列和红外接收管阵列的电路板之间通过连接器连接。
这里所说的耦合连接，是一种不改变连接性质的连接方案，例如一条总线可能要直接与数十只甚至上百只红外元件的相应端口相连接，那么一般芯片的输出端口难以达到这样的扇出系数，因此可能就需要使用某种驱动器来增加总线的驱动能力。但是增加的驱动器并不改变这种输出的性质、功能，在本发明中就称为耦合连接。
通过对本发明技术方案的描述可知，使用本发明的红外触摸屏，能够极大地销减边框PCB上的布线数量，并且几乎可以去掉任何芯片，这样就能够大大缩减所述PCB的尺寸，尤其是边框的宽度寸，缩小了触摸屏的安装尺寸，几乎可以安装在任何显示器上，更方便红外触摸屏的在各种场合的应用。
图1本发明的基本原理示意图。
图2本发明的一种系统总线与红外元件的连接结构图。
图3与图2电路结构相对应的一种可用的信号时序图。
图4与图2相对应的一种编码器和解码芯片以及红外元件的基本结构图。
图5一种使用独立的数字和模拟电源的总线连接示意图。
图6本发明另外一种总线与红外元件的连接结构图。
图7与图6电路结构相对应的一种可用的信号时序图。
图8一种共用解码芯片的组合结构的红外元件的结构示意图。
下面结合附图和附图中的各个部分，来详细说明本发明的一些具体实施方式
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具体实施例方式
参看图1所示的本发明的基本原理示意图。在用于总体控制红外触摸屏工作的微控制器系统102中，包含有一个地址信息编码器101，该编码器通过系统总线103与构成红外发射管阵列106和红外接收管阵列108中的每一对红外发射管107和接收管109相连接。这里的系统总线可以区分为驱动总线和信号总线。在驱动总线中，至少包含有一条地址线用于选定相应的红外发射管，一条驱动线用于驱动红外发射管发射红外线；在信号总线中，同样要至少包含有一条地址线用于选定相应的红外接收管，一条信号线用于传送红外接收管所接收到的红外光电信号。在红外发射管107和接收管109的内部，都分别嵌入有一个解码芯片，并且在一块红外触摸屏中，每一对红外发射和接收管内部的解码芯片中都被固化有相同的地址码，并与其它的红外发射和接收对管内被固化的地址码都不相同。这样，当红外触摸屏工作时，这些发射管中的解码芯片110和接收管中的解码芯片112不断解析由驱动总线输出的地址码，当地址码与所述解码芯片中固化的地址码相对应时，则选通这对红外发射和接收管，允许该发射管被驱动总线中的驱动线所输出的驱动信号驱动管芯111发射红外线，同时也允许接收管通过信号总线中的信号线，输出管芯113得到的红外光电信号到微控制器系统，完成一次检测扫描。当然，为了发射管和接收管中的芯片能正常工作，还需要通过随同系统总线一同设置的电源(VCC)线104和地(GND)线105为其提供电能。在本发明中，系统总线、电源线、地线、红外发射管和接收管阵列，都安装在构成红外触摸屏边框的PCB电路板上，而微控制器系统及其内部编码器则另外安装，二者之间通过连接器114相连接。
图2给出的是一种系统总线的构成及其与红外元件之间的连接关系，是本发明可以使用的一种结构。图中，驱动总线由时钟(CLK)线201、数据(DATA)线202、驱动(DRV)线203构成；信号总线由时钟(CLK)线201、数据(DATA)线202、与微控制器系统内的红外光电信号处理电路205的输入端相耦合连接信号(REV)线204构成。与此相对应，红外发射管和接收管内的解码芯片应该引出相应的输入输出端口与总线相耦合连接。另外，用于接收处理从接收管传送出来的红外光电信号的接收器205，相对于所述编码器而言可以独立工作，因此该部分既可以包含在编码器101之内，也可以独立于其外，只受控于所述的微控制器系统。
图3是图2所示的总线在工作时，其中每一条导线(传输线)上一种可用的的信号时序图。如图所示，在T0-T1时间段内，编码器通过时钟线(CLK)输出时钟脉冲301、通过数据线(DATA)上输出扫描地址信息302到每一对红外发射和接收对管；而各个对管也同时在时钟信号的作用下同步接收扫描地址信息。由于所述的扫描地址信息，是与触摸屏中各个对管中的某一对的地址相对应的，因此当扫描地址信息发送完毕以后，必然有某对对管通过解码被选定，然后在T1-T2时间段，驱动线(DRV)输出红外发射驱动信号303驱动该被选定的对管中的发射管发射红外线，同时微控制器通过信号线来检测相应的接收管是否输出了红外光电信号304，就完成了一次触摸事件检测。完成这次检测后，可以设定上述总线中的所有连接线在T2-T3时间段一同输出一个高电平305，将各对对管内的地址信息清零，准备接收下一组地址信息。这样周而复始循环不断，就实现了驱动各个对管连续扫描检测触摸事件的功能。
图4事实上也是实现图2、图3所示的原理的一种编码器和红外发射管和接收管内部的解码芯片内部的逻辑原理图。现在以发射管的工作原理为例来说明这个电路的各部分的结构和功能。在扫描检测时，由扫描地址信息发生器403生成每一对红外发射接收对管的地址信息，该信息被传送到串行数据发生器402中，在时钟发生器401所产生的时钟的作用下，通过输出端口耦合输出到数据线(DATA)上，同时时钟发生器的时钟信号也被耦合输出到时钟线(CLK)上。在上述串行地址信息被发送的同时，触摸屏内所有的发射管和接收管内的解码芯片也在时钟信号的作用下同步接收这些地址信息数据，经过在所有的红外元件中都相同的解码器405解码以后，不停地与事先被固化在地址比较单元406内、代表该发射管的地址码407进行计算或比较，判断是否相配合。当上述时钟和数据信号停止以后，参照前面的说明可知，一定会有一只发射管的地质值与编码器所发送的地址值相配合，这时地址比较单元输出一个信号到用于控制开关408，将发射管的管芯111接入电路。这样当驱动线上出现驱动信号时，该发射管就可以被驱动而发射红外线。这样，就实现了图2所示的触摸检测功能。
对于图4的结构，一个简单的实施方案的主体部分可以这样构成时钟发生器401可以由微控制器的I/O端口直接输出；扫描地址信息发生器403由微控制器的可执行代码生成；串行数据发生器402可以在微控制器内，利用可执行代码控制其内部的存储器，构成实际或者模拟的“并入串出移位寄存器”，再由其I/O端口输出。而在解码芯片中，解码器405可以由一个“串入并出移位寄存器”构成，地址比较单元406可以使用多输入端与门，根据该红外元件被设定的地址值，其输入端与地址比较单元406的相应输出端相连接。
在完成了一次检测之后，微控制器系统控制编码器所有的输出线输出一个指定电平，例如图3中所示的高电平脉冲305，就可以将发射管内的所有数据清零，为下次解码做好准备。如果要输出这个高电平脉冲，可以有很多种方法来实现，比如直接通过对微控制器的I/O端口编程。因为虽然在上述附图中给出的是单独的串行信息发生器402、地址信息发生器403以及时钟发生单元401等分立单元，但实际上这些部分都可以直接通过程序在微控制器内部实现甚至不需要增加任何外部元器件。但是为了清晰表述本发明的内容，在图4中给出了一个或逻辑的脉冲发生结构。如图所示，在一次触摸检测完成以后，被微控制器控制的脉冲发生器412输出一个高电平脉冲，这个脉冲通过与时钟信号相连接的或门409、与地址数据相连接的或门410和与驱动信号相连接的或门411分别传输到上述的时钟线、数据线和驱动线上。与此对应，在发射管中的解码芯片中也包含有一个与门413，其三个输入端分别与时钟线、数据线和驱动线相连接，其输出端与解码器的数据清零端R相连接。当该与门的三个输入端都为高电平时，其输出的高电平为解码器清零。
要实现连续扫描检测，就需要不断复位解码器，也就是上面所说的清零。从现有技术的来看，为解码器清零的方式有很多种比如接收一组非有效地址的数据，在所有的红外元件的解码芯片中嵌入这个数据，收到并比较、确认后为解码器清零；再如，保持某一、两条传输线上持续一段时间的特定电平，利用积分电路检测到这个电平后清零等。因此图3、4所给出的只是其中的一种相对比较简单的技术方案，可供选择，因此在图中使用虚线表示。
对于红外接收管，其工作原理与发射管不同之处在于其内部嵌入的解码芯片中的控制开关408所控制的不是驱动信号的通道，而是红外光电信号的输出通道204(REV)。从图4中可以看到，如果使用前述通过或逻辑输出高电平脉冲的复位方案，则可以在信号传输线上加装一个选择开关414，用来切换该传输线的用途，其它部分的原理与发射管部分相同。这里所说的控制开关408或者选择开关414也并非一定是独立的开电子，如前所述，完全可以通过对微控制器系统的I/O端口进行编程来实现，比如利用I/O端口的高阻态来实现某些传输线复用的切换。
由于在红外接收管中所嵌入的解码芯片中可能需要加入处理微弱的光电信号的模拟电路部分，并且这部分电路与发射管发射红外脉冲同时工作，因此如果使用与系统总线随行的电源线来给接收管供电，那么电源线上的干扰不可避免地将影响接收部分的信号质量。针对这种情况，图2和图5给出了两种不同的解决方案。第一种方案由于在红外触摸屏的PCB边框上，发射管阵列和接收管阵列位于相邻的两条边框上，因此如果在相邻的两个发射管阵列之间接入电源，分别为两个相邻的发射管阵列和接收管阵列提供电源，将红外接收管阵列连接在发射管阵列之后，那么就可以在二者之间插入滤波退耦单元206，如图2所示。第二种方案如图5所示，在微控制器系统内部构建两个相互独立的数字电源501和模拟电源502，然后通过数字电源线503为发射管阵列供电；通过模拟电源线504为接收管阵列供电。这样的设计更有助于降低数字电路对模拟电路的干扰。这时电源的接入部位应该是相邻的发射管阵列和接收管阵列的接合部，并将相邻的两个发射管阵列和接收管阵列相串连。
图6和给出了一种最简化的总线结构驱动总线和信号总线都只包含有两条传输线，分别是脉冲线(PLU)601和驱动线203；脉冲线(PLU)601和信号线204。这时，所述的串行数据发生器402则是一个脉冲发生器，每次扫描输出脉冲的数量与该次扫描希望选定的地址信息相关，例如与红外发射接收对管的序号相同。与此对应，红外元件中的解码器405就是一个计数器，对总线上的脉冲数量计数。这种结构实际上是将时钟线与数据线合二为一，以异步传输的方式来输出地址数据。
与图6相对应，图7给出了图6所示的总线在工作时，其中每一条导线(传输线)上的信号的一种可用的时序图。可以看到这个时序图与图3非常相似，不同之处只有两点第一是因为省略了一条传输连接线而少了一组波形；第二是脉冲线上的脉冲701的数量N与扫描地址数据有关，在每个全屏扫描周期内，每次的数目N都不相同。
本发明的基本技术方案是在每一只红外元件中嵌入一片解码芯片。但是为了节省各种资源、减少因为单个管子体积小、引脚多而导致的封装或者焊接困难，也可以将几个红外元件的管芯封装在一起，共用一片解码芯片构成一种组合结构的新型红外元件，如图8所示的示例就是将4个红外元件的管芯封装在一个壳体内的红外发射管或者接收管组合。图中，在壳体801之内的衬板803上，安装有4个红外发射管或者接收管的管芯804；解码芯片802负责按照前面所述的原理来分别控制这4只管芯的选定。这样，即使使用包含电源线和地线在内、如图2或图4所示的5条外接引脚805，其尺寸、体积对于封装和焊接方面也还是很宽裕的。使用这种结构，可以数只管芯共用一套解码器405，然后每只管芯配备一个独立的地址比较单元406和地址码407以及控制开关408等其它部分，就可以构成用于本发明的红外元件。
权利要求
1.一种使用总线结构实现扫描驱动的红外触摸屏，由构成触摸屏框架的印刷电路板，安装在所述电路板上的红外发射管阵列和红外接收管阵列，控制所述红外发射管和接收管阵列实现屏幕表面扫描、包含有光电信号处理电路的微控制器系统，以及所述微控制器系统与上位机之间的通信接口电路构成，其特征在于所述微控制器系统内包含有一个红外发射和接收管扫描地址码的串行码编码器；与此对应在红外元件内部嵌入有解码芯片，并且在所述解码芯片内部包含有与所述编码器相对应的解码器，并包含与每一对红外发射和接收对管的扫描地址相对应的地址值的地址比较单元，其数据输入端与所述解码器的数据输出端相连接；所述地址比较单元的输出端与一个控制开关单元相连接；在所述编码器与红外发射管阵列之间，通过至少包含有一条地址线和一条驱动线的驱动总线相耦合连接；在所述编码器与红外接收管阵列之间，通过至少包含有一条地址线和一条信号线的信号总线相耦合连接；所述红外发射或接收管通过所述控制开关与所述驱动或信号总线耦合连接；所述串行码编码器与所述安装有红外发射管阵列和红外接收管阵列的电路板之间通过连接器连接。
2.根据权利要求1所述的红外触摸屏，其特征在于所述的扫描地址码的编码器，包含有一个地址码发生单元、一个串行地址信息输出单元、一个时钟信号发生单元、一个红外发射管驱动单元或者红外接收管的光电信号接收单元；所述地址码发生单元的输出端与串行地址信息输出单元的输入端相连接，时钟信号发生单元的输出端与所述串行地址信息输出单元的时钟输入端相连接；与编码器相对应，所述包含在每一对红外发射和接收管中的解码器包含有一个带有时钟输入端的串行信号接收单元；所述驱动和信号总线内都包含有一条与所述时钟信号发生单元的输出端和所述串行信号接收单元的时钟输入端相耦合连接的时钟线，以及一条耦合连接所述串行地址信息输出单元的输出端和所述串行信号接收单元的数据输入端的数据线。
3.根据权利要求1所述的红外触摸屏，其特征在于所述的扫描地址码的编码器，是一个受控脉冲发生器，每次所输出的脉冲的个数与扫描地址的值相关；与编码器相对应，所述包含在每一对红外发射和接收管中的解码器包含有一个计数器单元；所述驱动和接受总线中的地址线，耦合连接在所述受控脉冲发生器的输出端和所述计数器单元的输入端之间。
4.根据权利要求1所述的红外触摸屏，其特征在于在所述微控制器系统的内部包含有两个独立的供电电源，分别为红外发射管阵列内的发射管和红外接收管阵列内的接收管供电。
5.根据权利要求1所述的红外触摸屏，其特征在于所述微控制器系统内包含有一个电源，该电源通过电源线依次为红外发射管阵列和红外接收管阵列供电；在所述红外发射管阵列和红外接收管阵列之间的电源线上，安装有一个电源净化电路。
6.根据权利要求1或2、3、4、5所述的红外触摸屏，其特征在于所述微控制器系统内及其包含的红外发射和接收管扫描地址码的串行码编码器，与安装有红外发射管阵列和红外接收管阵列的电路板上之间，通过插接接口相连接。
7.根据权利要求1或2、3、4、5所述的红外触摸屏，其特征在于所述的红外元件由若干个红外发射管或者接收管的管芯和嵌入的解码芯片构成，共同封装在一个壳体之内；所述的解码芯片中包含有一个解码器和数量与所述管芯相等的地址比较单元。
全文摘要
一种使用总线结构实现扫描驱动的红外触摸屏，在微控制器系统内包含有一个红外发射和接收管扫描地址码的串行码编码器；与此对应在红外元件内部嵌入有包含有与所述编码器相对应的解码器的解码芯片，并包含与每一对红外发射和接收对管的扫描地址相对应的地址值的地址比较单元，以及控制管芯是否被选通的控制开关；在所述编码器与红外发射和接收管阵列之间，通过至少包含有一条地址线、一条驱动线或者信号线系统总线相连接。所述串行码编码器与所述安装有红外发射管阵列和红外接收管阵列的电路板之间通过连接器连接。这种总线驱动方式的红外触摸屏，能够最大程度降低边框的宽度，使其几乎可以安装在任何显示器上，更方便在各种场合的应用。
文档编号H03K17/78GK101082850SQ20061008324
公开日2007年12月5日 申请日期2006年5月31日 优先权日2006年5月31日
发明者刘新斌, 叶新林, 刘建军, 刘新坤 申请人:北京汇冠新技术有限公司