目前觸摸屏單點(diǎn)定位技術(shù)十分成熟，其本質(zhì)是以觸摸的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電腦鼠標(biāo)的操作[1]。鼠標(biāo)的操作包含“移動(dòng)指針”和“按下按鍵”等不同的操作以及其組合。而現(xiàn)有的電腦觸摸屏則是：

(1)以一次觸摸實(shí)現(xiàn)“移動(dòng)指針”并“按下左鍵”兩個(gè)操作，并不能區(qū)分用戶的意圖是僅“移動(dòng)指針”、僅“按下按鍵”還是“移動(dòng)指針”并“按下按鍵”，也不能區(qū)分用戶想要按左鍵還是右鍵。

(2)以一次觸摸實(shí)現(xiàn)“移動(dòng)指針”并“按下某按鍵”兩個(gè)操作，通過某種方式切換觸摸所實(shí)現(xiàn)的功能，在“移動(dòng)指針并按左鍵”、“移動(dòng)指針并按右鍵”兩種功能中選擇一種。在實(shí)際使用中，需要頻繁地切換功能[2]。

由此可見，目前的觸摸屏系統(tǒng)對(duì)鼠標(biāo)功能的實(shí)現(xiàn)不夠完全，且缺乏效率。因此需要有一種方法和設(shè)備，能夠允許電腦觸摸屏同時(shí)支持“單獨(dú)移動(dòng)指針”、“單獨(dú)滾動(dòng)滾輪”、“單獨(dú)按下或抬起按鍵”以及“移動(dòng)指針”、“滾動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)電腦鼠標(biāo)的完全替代[3]。

支持帶有按鍵和滾輪的觸筆的電腦觸摸屏系統(tǒng)為完全模擬電腦鼠標(biāo)功能提供了一種巧妙的解決方案。下面介紹系統(tǒng)各組成部分的組成原理以及系統(tǒng)的工作方法。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖如圖1所示。觸摸屏系統(tǒng)由觸摸屏、帶有按鍵和滾輪的觸筆、控制器三部分組成。

1.1 觸摸屏

　觸摸屏由觸摸面板和顯示器件組成。觸摸面板可以是四線電阻式觸摸面板，用于檢測(cè)帶有按鍵和滾輪的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(hào)到控制器中A/D(模數(shù))轉(zhuǎn)換電路[4]；顯示器件可以是電腦本來(lái)的顯示器或額外的顯示屏。顯示器件作為電腦的顯示設(shè)備,與電腦的顯示器接口連接，顯示電腦輸出的圖像信號(hào)，圖像信號(hào)包括指針的位置。

1.2 帶有按鍵和滾輪的觸筆

帶有按鍵和滾輪的觸筆包含筆尖、左鍵、右鍵、滾輪、無(wú)線編碼發(fā)射電路。

筆尖碰觸觸摸屏的觸摸面板以確定顯示器件上的指針移動(dòng)目的地的位置，碰觸由觸摸面板感受。

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(dòng)。左鍵、右鍵、滾輪分別產(chǎn)生3路1位數(shù)字信號(hào)，信號(hào)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(dòng)時(shí)，分別產(chǎn)生兩路方波數(shù)字信號(hào)，方波數(shù)字信號(hào)每個(gè)周期表示向上/下滾動(dòng)一個(gè)單位。

無(wú)線編碼發(fā)射電路采用無(wú)線編碼發(fā)射芯片PT2262，從管腳D0~D4接收用戶按下、抬起按鍵或滾動(dòng)滾輪的數(shù)字電壓信號(hào)，其中D0接收左鍵按下/抬起信號(hào)，D1接收右鍵按下/抬起信號(hào)，D2接收中鍵（滾輪）按下/抬起信號(hào)，D3接收滾輪上滾信號(hào)，D4接收滾輪下滾信號(hào)。這5路1位數(shù)字電壓信號(hào)被PT2262編碼成一路1位數(shù)字信號(hào)并無(wú)線傳輸給控制器中無(wú)線接收解碼電路(無(wú)線信號(hào)頻率為315 MHz，采用ASK調(diào)制方式調(diào)制)。

1.3 控制器

控制器包含A/D轉(zhuǎn)換電路、無(wú)線接收解碼電路、主控電路和接口電路。A/D轉(zhuǎn)換電路包含一個(gè)2路12 bit A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS7843，從CLK和DIN端口接收主控電路輸出的控制信號(hào)，從X+、X-、Y+、Y-四個(gè)端口接收觸摸面板輸出的橫、縱兩路模擬電壓量表示的觸碰位置信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為橫、縱兩路數(shù)字電壓量表示的位置坐標(biāo)值，編碼成一路1位串行數(shù)字信號(hào)，輸出給主控電路，并從PENIRQ端口輸出1位數(shù)字信號(hào)表示是否發(fā)生碰觸，輸出給主控電路[5]。

無(wú)線接收解碼電路包含一個(gè)無(wú)線接收解碼芯片PT2272，用于接收帶有按鍵和滾輪的觸筆上無(wú)線編碼發(fā)射電路所發(fā)射的無(wú)線信號(hào)(無(wú)線信號(hào)頻率為315 MHz，采用ASK調(diào)制方式調(diào)制)。對(duì)無(wú)線信號(hào)解碼為表示用戶按下、抬起按鍵或滾動(dòng)滾輪的數(shù)字電壓信號(hào)，從管腳D0~D4輸出，其中D0輸出左鍵按下/抬起信號(hào)，D1輸出右鍵按下/抬起信號(hào)，D2輸出中鍵（滾輪）按下/抬起信號(hào)，D3輸出滾輪上滾信號(hào)，D4輸出滾輪下滾信號(hào)，這5路1位數(shù)字信號(hào)分別傳輸?shù)街骺仉娐分?9C52的輸入端口P10~P14。

主控電路包括一個(gè)型號(hào)89C52的MCU,作為主控部分，用于處理信號(hào)和控制整個(gè)系統(tǒng)。主控電路的89C52從端口P20、P21輸出對(duì)A/D轉(zhuǎn)換電路的控制信號(hào)(時(shí)鐘和控制字)，從端口P22接收A/D轉(zhuǎn)換電路返回的橫、縱兩路數(shù)字電壓量表示的位置坐標(biāo)值(1位數(shù)字串行信號(hào))，從P23接收A/D轉(zhuǎn)換電路返回的PENIRQ信號(hào)(1位數(shù)字信號(hào))，并從端口P10~P14接收無(wú)線接收解碼電路輸出的表示用戶按下、抬起按鍵或滾動(dòng)滾輪的數(shù)字電壓信號(hào)(共5個(gè)1位數(shù)字信號(hào))，P10接收左鍵按下/抬起信號(hào)，P11接收右鍵按下/抬起信號(hào)，P12接收中鍵（滾輪）按下/抬起信號(hào)，P13接收滾輪上滾信號(hào)，P14接收滾輪下滾信號(hào)。主控電路依據(jù)接口類型（如USB接口）進(jìn)行編碼處理。主控電路的89C52從端口P00~P07輸出需要發(fā)送給電腦的控制信號(hào)和數(shù)據(jù)流（共8位數(shù)字信號(hào)）到接口電路。

接口電路包括一個(gè)USB接口芯片PDIUSB D12，用于與電腦外設(shè)接口(對(duì)應(yīng)USB接口芯片PDIUSB D12，則為USB接口)連接，實(shí)現(xiàn)與電腦的通信。接口電路從PDIUSB D12的端口D0~D7接收主控電路輸出的控制信號(hào)和數(shù)據(jù)流(共8 bit數(shù)字信號(hào))，并通過雙向端口X1、X2與電腦接口進(jìn)行數(shù)字通信，讓電腦通過顯示器接口傳輸圖像數(shù)據(jù)，移動(dòng)顯示器件上顯示的指針，并實(shí)現(xiàn)電腦上的按鍵和滾輪操作功能。

2 系統(tǒng)工作方法

圖2是本觸摸屏系統(tǒng)的工作原理示意圖。其工作原理包含6個(gè)過程：初始化、用戶輸入、信號(hào)傳遞和處理、主控處理、與電腦通信和電腦處理。

2.1 初始化過程

初始化過程包含子過程物理連接、設(shè)備識(shí)別和驅(qū)動(dòng)。

物理連接：觸摸屏系統(tǒng)通過控制器中接口電路上的接口與電腦外設(shè)接口連接。

設(shè)備識(shí)別和驅(qū)動(dòng)：控制器中的主控電路通過數(shù)字信號(hào)控制接口電路與電腦進(jìn)行通信,本系統(tǒng)采用USB協(xié)議，使電腦完成USB設(shè)備識(shí)別與USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)的過程。

2.2 用戶輸入過程

用戶輸入過程包含兩個(gè)相互獨(dú)立的過程:碰觸定位和按鍵滾輪操作。

(1)碰觸定位：用戶使用帶有按鍵和滾輪的觸筆的筆尖碰觸觸摸屏的觸摸面板，以向觸摸屏系統(tǒng)表示期望顯示器件上的指針移動(dòng)到的位置。觸摸面板將此位置以橫、縱兩路由模擬電壓量表示的觸碰位置信號(hào)的形式輸出到A/D轉(zhuǎn)換電路。

(2)按鍵滾輪操作：用戶按下、抬起帶有按鍵和滾輪的觸筆上的按鍵或滾動(dòng)滾輪，以向觸摸屏系統(tǒng)表示自己希望電腦實(shí)現(xiàn)類似于電腦鼠標(biāo)的按鍵和滾輪功能。這些操作產(chǎn)生數(shù)字的電壓信號(hào),輸入到無(wú)線編碼發(fā)射電路中。

2.3 信號(hào)傳遞和處理過程

信號(hào)傳遞和處理過程包含兩個(gè)獨(dú)立的處理過程：A/D轉(zhuǎn)換和無(wú)線收發(fā)。

A/D轉(zhuǎn)換：A/D轉(zhuǎn)換電路接收主控電路輸出的控制信號(hào)后開始工作，如果觸摸面板輸出了橫、縱兩路模擬電壓量表示的觸碰位置信號(hào)，ADS7843則將其轉(zhuǎn)換為橫、縱兩路12位數(shù)字電壓量表示的位置坐標(biāo)值，輸出到主控電路[6]。

無(wú)線收發(fā)：觸筆的無(wú)線編碼發(fā)射電路對(duì)按下、抬起觸筆上的按鍵或滾動(dòng)滾輪產(chǎn)生數(shù)字的電壓信號(hào)并進(jìn)行編碼，將編碼后的無(wú)線信號(hào)發(fā)射給控制器上的無(wú)線接收解碼電路?？刂破魃系臒o(wú)線接收解碼電路接收此無(wú)線信號(hào)，并對(duì)其解碼，還原成表示用戶按下、抬起按鍵或滾動(dòng)滾輪的數(shù)字電壓信號(hào)，輸出到主控電路。

2.4 主控處理過程

主控處理過程全部在89C52的程序模塊中完成。圖3是主控電路89C52的程序模塊示意圖。89C52的程序模塊包括：碰觸定位模塊、USB編碼模塊和輸出模塊。

碰觸定位模塊以一定頻率輸出數(shù)字的控制信號(hào)，即A/D轉(zhuǎn)換芯片的時(shí)鐘和控制字，從端口P20、P21輸出給A/D轉(zhuǎn)換電路。如果P24接口接收到的1位數(shù)字信號(hào)PENIRQ顯示發(fā)生碰觸[5]，則從端口P23接收A/D轉(zhuǎn)換電路輸出的一路1位串行數(shù)字信號(hào)DOUT，從中讀取出碰觸位置的坐標(biāo)值X、Y，經(jīng)過如下計(jì)算修正：X′=k1×X+X0、Y′=k2×Y+Y0（其中k1、k2、X0、Y0是給定參數(shù)，可設(shè)計(jì)校準(zhǔn)功能以確定這些參數(shù)），最終得到移動(dòng)指針的目的地坐標(biāo)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(dòng)指針的目的地坐標(biāo)值X′、Y′，或接收到按鍵和/或滾輪操作信號(hào)時(shí)，則將其編碼為USB協(xié)議要求的格式，傳遞給輸出模塊。具體如何編碼，取決于USB報(bào)告中將觸摸屏系統(tǒng)描述為何種設(shè)備，設(shè)計(jì)者可以自行決定設(shè)備類型。

輸出模塊將移動(dòng)指針、按鍵操作、滾輪操作信號(hào)和接口電路控制信號(hào)共8位數(shù)字信號(hào)通過端口P00~P07輸出給接口電路。

2.5 與電腦通信過程

如圖1所示，接口電路受主控電路輸出的控制信號(hào)控制，接收主控電路輸出的需要發(fā)送給電腦的數(shù)據(jù)流，發(fā)送給電腦外設(shè)接口。

2.6 電腦處理過程

如圖2所示,該過程包含信號(hào)解碼和兩個(gè)獨(dú)立過程(移動(dòng)指針和/或?qū)崿F(xiàn)按鍵滾輪功能)：
電腦處理電腦外設(shè)接口接收到的USB信號(hào)，解碼得到依據(jù)用戶期望的指針移動(dòng)位置和按下、抬起按鍵或滾動(dòng)滾輪操作的意圖,根據(jù)此意圖，移動(dòng)顯示器件上顯示的指針和/或完成按鍵和滾輪操作對(duì)應(yīng)的電腦功能(見圖1)。電腦處理過程結(jié)束后，系統(tǒng)回到用戶輸入過程循環(huán)工作。

本文介紹的系統(tǒng)經(jīng)過產(chǎn)品化設(shè)計(jì)后，生產(chǎn)出的產(chǎn)品與市場(chǎng)同類產(chǎn)品相比，具備相似的成本，但性能更優(yōu)，能夠?qū)崿F(xiàn)市場(chǎng)同類產(chǎn)品難以實(shí)現(xiàn)的功能；系統(tǒng)可以廣泛地應(yīng)用于電腦操作、文字錄入、圖文制作、游戲控制等方面，其即插即用無(wú)需驅(qū)動(dòng)和鼠標(biāo)模擬的特點(diǎn)為用戶提供更多方便；支持帶有按鍵和滾輪的觸筆的電腦觸摸屏系統(tǒng)將改變?cè)O(shè)計(jì)師和用戶的觀念，成為電腦觸摸屏的革新者，將會(huì)推動(dòng)觸摸屏更廣泛的應(yīng)用。