基于LabVIEW的壓力傳感式觸摸技術(shù)的實現(xiàn)

高 翔，劉衛(wèi)玲，段晉軍，常曉明

(太原理工大學(xué)測控技術(shù)研究所，山西 太原 030024)

責(zé)任編輯:魏雨博

當(dāng)前，觸摸技術(shù)無論在人們生活中還是工業(yè)生產(chǎn)中都有著廣泛的應(yīng)用［1］。憑借其操控直觀簡單、界面友好、信息豐富等特點，觸摸技術(shù)已經(jīng)與人們密不可分。

觸摸技術(shù)實際上是一種傳感檢測技術(shù)［2］。目前主流的有電容式、電阻式、紅外式、表面聲波式，每種觸摸技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點和適用場合［3－5］。探索一種新型的觸摸技術(shù)可以更加豐富該技術(shù)的應(yīng)用，本文介紹了一種壓力式觸摸裝置的設(shè)計實現(xiàn)，該裝置的特點有屏幕抗暴力性好，高度耐久，除了一般觸摸屏的X、Y軸坐標(biāo)外還能檢測到Z軸的壓力，大屏化應(yīng)用以及造價低廉等特點，在工業(yè)控制以及游戲設(shè)備領(lǐng)域可以有很好的應(yīng)用前景。

1 觸摸裝置原理

1.1 觸摸檢測裝置結(jié)構(gòu)

壓力式觸摸裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在一個矩形的剛性觸摸面板四個頂點處分別安裝A、B、C、D四個壓力傳感器。當(dāng)有壓力壓在觸摸面板上時，四個壓力傳感器會隨著觸摸面板上壓力大小和位置的變化而輸出變化的電壓信號。通過一定的數(shù)學(xué)模型可將這4路信號轉(zhuǎn)化為觸摸點的位置以及觸摸力的大小。

1.2 數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建

圖1 觸摸檢測裝置實物圖

將傳感器模塊抽象為帶有4個支點的矩形平面，并使用xOy坐標(biāo)系描述該平面，重心縱坐標(biāo)位置的數(shù)學(xué)模型圖示如圖2所示。

圖2 重心縱坐標(biāo)位置的數(shù)學(xué)模型圖示

物體W(x，y，F(xiàn))置于矩形平面的某一位置，且處于平衡狀態(tài)，則式(1)成立。

圖2中，E點為A、B的合重心處，F(xiàn)點為E、C點的合重心處，G點為F、D點的合重心處，如此，便可求得A、B、C、D四個支點的合重心位置，即物體W的重心位置。

以物體W重心的縱坐標(biāo)值y的推導(dǎo)為例，物體重心位置的算法如下:

首先，依據(jù)合重心原理，E點的重心位置與A、B點相關(guān)

式中:AE為A、E兩點重心的距離;AB為A、B兩點重心的距離。

依據(jù)圖2中A、B、E三點的坐標(biāo)值，式(2)可變形為式(3)所示的關(guān)系，即E點的重心位置為

式中:y1為E點重心的縱坐標(biāo)值;L2為A、B兩點重心的縱坐標(biāo)距離。

同樣的方法，可以得出E、C兩質(zhì)點的合重心位置F，F(xiàn)、D兩質(zhì)點的合重心位置G。則G點重心的縱坐標(biāo)值為

式中:G點重心縱坐標(biāo)值即為A、B、C、D四點的合重心位置，如此，即求得物體W的重心的縱坐標(biāo)值。

同理，得到物體W的重心的橫坐標(biāo)值為

所以，觸摸面板上壓力位置與大小的計算公式如式(6)所示

2 硬件系統(tǒng)

觸摸裝置整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中觸摸檢測模塊可將觸摸面板上所加的壓力轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，該信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊處理為數(shù)字信號輸入至數(shù)據(jù)處理模塊中，處理模塊通過算法編程得出觸摸點的位置和力度，并實現(xiàn)顯示以及存儲功能。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖構(gòu)建的硬件系統(tǒng)如圖4所示。其中，觸摸檢測裝置的作用是將壓力的大小和位置信息轉(zhuǎn)化為4路模擬電壓信號;信號調(diào)理電路板的功能是對觸摸檢測裝置產(chǎn)生的輸出信號進行放大濾波，提高信號的靈敏度使其易于檢測;模數(shù)采集裝置使用的是NI公司生產(chǎn)的多功能高性能數(shù)據(jù)采集卡USB－6259，它具有高速采樣、高精度、高穩(wěn)定性的優(yōu)點，提供了16路BNC接頭的模擬輸入通道［6］;數(shù)據(jù)處理、觸點坐標(biāo)及觸感大小顯示、存儲功能是通過PC端LabVIEW軟件編程來實現(xiàn)的。

圖4 硬件系統(tǒng)示意圖

由于觸摸檢測裝置得到的4路模擬信號變化幅度較小不宜檢測，這里選擇AD623放大器對其實現(xiàn)信號的放大，同時通過增加電阻、電容實現(xiàn)初步的濾波功能，降低信號干擾。壓力傳感器的輸出信號V+和V－接入AD623，經(jīng)過放大濾波后的信號可以由信號采集裝置采集。信號處理模塊的電路如圖5所示。

圖5 信號處理模塊電路圖

3 軟件設(shè)計

軟件方面使用的是美國NI公司的LabVIEW軟件，壓力式觸摸系統(tǒng)軟件主要分為采集程序和顯示程序兩部分，實現(xiàn)對壓力式觸摸裝置的輸出數(shù)據(jù)進行采集、跟蹤、校準(zhǔn)，參數(shù)調(diào)整以及信息的顯示和存儲等。其軟件功能如圖6所示。

LabVIEW環(huán)境下編寫的主程序流程圖如圖7所示。軟件運行前先設(shè)置好采樣端口的參數(shù)，通過USB－6259采集回來的4路電壓信號通過LabVIEW自帶中值濾波模塊進行處理，然后與初始值進行做差校準(zhǔn)，即可得出數(shù)學(xué)模型中所需的數(shù)據(jù)。進過數(shù)學(xué)模型運算后將得出的觸點位置和力度的數(shù)據(jù)在前面板顯示出來并保存至指定的Excel文檔中。

圖6 軟件功能圖

3.1 信號采集模塊

圖7 主流程圖

數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)運用了LabVIEW中的DAQ(Data Ac-Quisition)mx控件組，其特性是能夠節(jié)約開發(fā)時間和提高數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序的性能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)多線程信號檢測，滿足實際應(yīng)用需求。這里運用該控件組實現(xiàn)創(chuàng)建采集任務(wù)并初始化采樣參數(shù)。設(shè)置數(shù)據(jù)采集裝置的采樣率為每秒采100點，采樣電壓范圍在－10～+10 V之間，采樣模式為連續(xù)采樣。編寫的信號采集模塊程序如圖8所示。

圖8 DAQ mx信號采集程序(截圖)

3.2 數(shù)據(jù)組構(gòu)建與儲存

該程序部分是將經(jīng)運算后得出的數(shù)據(jù)觸摸點的X、Y坐標(biāo)及觸摸力度大小連同采樣序號和時間組成數(shù)組，在LabVIEW前面板顯示并保存在指定的Excel文件中。在數(shù)組組合中，由于各數(shù)據(jù)的格式不同，因此需要將序號、時間、運算所得數(shù)據(jù)的格式都轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的字符串格式，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示與存儲。程序如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)組構(gòu)建與儲存程序(截圖)

4 系統(tǒng)驗證

PC端數(shù)據(jù)顯示及控制界面如圖10所示。該界面中能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)校準(zhǔn)和存儲的控制顯示以及數(shù)據(jù)的圖形化和數(shù)據(jù)庫顯示。

圖10 顯示界面(截圖)

在觸摸面板上畫出坐標(biāo)網(wǎng)格，通過圖10所示的測試界面，對網(wǎng)格上(0，0)，(2，2)，…，(20，20)共 10 個點進行測試，所加的觸摸力度大小為100 g，在坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中點接觸，得出的數(shù)據(jù)如表1所示。從測試曲線可以看出，測試各點的x、y坐標(biāo)絕對誤差均小于1%。用不同大小的觸摸力多次測試后發(fā)現(xiàn)其對系統(tǒng)精度影響可以忽略不計，觸摸同一點的重復(fù)精度與靈敏度達到預(yù)期要求。

表1 測試數(shù)據(jù)

5 小結(jié)

本文介紹了壓力式觸摸系統(tǒng)實現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型以及硬件部分和軟件部分，實現(xiàn)了在LabVIEW環(huán)境下測試觸摸點位置和力度大小的顯示以及儲存。由于其較高的精度、觸摸面板能承受很大的作用力以及適合復(fù)雜的環(huán)境，今后在一些場合例如車輛倒車入庫軌跡定位系統(tǒng)、機械精確作業(yè)、智能家居地板等方面都有廣闊的發(fā)展前景。

［1］曲海波，陳莉.觸摸屏技術(shù)的原理及應(yīng)用［J］.中國教育技術(shù)裝備，2006(11):49－51.

［2］王春暉，王建.淺談觸摸屏在工業(yè)自動化中的應(yīng)用［J］.職業(yè)，2009(3):124.

［3］劉瑞.觸摸屏技術(shù)及其性能分析［J］.裝備制造技術(shù)，2010(3):69－70.

［4］高燕.觸摸屏應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)［J］.現(xiàn)代營銷，2010(10):86－87.

［5］王立鳳.觸摸屏技術(shù)及其應(yīng)用［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2006(1):63－65.

［6］NI USB－6259 BN－C［EB/OL］.［2012－10－09］.http://sine.ni.com/psp/app/doc/p/id/psp －69/lang/zhs.