专利名称：直射式表面声波触摸屏的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用刚性表面上传导的超声波检测触摸点的触摸屏，属于计算机多媒体技术领域，特别是计算机多媒体控制技术领域。本发明适用于各种以微处理器为核心的数字信息设备的人机交互界面。
现有的表面声波触摸屏都是基于4,644,100、4,645,870、4,700,176、4,791,416、4,880,665、4,642,423以及6,441,809等美国专利及其内部参考的其它专利所公开的技术设计的。这些技术的核心内容，是利用触摸屏触摸底板两侧边缘的、与触摸底板边缘成45角的两组能够部分透射超声波的“反射条纹”，将安装在触摸底板一个角落的超声波发射器所发射的超声波经过反射条纹两次45的反射，被安装于发射器同一侧边另外一个角落的一只超声波接收器接收到而产生电信号。由于上述的反射条纹与超声波发射器和接收器的距离逐渐增大，使得超声波在触摸底板表面的传播距离随反射条纹与超声波发射器和接收器的距离增加而增加，亦即超声波在底板表面的传播时间随上述距离的增加而增加，所以超声波接收器收到发射器所发射的超声波脉是一串非常密集的脉冲，形成一定持续时间的脉冲包络。如果有柔软的物体与底板表面接触，就会吸收掉底板表面该接触点所在的传播路径内的超声波，在上述脉冲包络相对应的时间点上出现电压幅度的降低。这样利用时间与距离之间的对应关系，通过检测时间点就能够得到触摸点的一维坐标值。再在上述安装了一组超声波换能器的侧边的邻边安装相同的另外一组超声波换能器，利用同样的原理，就可以得到触摸点另外一维的坐标值。这样，就得到了触摸点在触摸底板表面的坐标值。
从上面简述的工作原理可以看到，现有的表面声波触摸屏的超声波需要两次经过反射条纹的透射和反射，接收器收到的超声波信号已经非常微弱，如果在使用中这些反射条纹积聚了灰尘等污物，就会严重削弱超声波的强度，使接收器无法接收到超声波信号。在实际使用的过程中，现有的表面声波触摸屏需要定期清理玻璃表面和反射条纹，就是这个原因。这无疑大大影响了使用的方便性，大幅度增加了触摸屏应用设备的维护成本。再有，上述的这些反射条纹的制造工艺比较复杂，这就增加了触摸屏的生产成本，限制了使用的普及性。另外，由于这种触摸屏只有两组超声波换能器，所以一旦有一只换能器失效，触摸屏就将报废。而由于超声波发射器长期工作在高脉冲功率的状态下，因此出现失效的概率很高，这将缩短触摸屏的平均工作寿命，相当于增加了使用成本。
本发明的目的就是针对现有表面声波触摸屏的上述缺陷，公开一种不需要反射条纹的表面声波触摸屏的结构方案，采用一种直接接收通过触摸物检测表面的超声波的设计方案，消除反射条纹带来的各种不便，降低触摸屏的使用成本。本发明另外的一个目的是利用本发明方案的结构优点，实现超声波换能器系统的冗余设计，在部分超声波换能器损坏的情况下，通过自动调整换能器的组合方案，恢复触摸屏的正常功能。
实现上述发明目的技术方案包含了现有表面声波触摸屏的主体结构，如矩形触摸底板、安装在触摸底板上的超声波换能器，与超声波发射器连接的超声波发射驱动电路，和与超声波接收器连接的超声波信号放大处理电路、A/D变换器，以及以微处理器为核心的数字信号接收、处理和运算电路、与上位机之间的接口电路组成的数字信号处理系统及其内部的可执行代码等部分，但在超声波换能器的结构和安装方面，采用了如下技术方案在触摸屏的触摸底板上安装有2～4只超声波发射器，分别安装在触摸底板4个角中的2～4个角部的表面上；在构成每个安装了上述超声波发射器的角的两条边的对边的表面上，都安装有长条形的超声波接收器；所述超声波接收器的信号输出端，分别通过两个信号传输通道与两路模拟信号处理电路耦合连接，每个模拟信号处理电路的输出端又分别与两个A/D变换器连接；所述两个A/D变换器分别通过各自的数字信号输出端口，与所述数字信号处理系统的数据总线相连接；与上述电路结构相对应，在所述数字信号处理和传输系统的程序存储器的可执行代码中，还包含有一组能够控制上述两个信号传输通道传输状态的代码，该组代码能够在数字信号处理系统指令某一只超声波发射器的驱动电路驱动超声波发射器发射超声波时，通过控制总线同步控制上述信号传输通道，将两只安装于上述构成安装了上述被驱动的超声波发射器的角部的边缘的对边的表面上的超声波接收器的信号输出端，分别与上述两路模拟信号处理电路相连接。
对于换能器系统的冗余设计，进一步采用了下面的技术方案将4只超声波发射器分别安装在所述矩形触摸底板的4个角上；长条形的超声波接收器也共有4只，分别安装在触摸底板的4个边的表面上；所述的信号传输通道是两只一刀四掷的模拟开关，这两只模拟开关中一只的4个输入端分别与另一只的4个输入端两两对应并联，分别与4只超声波接收器的信号输出端相连接，输出端分别与两路模拟信号处理电路相连接。
上述结构形成了换能器冗余设计的物理基础。为了能够实现设定的换能器冗余设计而不需要使用者二次设计冗余方案，在所述数字信号处理系统的程序存储器的可执行代码中，还包含了一个包含换能器全部或者部分可能的配置组合的表单，包含在上述数字信号处理系统中的微处理器能够调用并执行该表单的配置，利用所述控制上述两个信号传输通道传输状态的代码，通过控制总线控制所述的模拟开关，在任意一种换能器配置组合情况下，同步控制超声波发射器发射超声波和控制上述模拟开关，将对应的超声波接收器接收与模拟信号处理电路相连接。
更进一步，为了方便换能器冗余组合的调用，避免使用者人工干预，在所述数字信号处理系统的程序存储器的可执行代码中，还包含了一组换能器检测代码，该组代码能够通过控制超声波发射器和接收器，发射并接收超声波信号来判断超声波发射器和接收器的工作状态是否正常，并在当前指定的超声波发射器或者接收器出现故障的情况下，按照设定的顺序自动调用所述表单，循环执行测试功能；在测试得到一组正常的换能器组合后，返回到程序中的指定入口，在测试完所述表单中全部换能器组合后仍然未得到一组正常的换能器组合后，则调用错误信息，通过通信端口传输到上位机。
从上面对本发明技术方案的描述来看，可知本发明有以下三个方面的优点第一，因为省略了玻璃表面边缘的反射条纹，所以避免了因为污物的堆积而影响触摸屏使用效果的现象，降低了维护成本；第二，因为省略了这些反射条纹，还大为简化了触摸屏的生产工艺，降低了生产成本，有利于普及使用；第三，换能器的冗余设计结构保证了在部分换能器失效的情况下，触摸屏仍能够正常使用，相当于几倍地延长了触摸屏的使用寿命，相当于大大降低了用户的更新费用。
下面结合图表来详细说明能够实现上述各种发明目的的一些具体实施方案。
图表说明
图1超声波直射传播的原理示意2与图1对应的时间—电压信号波形图3一般情况下一种使用直射传播方式实现触摸点检测的结构原理4冗余换能器设计的结构原理示意5基本构架的直射式表面声波触摸屏的结构示意6一种带冗余设计的直射式表面声波触摸屏的结构示意7另外一种基本构架的直射式表面声波触摸屏的结构示意8超声波接收器的基本结构及其在触摸底板边缘的安装9一种超声波发射器与接收器之间的安装位置示意10与图5、7结构对应的微处理器内部的一种程序流程11与图6对应的微处理器内部的一种程序流程图从图1和图2可以看到，如果没有吸收超声波的触摸物存在，超声波发射器E所发射的超声波脉冲就能够被位于该发射器对面、与发射器距离为D的条形接收器收到；这时超声波在底板的表面以发射器为圆心向周围扩散，经过一段传播时间T以后，接收器会接收到超声波，产生电信号。如果超声波在底板中的传播速度(后面简称声速)用v表示，则有D＝vT因为接收器R的两端与发射器的距离不相同，其中一端与发射器距离最近，沿接收器长轴方向离发射器越来越远，这样超声波脉冲101就会从接收器的一端开始，“扫过”整条接收器，因而接收器的不同位置都会随时间的推移顺序产生电信号，这样接收器所输出的电信号就是一个持续时间为ΔT的宽脉冲包络201。图1中的同心弧线表示超声波扩散传播的过程，其中实线表示波峰的位置，虚线表示波峰在不同时刻扩散传播到达的位置。如果在超声波的传播路径上有一个触摸物P，那么触摸物就会吸收掉一部分超声波，沿发射器与触摸物之间的连线向接收器R方向延伸，在与接收器R的交点处，所产生的电信号就会比没有触摸物时弱，即在接收到超声波后，到达Δt时刻时，接收器输出电信号的幅度会明显降低，如图2所示，这时传感器输出的电压Vp就小于正常时的电压Vm。因为已经发射器与接收器之间的位置关系是已知的，那么只要测量得到Δt，就可以得到通过点E和点P的直线的方程。如果如图3所示，在底板的表面安装有两个超声波发射器EA和EB，在与接收器R之间的距离分别是DA和DB，那么通过测量输出两条电压包络301、302上电压跌落点的时间ΔtA和ΔtB，就可以得到两条连接发射器和触摸点的直线的方程，求解这两条直线的交点，即可得到触摸点的坐标。不过，因为图3所示的结构所能够检测的有效区域非常小，所以不具备很强的实用性，仅仅是一种对原理的说明。而采用后面的结构，就能够达到很宽的检测范围，达到实用化的要求。
下面结合图4来定量说明在该图所示原理的结构框架内，各种可能的实施方案。
在图4所示简化的发射器和接收器的安装位置示意图中，401是安装传感器的触摸底板板，设定需要检测触摸点的矩形区域的长度为a、宽度为b，并以该区域的一个角为原点建立直角坐标系X0Y。在矩形区域的四个角上安装四个超声波发射器，其坐标分别为E1(0，0)、E2(0，b)、E3(a，b)和E4(a，0)，在上述区域的四个边上安装4条超声波接收器，分别用R1、R2、R3、R4表示。为叙述清晰，这里利用矩形的对角线，将上述矩形区域再划分为1、2、3、4共四个小区域，并分别在两条对角线的上方和下方各设置了一个触摸点P(x，y)和P’(x’，y’)，以便于分析当触摸点P(x，y)从位于不同区域时，触摸点与每个超声波发射器之间的关系。但是分析时都以P(x，y)来表示。
为了更清晰地说明本发明的原理结构，下面将定义部分新符号，用于后面的数学关系推导。这些符号如下Ta从发射器发射的超声波，经距离a后到达接收器R1或R3所需要的渡越时间；Tb从发射器发射的超声波，经距离b后到达接收器R2或R4所需要的渡越时间；Δtnu，(n＝1，2，3，4)表示超声波沿0→X、0→Y方向扫过各个接收器时产生的Δt；Δtnd，(n＝1，2，3，4)表示超声波沿X→0、Y→0方向扫过各个接收器时产生的Δt。
同时，再沿用与前面相似的其他符号系统，分别推导通过上述四个超声波发射器与触摸点的直线的方程。
当触摸点P(x，y)位于区域1、区域2内时，设发射器E1(0，0)发射的超声波被触摸物吸收后留下的阴影在接收器R2上留下投影的中心点，与发射器E1之间的距离为D1，有D1=(Tb+Δt2u)v=x12+b2]]>可得x1=(Tb+Δt2u)2v2-b2]]>得到直线方程y=bx(Tb+Δt2u)2v2-b2·········(1)]]>当触摸点P(x，y)位于区域3、区域4内时，上述阴影在接收器R3上投影的中心点与发射器E1之间的距离为D2，则有D2=(Ta+Δt3u)v=a2+y12]]>得y1=(Ta+Δt3u)2v2-a2]]>得到直线方程y=(Ta+Δt3u)2v2-a2ax········(2)]]>对于发射器E2(0，b)，当触摸点位于区域2、区域3内时，上述阴影在接收器R3上投影的中心点与发射器E2之间的距离为D3，则有D3=(Ta+Δt3d)v=a2+(b-y2)2]]>由于y2小于b，所以y2=b-(Ta+Δt3d)2v2-a2]]>因而得直线方程y=(Ta+Δt3d)2v2-a2ax+b···········(3)]]>当触摸点位于区域1、区域4内时，上述发射器阴影在接收器R4上投影的中心点与发射器E2之间的距离为D4，则有D4=(Tb+Δt4u)v=b2+x22]]>得x2=(Tb+Δt4u)2v2-b2]]>也得到直线方程y=b(1-x(Tb-Δt4u)2v2-b2)···········(4)]]>对于发射器E3(a，b)，当触摸点位于区域1、区域2内时，上述阴影在接收器R1上投影的中心点与发射器E3之间的距离为D5，则有D5=(Ta+Δt1d)v=a2+(b-y3)2]]>由于y3小于b，所以y3=b-(Ta+Δt1d)2v2-a2]]>得到直线方程y=(Ta+Δt1d)2v2-a2(xa-1)+b········(5)]]>当触摸点位于区域3、区域4内时，上述发射器阴影在接收器R4上投影的中心点与发射器E2之间的距离为D6，则有D6=(Tb+Δt4d)v=(a-x3)2+b2]]>由于x3小于a，所以x3=a-(Tb+Δt4d)2v2-b2]]>进而得到直线方程y=b(x-a(Tb+Δt4d)2v2-b2+1)···········(6)]]>最后，对于发射器E4(a，0)，当触摸点位于区域2、区域3内时，上述阴影在接收器R3上投影的中心点与发射器E4之间的距离为D7，则有D7=(Tb+Δt2)v=(a-x4)2+b2]]>由于x4小于a，所以x4=a-(Tb+Δt2d)2v2-b2]]>进而得到直线方程y=b(a-x)(Tb+Δt2d)2v2-b2·········(7)]]>当触摸点位于区域4、区域1内时，上述发射器阴影在接收器R1上投影的中心点与发射器E4之间的距离为D8，则有D8=(Ta+Δt1u)v=y42+a2]]>所以得y4=(Ta+Δt1u)2v2-a2]]>由此得到直线方程y=-(xa+1)(Ta+Δt1u)2v2-a2·········(8)]]>通过上面的分析得到了触摸点位于不同位置时，连接触摸点与各个超声波发射器的8条不同直线的方程。这样，当我们设定使用不同的超声波发射器和接收器来检测触摸底板表面的触摸点，使用上面不同的直线方程构成方程组，就能够得到触摸点在检测表面的坐标值。例如，当我们使用超声波发射器E2(0，b)和E4(a，0)来检测触摸点，就可以求解由直线方程(3)、(7)或者(4)、(8)构成的方程组 或者
得到触摸点的坐标。在实际实施中，选择方程组(9)还是(10)，根据当某个发射器发射超声波后，能够在接收器R1、R4还是R2、R3输出的信号上检测出Δt来决定。由图4可知，如果在R1输出的电信号上检测到Δt1u，那么一定也能够在R4的输出信号上检测到Δt4u，而不能在R2、R3所输出的信号上检测到Δt2d、Δt3d，这时就应当使用方程组(10)来求解触摸点的坐标值，方程组(9)不会出现；如果出现相反情况，即只能在R2、R3输出的信号中得到Δt2d或者Δt3d，这时方程组(10)不会成立，而只能使用方程组(9)来求解触摸点的坐标值。
如果使用安装在触摸底板同一侧边的超声波发射器来检测触摸点的位置，情况会稍微复杂些。例如从超声波发射器E1(0，0)、E2(0，b)发射超声波，从图4可以看到，当触摸点位于区域1内时，需要使用由方程(1)和(4)构成方程组得到触摸点的坐标值；当触摸点位于区域2之内时，需要使用由方程(1)和(3)构成方程组得到触摸点的坐标值；而当当触摸点位于区域3或者4之内时，则分别需要使用由方程(2)和(3)或(2)、(4)构成方程组得到触摸点的坐标值。与前面相同，判断到底使用哪一个方程组来得到触摸点的坐标值，依然根据当某个发射器发射超声波后，能够在哪一个接接收器上检测到Δtnu或者Δtnd来决定。
对于其它各种组合，应用同样的规则就可以得到发射器、接收器之间的配置与所使用的直线方程和方程组之间的关系，从而确定如何获得触摸点坐标值的数学关系式。由于这些内容已经非常简单，所以在此无须一一列出。作为总体归纳，表1给出了使用图4所示的结构时，全部可能的换能器组合方案，以及求解触摸点坐标时需要用到的直线方程组。在表1中，直线方程及其构成的方程组依然使用前述的数字标志。
在实际产品设计时，为了保护超声波换能器，实际可用的触摸检测区域要小于长乘宽等于a*b的矩形范围，如图中虚线402所包围的范围。事实上，通过不很复杂的数学推导，可知四个长条形的超声波接收器所围成的区域不必一定是矩形，只要知道各个超声波换能器的安装坐标，其它形状依然的检测区域依然能够使用这种直射式的检测结构。但是其它形状的检测区域在实际中很少用到，因此不在本发明中做进一步的说明。同时，上述超声波换能器的安装位置坐标，也不一定要按照前面给定的最简方案设定，完全可以实际情况自由建立坐标系来设定。
上面已经详细说明了本发明的数学原理和基本的结构模型，下面将进一步用实施例的方式说明本发明的几种具体结构。
图5所展示的是实施本发明的一种基本的机电结构。图中，R1～R4与前面一样，是四个长条形的超声波接收器，安装在触摸底板的表面需要检测触摸点的区域的四个边缘。这里，包括本发明的各种实施例，底板401只是要求在触摸点检测区域402的边缘呈矩形，至于接收器外的形状无关紧要；如果触摸屏用于显示器的表面，则需要使用透明的玻璃材质，如果仅作为不实时显示上位机内容的触控板使用，则陶瓷、金属等其它不透明的弹性材质都可以使用，在此特做说明。在矩形检测区域的对角线方向上的角部，安装有两只超声波发射器E1(0，0)和E3(a，b)，分别经由导线505被驱动器501、502驱动而发射超声波。这两只驱动器通过控制线503、504被由以MCU为核心的数字信号处理系统控制。四只超声波接收器也经由导线505连接到信号传输通道507、508的输入端，并通过该通道与两路模拟信号处理电路耦合连接。这里称为耦合连接，是因为信号是经过某种过程才连接的，对于不同的换能器配置安装结构，这种过程也是不同的。但是在本发明中，充当图5中的信号传输通道507、508的基本元件是两只“单刀双掷”的模拟开关，通过控制总线506被数字信号处理系统515控制。这里所说的“单刀双掷”，表示有两组信号通道如果超声波接收器是差动输出，那么每“刀”就应该有两条信号通道；如果是单端输出，那么每“刀”就只需要一路信号通道，后面涉及模拟开关的“刀”的含意相同。这里的每个模拟开关都有两组输入端，我们定义当模拟开关的控制信号相同时，与输出端接通状态相同的那组输入端为同名输入端，这样，超声波接收器与模拟开关最佳的连接方式就是R1、R4的输出端和R2、R3输出端分别与两个模拟开关的同名信号输入端相连接，这样能够实现最简的控制方式。因为当E1发射超声波时，只有R2、R3接收到的信号有效，而当E3发射超声波时，也只有R1、R4接收到的超声波信号有效。在模拟开关后面包含有放大、滤波等功能的模拟信号处理电路509、510和A/D变换器511、512及其输出变换结果的数据总线513、514都是两路，因为触摸点的位置是未知的，所以电路部分需要同时对两个超声波接收器R1、R4或者R2、R3所输出的信号进行处理，得到待比较、处理的两组数据，而后“找到”适用的直线方程。图5所示的这个技术方案，除了前面换能器的结构、安装形式和数字信号处理系统内部的数值计算和的程序代码和执行信号通道、A/D变换器控制的程序代码以外，其它工作原理与号码为4,644,100、4,645,870、4,700,176、4,791,416、4,880,665以及6,441,809等美国专利，以及它们涉及的其他专利所公开的技术方案相同，可参考实施。最后，经过计算处理而得到的最终结果，经数据线516输出，通过与上位机的接口(PORT)517传输到上位机。
在本发明中，数字信号处理系统515的核心是微处理器(MCU)，可以是通用或者专用的单片机系统，也可以使用DSP(数字信号处理器)，视需要计算数据量、要求的处理速度而定。在大部分情况下(每秒钟的检测采样频率不是很高)，很多现有的新型单片机系统已经可以胜任。这个系统核心部分的结构与其它场合使用的数字信号处理系统的内核相同，都是由CPU、ROM、RAM、控制器和I/O端口构成。对于本发明的特定应用，还包含数据锁存器等其它外围部分。
数字处理系统内部核心程序代码的流程图见图10。系统从步骤1001开始启动，随后执行换能器检测步骤1002，再由判断步骤1003检测换能器的工作是否正常。如果正常，便从步骤1004开始通过控制线驱动器，驱动第一只超声波发射器发射超声波脉冲，并同步连接与第一只发射器对应的两只超声波接收器接收超声波。否则，跳转到步骤1015，通过数据传输步骤1014向上位机输出错误信息。由超声波接收器接输出的声——电信号经过模拟电路处理后被传送到A/D变换器，经步骤1005控制模拟信号量化，再执行存储命令1006将两路量化数据存储到暂存器。步骤1007、1008、1009控制第二只超声波发射器等部件工作，重复步骤1004～1006的操作。在得到了四个量化数据之后，执行数据读取指令1010，读取暂存的数据并判断Δt出现在哪两个接收器的输出上，为后面的数据处理计算工作作好准备。
数据处理、计算步骤1011是数据处理的核心部分。这部分的执行代码可以有两种方案供实施时选择。第一种是执行建立两个相应的直线方程构成方程组、然后求解该方程组等的程序代码，最终得到触摸点的坐标P(x，y)。如果工作在这种状态，系统还需要执行调用根据前面的直线方程(1)、(5)、(2)、(6)的推导过程、为降低运算量而已经建立完成的“直线方程模型库”的步骤1013、执行调用在触摸屏校准时形成的、用于校准计算结果的“当前校准数据”的步骤1012。这种方式的优点是数据处理比较稳定，不容易受到外界因素的影响，缺点是因为数值计算的工作量很大，如果要得到比较高的处理速度，对硬件性能的要求比较高，将导致生产成本提高，否则就会出现反应迟缓等现象而影响正常使用。第二种是MCU只将得到的Δt时间信号做一适用直线方程的标记后，直接传送到上位机中，借助于上位机(一般是PC机)强大的数值计算功能完成直线方程建立、坐标值计算等操作。在这种情况下，前述的“直线方程模型库”和“当前校准数据”可以直接存储在上位机的存储器内，其优缺点正好与第一种方案相反，对MCU的要求大大降低，生产成本也比较低廉，但容易受上位机工作状态的影响，尤其当上位机运行一些大程序时，也容易产生反应迟缓甚至死机等现象。由于步骤1011有上述的两种基本方案，因此在图10中，相关的步骤、操作和数据内容都用虚线来表示以示区分。但是，无论使用哪一种方案，所得到的数据都将通过数据传输过程1014，通过通信借口将数据送出。
另外一个基本结构的实施例见图7。与图5所示基本结构相比，这种构架的主要区别在于超声波换能器的安装结构——超声波发射器不是对角，而是安装在底板的一侧；接收器只需要安装三只，安装在触摸低板另外的三个边缘；构成信号通道的模拟开关也只需要一只，另外一个信号通道直接用导线替代。因为无论哪一只发射器发射超声波，接收器R4都必须输出电信号，才能保证检测的完整性，所以不需要随特定的发射器是否正在工作，都应被接入模拟信号处理电路。因此。这种结构亦是表1中所给出的换能器的第四种组合方式，可知尽管将要涉及的直线方程还是四个，但是方程组的组合却也有四种，因此根据Δt来判断使用哪一个方程组来求解触摸点坐标的过程会稍微复杂些，其他结构和操作的内容，与图5所示的结构相同，优点是生产成本因元器件的减少会进一步降低，缺点是在不同的检测区域，检测的物理分辨率会更不均匀，可能会在某些情况下不适合。这种结构所使用的软件结构，基本上与图10所示的程序流程图相同，主要区别是因为涉及更多的直线方程，所以步骤1010、1011的代码结构更复杂些，而控制模拟开关随超声波发射器切换接收传感器的代码则相对简单些。
图6所表示的是本发明在图5或者图8所给出的基本结构的基础上，增加了冗余设计的基本实施方案。与图5相比，这个结构增加了两只超声波发射器E2和E4，即在触摸底板的每个角上都安装了一只，与此配合，驱动器也由两个增加到601、602、603、604共4个，分别通过控制线605、606、607、608来控制。这样，根据从图4得到的结果，换能器可能的组合方式更丰富了，能够实现表1中所给出的全部组合，大大提高了触膜屏的使用寿命。比如，假设触膜屏出厂时默认的设置是使用E1、E3两只发射器，由于连续长时间工作导致E1损坏，那么当触摸屏的自检程序发现E1损坏，就可以自动或者提示使用者、维护者更换为使用基本上等效的E2、E4为默认的超声波发射器，保证触膜屏继续正常工作。如果一段时间后E2又损坏，那么系统还可以继续更改默认的发射器是E3、E4。因此这种设计能够在增加极少生产成本的条件下，大幅度提高产品的使用寿命。与图5相比，电路结构上另外一个细节的改变是模拟开关由609、610“一刀双掷”变为“一刀四掷”，这种变化是为了与换能器的组合配套。为了使数据处理系统对控制模拟开关最简，超声波接收器的信号输出端与模拟开关的输入端之间的连接方式最好按照图中的方式连接假设两只模拟开关的同名输入端分别标号为“1～4”和“一～四”，那么对于两只模拟开关的同名端按照“1∥二、2∥三、3∥四、4∥一”的顺序并联后，再与R1-R4的信号输出端连接。这样，当两只模拟的控制端接收到相同的控制信号时，总能够保证有相邻的两只超声波接收器接收对面角上发射器发射的超声波信号。如果不按照这样的规则来连接，依然可以根据表单1，随超声波发射器的工作而完成接收器的切换，但控制代码和控制总线506或电路就要复杂些，每只模拟开关要单独来控制。
与图6对应的程序流程图见图11。与图10比较，图11多了有关选择换能器组合的执行内容或步骤1101-1106，其它部分与图10相同。当执行完默认换能器的检测步骤1003并发现默认换能器失效以后，程序不是直接跳转到1015指示出错信息，而是转到换能器组合表单选择的步骤1101，从该表单中按照预先设定顺序选择第一组备用的换能器组合，按照与1002、1003相同方式的执行步骤1102，执行对新的换能器组合进行测试。如果新测试经过判定步骤1103证明这种组合能够正常工作，那么就执行步骤1104。步骤1104可以看作是程序返回的一个指定的入口，因为在这一步可以有两种操作方案供选择。第一中操作是通过显示器的指示告知使用者重新校准触摸屏，并通过步骤1106保存校准数据；第二种操作是从“校准数据库”中直接调用或标记以前(可以在第一次使用时将所有的换能器组合都校准一次，并保存校准数据)已经产生的校准数据，供后面数值计算时使用。然后执行步骤1105保存当前的选择作为以后默认的换能器组合，返回主程序继续执行下面的步骤。当然，步骤1104和1105的顺序可以互换，不会影响执行结果。如果判定步骤1103的结果是这个换能器组合也包含有已经失效的换能器单元而不能使用，那么就通过下一个判定步骤1107判断是否已经测试过表单1中所有的组合，如果结果是Yes，表示所有的换能器组合都已经被检测过，说明换能器损坏太多，触摸屏无法继续使用，这时就执行步骤1015提示错误信息；否则返回步骤1101，从表单中选择下一个换能器组合继续测试。
当然，这种冗余设计也可以使用3只超声波发射器构成冗余度比较小的设计方案。但是从“性能/价格”比的角度来看，显然不是最佳方案，因为这时理论上只能产生不足一倍的冗余度(理论上两只发射器的寿命应该差不多，没有失效的那只与没有使用过的那只组合后，工作寿命取决于由原来那只暂时没有失效的发射器的寿命)，而使用4只发射器，理论上就有两倍以上的冗余度。
另外，图6的结构也可以一起使用4只发射器工作，两只一组做第一次检测，另外两只一组用于校验以提高触摸屏的分辨率或者精度。但是在大部分情况下，这种校验不是必须的，因为手指的尺寸相对于仅在两只发射器用于检测时所能达到的分辨率或者精度而言，是非常大的尺寸，不如将另外两只用于冗余设计更合理。并且，如果加上二次校验过程，数据处理的工作量将增加一倍，对MCU等部件的要求就会更高。
图8是长条形超声波接收器的基本结构及其在触摸底板上的安装示意图。图中801表示压电材料，802、803是接收器的两个电极。这个传感器可以用多个小的接收器并联而成，或者根据触摸屏的尺寸专门设计一定长度的狭长形传感器。
图9是一般情况下超声波发射器与接收器之间的安装位置关系。在一般情况下，超声波接收器的一端与发射器的实际距离，将会大于通过接收器轴县的直线与发射器之间的最小距离。但是只要根据三角形的边长之间的关系，按照图中给出公式计算出接收器近端与发射器之间的实际距离DT，再实测或者计算出超声波传播过这个距离所需要的渡越时间，用以替代前面直线方程中的Ta和Tb，依然可以得到正确的结果。
事实上，本发明还可以有很多种变通的设计方案，但基本的数学原理、换能器之间的对应结构、基本的软硬件结构都没有很大区别，可以在实际中灵活应用。
权利要求
1.一种直射式表面声波触摸屏，由矩形触摸底板、安装在触摸底板上的超声波换能器，与超声波发射器连接的超声波发射驱动电路，和与超声波接收器连接的超声波信号放大处理电路、A/D变换器，以及以微处理器为核心的数字信号接收、处理和运算电路、与执行机构的操作系统之间的接口电路组成的数字信号处理系统及其内部的可执行代码构成，其特征在于所述超声波发射器有2～4只，分别安装在触摸底板4个角中的2～4个角部的表面上；在构成每个安装了上述超声波发射器的角的两条边的对边的表面上，都安装有长条形的超声波接收器；所述超声波接收器的信号输出端，分别通过两个信号传输通道与两路模拟信号处理电路耦合连接，每个模拟信号处理电路的输出端又分别与两个A/D变换器连接；所述两个A/D变换器分别通过各自的数字信号输出端口，与所述数字信号处理系统的数据总线相连接；与上述电路结构相对应，在所述数字信号处理和传输系统的程序存储器的可执行代码中，还包含有一组能够控制上述两个信号传输通道传输状态的代码，该组代码能够在数字信号处理系统指令某一只超声波发射器的驱动电路驱动超声波发射器发射超声波时，通过控制总线同步控制上述信号传输通道，将两只安装于上述构成安装了上述被驱动的超声波发射器的角部的边缘的对边的表面上的超声波接收器的信号输出端，分别与上述两路模拟信号处理电路相连接。
2.根据权利要求1所述的直射式表面声波触摸屏，其特征在于所述超声波发射器有2只，分别安装在所述矩形触摸底板的一条对角线所连接的两个角上；所述的长条形超声波接收器共有4只，分别安装在所述触摸底板的4个边缘的表面上，所述的信号传输通道是两只单刀双掷的模拟开关；每只模拟开关的两个同名输入端都分别与位于所述触摸底板两侧的两只超声波接收器的信号输出端相连接，输出端与上述两路模拟信号处理电路相连接。
3.根据权利要求1所述的直射式表面声波触摸屏，其特征在于所述超声波发射器有2只，分别安装在所述矩形触摸底板同一边的两个角上；所述的长条形超声波接收器共有3只，分别安装在所述触摸底板另外3个边缘的表面上；在这些超声波接收器中，与安装在触摸底板两侧的两个边相连接的信号传输通道是一只单刀双掷的模拟开关，输入端都分别与两之超声波接收器的信号输出端相连接，输出端与一路模拟信号处理电路相连接；与另外一只超声波接收器连接的信号传输通道是导线，即该超声波接收器直接通过导线与另外一路模拟信号处理电路连接。
4.根据权利要求1所述的直射式表面声波触摸屏，其特征在于所述超声波发射器有4只，分别安装在所述矩形触摸底板的4个角上；所述的长条形超声波接收器共有4只，分别安装在触摸底板的4个边的表面上；所述的信号传输通道是两只一刀四掷的模拟开关，这两只模拟开关中一只的4个输入端分别与另一只的4个输入端两两对应并联，分别与每只超声波接收器的信号输出端相连接，输出端分别与两路模拟信号处理电路相连接。
5.根据权利要求4所述的直射式表面声波触摸屏，其特征在于在所述数字信号处理系统的程序存储器的可执行代码中，还包含有一个包含换能器全部或者部分可能的配置组合的表单，包含在上述数字信号处理系统中的微处理器能够调用并执行该表单的配置，利用所述控制上述两个信号传输通道传输状态的代码，通过控制总线控制所述的模拟开关，在任意一种换能器配置组合情况下，同步控制超声波发射器发射超声波和控制上述模拟开关，将对应的超声波接收器接收与模拟信号处理电路相连接。
6.根据权利要求5所述的直射式表面声波触摸屏，其特征在于在所述数字信号处理系统的程序存储器的可执行代码中，还包含有一组换能器检测代码，该组代码能够通过控制超声波发射器和接收器，发射并接收超声波信号来判断超声波发射器和接收器的工作状态是否正常，并在当前指定的超声波发射器或者接收器出现故障的情况下，按照设定的顺序自动调用所述表单，循环执行测试功能；在测试得到一组正常的换能器组合后，返回到程序中的指定入口；在测试完所述表单中全部换能器组合后仍然未得到一组正常的换能器组合后，则调用错误信息，通过通信端口传输到上位机。
全文摘要
一种直射式表面声波触摸屏，包含安装在触摸底板角上的发射器和底板边缘长条形的接收器。通过分别检测不同的发射器发射的超声波被触摸物吸收后，对应的接收器输出的电压脉冲信号的包络上出现电压跌落的时间，就能够得到由两只不同发射器和同一触摸点所决定的直线的方程组，从而得到触摸点的坐标。由于触摸底板上可以安装多只超声波发射器，这样通过选择不同的换能器组合，就能实现系统的冗余设计。
文档编号G09G3/00GK1469232SQ0215730
公开日2004年1月21日 申请日期2002年12月19日 优先权日2002年12月19日
发明者刘新斌 申请人:刘新斌