摘   要：       本文著重介紹如何利用AT89S51、觸摸屏和觸摸屏控制器ADS7846實現(xiàn)在線動態(tài)簽名的三維數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理。

由于觸摸屏輸入方便，輕薄便于攜帶等優(yōu)點，現(xiàn)在越來越多的電子產(chǎn)品用觸摸屏作為人機(jī)界面的輸入設(shè)備。在動態(tài)簽名認(rèn)證中，亦采用觸摸屏作為輸入設(shè)備對筆跡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

系統(tǒng)主要由四線電阻式觸摸屏，觸摸屏控制器ADS7846,單片機(jī)89S51組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

四線電阻式觸摸屏

電阻觸摸屏是采用電阻模擬量技術(shù)。它以一層玻璃作為基層，上面涂有一層透明氧化金屬(ITO氧化銦)導(dǎo)電層，上面再蓋有一層玻璃或是外表面硬化處理的光滑的塑料層，它的內(nèi)表面也涂有一層ITO導(dǎo)電層，他們之間有許多細(xì)小的的透明隔離點把兩導(dǎo)電層隔開絕緣，每當(dāng)有筆或是手指按下時，兩導(dǎo)電層就相互接觸，從而形成了回路(圖2)。

導(dǎo)電層的兩端都涂有一條銀膠，稱為該工作面的一對電極，上下兩個導(dǎo)電層一個是水平方向，一個是豎直方向，分別用來測量X和Y的坐標(biāo)位置，在水平面上的電極稱為X+電極和X-電極，在豎直平面的電極稱為Y+電極和Y-電極。工作時，兩個電極根據(jù)測量需要提供參考電壓或是作為測量端對接觸點的位置進(jìn)行測量，當(dāng)測量接觸點X坐標(biāo)的時候，導(dǎo)電層上的X+電極和X-電極分別接上參考電壓和地，Y電極不加電壓，那么X電極間會形成均勻的電壓分布，用Y+電極作為測量點，得到的電壓值通過A/D轉(zhuǎn)換，就可對應(yīng)的判斷出接觸點的X坐標(biāo)。Y坐標(biāo)亦是類似，只需改成對Y電極加電壓而X電極不加電壓即可。

測量觸摸的壓力的原理是和ITO(氧化銦)材料的自身特性有關(guān)， ITO導(dǎo)電膜的電導(dǎo)率公式為r=r0(1+l0/d)，其中d為導(dǎo)電膜的厚度，所以ITO電導(dǎo)率和ITO導(dǎo)電膜的厚度成反比，所以當(dāng)觸摸的壓力越大，接觸點的ITO導(dǎo)電膜就越薄，所以相應(yīng)的電導(dǎo)率就大，電阻就越小，所以，觸摸壓力的測量實質(zhì)是測量接觸ITO導(dǎo)電膜的電阻值。    

ADS7846與AT89S51的通信

ADS7846是BURN-BROWN公司生產(chǎn)的專門用于四線電阻觸摸屏數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。內(nèi)部有一個多通道的模擬開關(guān)組成的測量電路網(wǎng)絡(luò)和12位的A/D轉(zhuǎn)換器。工作時，7846根據(jù)數(shù)據(jù)輸入口DIN收到不同的命令字打開相應(yīng)的開關(guān)通道，并接受返回的模擬電壓，通過A/D轉(zhuǎn)換得出對應(yīng)的數(shù)字量，再通過DOUT傳回單片機(jī)。

AT89S51是ATMEL公司新推出的89C51的升級產(chǎn)品。

AT89S51與ADS7846的通信主要通過單片機(jī)的I/O口與7846的CLK、CS、DOUT、DIN、BUSY五個引腳進(jìn)行。當(dāng)系統(tǒng)工作時，單片機(jī)首先通過片選信號選中7846，再通過DIN向7846發(fā)送命令控制字?jǐn)?shù)據(jù)，并通過CLK引腳配以相應(yīng)的時序脈沖，當(dāng)BUSY位被置位后就通過DOUT數(shù)據(jù)輸出口獲取12位轉(zhuǎn)換結(jié)果。

由于要求系統(tǒng)能采集包括X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)和壓力在內(nèi)的三維數(shù)據(jù)，所以，先送打開測量X通道的命令字，返回得到的數(shù)字值即為X坐標(biāo)，再送打開測量Y通道的命令字，得到的值為Y坐標(biāo)。再依次得到Z1，Z2的值，通過轉(zhuǎn)換公式

RTOUCH

就可計算出RTOUCH也就是壓力Z的值(其中RX-plant是x軸電阻值大小，跟觸摸屏的性能參數(shù)有關(guān)，X-Position即是開始得到的X坐標(biāo)值)。

在此值得一提是，Z1、Z2仍然是轉(zhuǎn)換后得12位的A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字值，但通過轉(zhuǎn)換公式得到的Z值實際上是接觸點間兩層ITO氧化膜的電阻值大小。這樣就完成了在某一個時刻的三維信息采集。根據(jù)實際要求，利用定時器設(shè)定采樣時間為10ms。采集的數(shù)據(jù)通過USB接口送到PC機(jī)保存，以供后續(xù)匹配處理。同時，采集的數(shù)據(jù)可以通過液晶顯示屏顯示，以便書寫時觀察。

圖1  系統(tǒng)電路框圖

圖2  觸摸屏的觸摸示意圖

圖3 處理前的數(shù)據(jù)波形

圖4 處理后的數(shù)據(jù)波形

觸摸屏的初始化標(biāo)定

由于觸摸屏的一些邊緣部分是無效的觸摸區(qū)域，所以，實際轉(zhuǎn)換出來的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)并不是從0到4095的，因此要進(jìn)行初始化標(biāo)定，通過轉(zhuǎn)換公式使其在0到4095整個區(qū)間線性化，X坐標(biāo)值的轉(zhuǎn)換公式為X=(X-Xmin)×4095/(Xmax-Xmin)，其中Xmax和Xmin分別是觸摸屏有效觸摸區(qū)域X方向的最大值和最小值。同理，Y坐標(biāo)值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)換公式為Y=(Y-Ymin)×4095/(Ymax-Ymin)，其中Ymax和Ymin分別是觸摸屏有效觸摸區(qū)域Y方向的最大值和最小值。壓力值表示的是電阻值大小，并不能直觀的反映壓力的大小，所以，根據(jù)實際需要，將其轉(zhuǎn)換成與壓力大小相對應(yīng)的0到256級壓力值。轉(zhuǎn)換公式為Z=(Zmax-Z)×256/(Zmax-Zmin)，其中Zmax和Zmin分別為書寫筆與觸摸屏接觸時的最大電阻值和最小電阻值。

實驗數(shù)據(jù)顯示所用觸摸屏的特性參數(shù)分別為：Xmax和Xmin分別為3860和180；Zmax和Zmin分別為3690和440，和分別為540和350。由于每塊觸摸屏和書寫筆的物理特性都不盡相同，所以，每當(dāng)更換觸摸屏或是書寫筆的時候系統(tǒng)都要進(jìn)行重新初始化標(biāo)定的工作。

數(shù)據(jù)的預(yù)處理

在數(shù)據(jù)采集的過程中，有許多因素影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所以必須對數(shù)據(jù)做一些相應(yīng)的預(yù)處理，以保證采集的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。主要有以下幾種因素：

書寫抖動造成的漏點

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時會在連續(xù)的數(shù)據(jù)中出現(xiàn)零值點，出現(xiàn)零值點有兩種可能：一種是正常書寫時筆劃的改變造成的，另一種就是由于觸摸屏不夠平整或是書寫時的抖動造成筆跡的間斷而造成的，區(qū)別的方法主要是看間斷時間也就是零值連續(xù)出現(xiàn)的個數(shù)，一般抖動造成的間斷時間小于設(shè)定的采樣時間10ms，所以，抖動產(chǎn)生的零值在兩個有效數(shù)據(jù)中間只能出現(xiàn)一個，可以認(rèn)為是無效零值，而出現(xiàn)兩個以上的連續(xù)零值便可以認(rèn)為是筆劃的改變而生成的有效零值而不作處理，當(dāng)判斷出某個零值為無效零值后，對其進(jìn)行線性內(nèi)插來彌補數(shù)據(jù)的丟失，即an=(an+1+an-1)/2，其中an是無效零值點,an-1和an+1分別是an的前面和后面的一個有效值。圖3和圖4分別是處理前和處理后的波形。

重復(fù)采集點的去除

由于書寫者書寫時的停頓，造成在在某一點多次重復(fù)采集，顯然在后續(xù)的匹配中會與樣本數(shù)據(jù)產(chǎn)生很大的誤差，所以有必要刪除重復(fù)的數(shù)據(jù)，每當(dāng)判斷出前后兩個點的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)均相同的時候，就可以斷定它們?yōu)橹貜?fù)點，則將后一個點刪除，再用后續(xù)的點依次補上。這樣保證了采集的數(shù)據(jù)能夠真實的反映筆跡信息。

書寫位置的校準(zhǔn)

書寫者每次書寫時起筆的點不一定相同，這樣，每次書寫采樣的結(jié)果都與樣本模板里的采樣值都有一個恒定的差別，因此有必要進(jìn)行書寫位置的校準(zhǔn)，處理的方法是把采集到的第一個數(shù)據(jù)的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)與樣本數(shù)據(jù)里第一個數(shù)據(jù)的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)作比較，公式分別為DX=(X1-X’1)， DY=(Y1-Y’1)，其中X1和Y1分別是采樣數(shù)據(jù)的第一個點的X坐標(biāo)值和Y坐標(biāo)值，  X’1和Y’1則是樣本數(shù)據(jù)里的第一個點的X坐標(biāo)值和Y坐標(biāo)值，  DX和DY則為采樣的數(shù)據(jù)與樣本數(shù)據(jù)在X方向和Y方向的偏移值。所以，校準(zhǔn)公式為：Xn=Xn+DX，Yn=Yn+DY。

以上是對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的幾種方法，預(yù)處理可以為后續(xù)筆跡的匹配提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，并減輕匹配的運算量，因此預(yù)處理是筆跡匹配認(rèn)證前的重要步驟，它的好壞將直接影響認(rèn)證的精度。