电阻式触摸屏校准算法的优化_电阻式触摸屏工作原理 - 全文

　　一、什么是电阻式触摸屏

　　电阻式触摸屏是一种传感器，它将矩形区域中触摸点（X，Y）的物理位置转换为代表X坐标和Y坐标的电压。很多LCD模块都采用了电阻式触摸屏，这种屏幕可以用四线、五线、七线或八线来产生屏幕偏置电压，同时读回触摸点的电压。

　　二、电阻式触摸屏工作原理

　　1.基本原理

　　电阻触摸屏的工作原理主要是通过压力感应原理来实现对屏幕内容的操作和控制的，这种触摸屏屏体部分是一块与显示器表面非常配合的多层复合薄膜，其中第一层为玻璃或有机玻璃底层，第二层为隔层，第三层为多元树脂表层，表面还涂有一层透明的导电层，上面再盖有一层外表面经硬化处理、光滑防刮的塑料层。在多元脂表层表面的传导层及玻璃层感应器是被许多微小的隔层所分隔电流通过表层，轻触表层压下时，接触到底层，控制器同时从四个角读出相称的电流及计算手指位置的距离。这种触摸屏利用两层高透明的导电层组成触摸屏，两层之间距离仅为2.5微米。当手指触摸屏幕时，平常相互绝缘的两层导电层就在触摸点位置有了一个接触，因其中一面导电层接通Y轴方向的5V均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，进行A/D转换，并将得到的电压值与5V相比，即可得触摸点的Y轴坐标，同理得出X轴的坐标，这就是所有电阻技术触摸屏共同的最基本原理。

　　2.电路实现

　　触摸屏包含上下叠合的两个透明层，四线和八线触摸屏由两层具有相同表面电阻的透明阻性材料组成，五线和七线触摸屏由一个阻性层和一个导电层组成，通常还要用一种弹性材料来将两层隔开。当触摸屏表面受到的压力（如通过笔尖或手指进行按压）足够大时，顶层与底层之间会产生接触。所有的电阻式触摸屏都采用分压器原理来产生代表X坐标和Y坐标的电压。如图3，分压器是通过将两个电阻进行串联来实现的。上面的电阻（R1）连接正参考电压（VREF），下面的电阻（R2）接地。两个电阻连接点处的电压测量值与下面那个电阻的阻值成正比。

　　为了在电阻式触摸屏上的特定方向测量一个坐标，需要对一个阻性层进行偏置：将它的一边接VREF，另一边接地。同时，将未偏置的那一层连接到一个ADC的高阻抗输入端。当触摸屏上的压力足够大，使两层之间发生接触时，电阻性表面被分隔为两个电阻。它们的阻值与触摸点到偏置边缘的距离成正比。触摸点与接地边之间的电阻相当于分压器中下面的那个电阻。因此，在未偏置层上测得的电压与触摸点到接地边之间的距离成正比。

　　电阻式触摸屏内部渡涂的透明ITO导电薄膜有工艺要求。涂层不可太厚，否则不但会降低透光率，还会形成内反射层，降低清晰度；涂层也不可太薄，否则容易断裂。在使用过程中，由于触摸屏的工作准确性需要依靠电阻网络的精密性来实现，如果某处电阻网络出现了故障将会使此处触摸屏触摸失灵：触摸屏表面经常被触摸，表层薄薄的一层透明ITO导电薄膜会出现细小裂纹，也会导致触摸失灵；透明ITO导电薄膜的外层采用的是塑胶材料，没有保护层，所以安全性较差。但是，从结构上看，电阻式触摸屏是一个相对封闭的系统，因此相比于其他触摸屏，不受外界污染物的影响，比如灰尘、水汽、油溃等，而且适合配带手套或是不能用手直接触摸的场合，因此能够在恶劣环境下正常工作，适合于航空机载显示系统。

　　三、电阻式触摸屏优点

　　电阻式触摸屏的优点是它的屏和控制系统都比较便宜，反应灵敏度很好，而且不管是四线电阻触摸屏还是五线电阻触摸屏，它们都是一种对外界完全隔离的工作环境，不怕灰尘和水汽，能适应各种恶劣的环境。它可以用任何物体来触摸，稳定性能较好。

　　电阻式触摸屏的优点可归类为：

　　1.电阻式触控屏的精确度高，可到像素点的级别，适用的最大分辨率可达4096x4096。

　　2. 屏幕不受灰尘、水汽和油污的影响，可以在较低或较高温度的环境下使用。

　　3. 电阻式触控屏使用的是压力感应，可以用任何物体来触摸，即便是带着手套也可以操作，并可以用来进行手写识别。

　　4. 电阻式触控屏由于成熟的技术和较低的门槛，成本较为廉价。

　　四、电阻式触摸屏缺点

　　缺点是电阻触摸屏的外层薄膜容易被划伤导致触摸屏不可用，多层结构会导致很大的光损失，对于手持设备通常需要加大背光源来弥补透光性不好的问题，但这样也会增加电池的消耗。

　　电阻式触摸屏的缺点可归类为：

　　1. 电阻式触控屏能够设计成多点触控，但当两点同时受压时，屏幕的压力变得不平衡，导致触控出现误差，因而多点触控的实现程度较难。

　　2. 电阻式触控屏较易因为划伤等导致屏幕触控部分受损。

　　五、触摸屏的基本线性校准算法

　　触摸屏和LCD显示屏叠加在配套使用时，由于存在误差，触摸屏坐标系和显示屏坐标系不重合，校准的目的就是在这两种坐标系之间找到一种合适正确的映射关系，使触摸屏上显示的图形经过变换，与LCD显示的图形保持一致。这里触摸屏和LCD显示图形的点都用矢量来表示：Q（x，y）为触摸屏上的点，称为物理坐标；Qd（xd，yd）为LCD显示屏上的点，称为显示坐标。设物理坐标：

　　由于触摸屏和LCD显示屏接触点之间存在角度误差，同时考虑到每个点的x和y坐标都存在不同的因子缩放，并且触摸屏和LCD显示屏之间还存在移动误差，则假设角度差为φ，缩放因子为kx和ky，位移因子为Sx和Sy，可得到显示坐标：

　　由上式中可以看出，除了x和y，方程式右边各项均为常量，即触摸屏和显示屏的坐标系可以认为是线性的，基于此方程实现的校准也称为线性校准。现在用一般情况来代替各乘积项的系数，则可以得到：

　　显然，如果能求出线性变换的参数（A1，B1，C1，A2，B2，C2），就可以通过上述等式来校准从触摸屏那里得来的显示坐标了［5］。为了求出这六个参数，在触摸屏上任意取三个点（由于边界点的线性度差，所以要尽量避免），设物理坐标和显示坐标分别为（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3）和（xd1，yd1）、（xd2，yd2）、（xd3，yd3），可以得到方程组：

　　值得注意的是，只有在触摸屏和LCD显示屏之间的角度误差φ极小的情况下，上述的基本线性校准算法才适用。为了达到更好的校准效果，本文在此基础上，对基本线性校准算法进行了优化，形成五点校准。

　　六、电阻式触摸屏校准算法的优化

　　为了使校准更加精确，现在触摸屏上任意取五个点，设物理坐标和显示坐标分别为（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3）、（x4，y4）、（x5，y5）和（xd1，yd1）、（xd2，yd2）、（xd3，yd3）、（xd4，yd4）、（xd5，yd5），代入x坐标方程xd=A1·x+B1·y+C1，可以得到方程组

　　对等式做如下处理：

　　七、校准测试与比较

　　这里采用的触摸屏校准的测试环境是：基于s3c2410的ARM9开发板，外界五线电阻式触摸屏和640×480像素16灰度级液晶屏，使用μcos-Ⅱ操作系统，开发板与PC机通过串口连接。

　　在触摸屏的（73，154）、（891，516）、（512，939）三点位置均显示“+”，用笔依次点击三个点，获得这三个点的显示坐标分别为（30，30）、（210，120）、（120，210），带入基本线性校准算法的方程组，可计算校准系数如下：A1=108720，B1=-5400，C1=7391400，A2=5490，B2=107730，C2=-2494830。

　　然后在触摸屏（265，414）、（606，171）、（768，700）、（111，956）、（448，580）五个点的位置均显示“+”，并依次点击，通过上述的校准系数对触摸屏进行校准，得到结果如图2所示。

　　图中，“ScreenSample”是触摸屏坐标，“TranslatedSample”是通过校准之后的得到的显示坐标，“DisplaySample”是采样时直接获得的显示坐标。由图右边两列坐标可知，通过基本线性校准之后，计算值“TranslatedSample”与理论值“DisplaySample”比较接近，达到了校准目的，但还是存在着一定误差。

　　如果采用优化算法对上述一系列采样点进行校准，则得到的结果如图3所示。对比右边两列坐标可知，通过优化算法校准之后，计算值“TranslatedSample”与理论值“DisplaySample”的近似度大为提高，极大程度上提高了校准精度。

　　八、结论

　　电阻式触摸屏在安装过程中不可避免的存在机械误差，因此很多应用触摸屏的系统启动后，进入应用程序前先要执行校准程序。本文针对电阻式触摸屏分析了基本线性校准算法，在此基础上提出了一种优化的校准算法，并以嵌入式开发板为硬件平台，对校准算法进行了测试，实验结果表明，优化的校准算法有效的提高了触摸屏的校准精度，为触摸屏校准提供了一种可行实用的途径。