基于ARM處理器S3C2440和Linux系統(tǒng)的I2C觸摸屏設(shè)計(jì)
王哲 趙巖
摘要： 觸摸屏是一種輸入設(shè)備，操作簡(jiǎn)單易學(xué)，可靠性高，不占額外的空間，是最常用的便攜式系統(tǒng)的輸入設(shè)備。特別是電阻式觸摸屏，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，透光效果好，工作環(huán)境和外界完全隔離，不怕灰塵和水氣，同時(shí)具有高解析度、高速傳輸反應(yīng)、一次校正、穩(wěn)定性高、不漂移等特點(diǎn)，因而被廣泛用于工業(yè)控制領(lǐng)域。
Abstract：
Key words :
隨著計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，title="ARM">ARM嵌入式系統(tǒng)受到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，與人們生活的結(jié)合也越來(lái)越緊密。觸摸屏設(shè)備因其友善的人機(jī)交互性，操作方便靈活，輸入速度快，被廣泛的應(yīng)用于這種嵌入式領(lǐng)域中。嵌入式Linux系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)源代碼、內(nèi)核穩(wěn)定、可裁減性等特點(diǎn)，吸引著眾多商業(yè)公司和自由軟件開(kāi)發(fā)者的目光，成為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域不可或缺的操作系統(tǒng)之一。觸摸屏是一種輸入設(shè)備，操作簡(jiǎn)單易學(xué)，可靠性高，不占額外的空間，是最常用的便攜式系統(tǒng)的輸入設(shè)備。特別是電阻式觸摸屏，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，透光效果好，工作環(huán)境和外界完全隔離，不怕灰塵和水氣，同時(shí)具有高解析度、高速傳輸反應(yīng)、一次校正、穩(wěn)定性高、不漂移等特點(diǎn)，因而被廣泛用于工業(yè)控制領(lǐng)域。
1電阻式觸摸屏的工作原理
觸摸屏安裝在顯示屏的前端，主要由觸摸屏檢測(cè)部件和觸摸屏控制器兩部分組成。按照工作原理和傳輸信息的介質(zhì)不同，觸摸屏可分為電阻式、電容感應(yīng)式、紅外線式以及表面聲波式。其中的電阻式觸摸屏是在表面保護(hù)層和基層之間覆著2層透明導(dǎo)電層氧化銦，而這2個(gè)導(dǎo)電層分別對(duì)應(yīng)x、y軸，它們之間有細(xì)微透明絕緣顆粒絕緣。當(dāng)物品按在觸摸屏上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓力，從而使觸摸屏兩導(dǎo)電層接通，一旦觸摸屏檢測(cè)部件監(jiān)測(cè)到用戶的觸摸位置，就將獲得的位置信息送入觸摸屏控制器TSC2007，并對(duì)該寫(xiě)信號(hào)進(jìn)行處理，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，同時(shí)以中斷的方式送至S3C2440處理器，計(jì)算出觸點(diǎn)坐標(biāo)。
2硬件結(jié)構(gòu)
TSC2007是美國(guó)德州儀器(TI)公司推出的新一代4線制觸摸屏控制器，它在與觸摸屏配合使用時(shí)，一旦檢測(cè)到筆或手指點(diǎn)觸摸在屏上，可迅速得到該點(diǎn)的位置信號(hào)，從而達(dá)到在觸摸屏表面上尋址的目的。
TSC2007是典型的逐步逼近式A／D變換器，其結(jié)構(gòu)以電容再分布為基礎(chǔ)，包含了取樣／保持功能。TSC2007的引腳與TPSC2003的引腳完全兼容，具有片內(nèi)溫度測(cè)量、觸摸壓力測(cè)量和預(yù)處理三個(gè)功能。TSC2007的I2C接口，以標(biāo)準(zhǔn)模式、高速模式和超高速模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與通訊。為了與其他ARM芯片兼容，設(shè)計(jì)中沒(méi)有使用S3C2440內(nèi)置的A／D通道，而是采用了外擴(kuò)控制器TSC2007的方法，通過(guò)I2C總線方式與S3C2440通信。由于在嵌入式系統(tǒng)I2C總線中，S3C2440是總線上的主機(jī)，TSC2007是從機(jī)，而I2C系統(tǒng)有2個(gè)引腳，分別是串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時(shí)鐘線SCL。因此，設(shè)計(jì)中S3C2440的GPE14和GPE15分別作為I2C總線的SCL和SDA線，其觸摸屏控制器接口電路如圖1所示，圖中的SDA和SCL線都是雙向的。
3觸摸屏的驅(qū)動(dòng)
在Linux系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一組相關(guān)函數(shù)的集合，它包括設(shè)備服務(wù)子程序和中斷處理程序。其中的設(shè)備服務(wù)子程序包含了所有與設(shè)備相關(guān)的代碼，每個(gè)設(shè)備服務(wù)子程序只處理一種設(shè)備或者緊密相關(guān)的設(shè)備，從設(shè)備無(wú)關(guān)的軟件中接受抽象的命令并執(zhí)行它。當(dāng)執(zhí)行一條請(qǐng)求時(shí)，具體操作是根據(jù)控制器對(duì)驅(qū)動(dòng)程序提供的接口，并利用中斷機(jī)制去調(diào)用中斷服務(wù)子程序配合設(shè)備來(lái)完成這個(gè)請(qǐng)求。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序利用結(jié)構(gòu)file_operations與文件系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，設(shè)備的各種操作的入口函數(shù)放在結(jié)構(gòu)file_operations中，其中包括open()、release()、read()和write()等接口，從而簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)工作。這樣，應(yīng)用程序根本不必考慮操作的是設(shè)備還是普通文件，可一律視為文件來(lái)處理，具有非常清晰統(tǒng)一的I／O接口。其觸摸屏的file_operations結(jié)構(gòu)定義如下：
本結(jié)構(gòu)的主要作用是為不同的設(shè)備提供一致的接口。如在應(yīng)用程序中，對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行讀操作都使用read函數(shù)，寫(xiě)操作則都使用write函數(shù)。因此，編寫(xiě)觸摸屏驅(qū)動(dòng)的實(shí)際工作并不復(fù)雜。
3.1驅(qū)動(dòng)工作流程
首先初始化觸摸屏控制器，然后初始化脈寬調(diào)制計(jì)時(shí)器(PWMTIMER)，可以選擇計(jì)時(shí)器4為時(shí)鐘，定義10ms中斷1次，以提供觸摸屏采樣時(shí)間基準(zhǔn)，即10ms觸摸屏采樣1次。而后映射觸摸屏中斷向量和定時(shí)器中斷向量到響應(yīng)程序，觸摸屏中斷處理程序是判斷觸摸屏是否被按下了，若觸摸屏被按下，則給全局變量Flag_Trouch賦值為T(mén)ouch_Down，否則賦值為T(mén)ouch_Up。若計(jì)時(shí)器中斷處理程序判斷Flag_Touch被賦值為T(mén)ouch_Down，則給全局變量StartSample置位，以控制觸摸屏采樣。然后系統(tǒng)通過(guò)S3C2440_get_xy()獲得采樣值，對(duì)得到的觸摸屏的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。接下來(lái)是對(duì)觸摸屏的校準(zhǔn)，最后是中斷的釋放和注冊(cè)模塊的卸載。其具體的觸摸屏驅(qū)動(dòng)工作流程圖如圖2所示。
3.2設(shè)備初始化模塊
設(shè)備初始化模塊的主要功能是：初始化設(shè)備、向內(nèi)核注冊(cè)設(shè)備等。具體實(shí)現(xiàn)函數(shù)如下：
初始化模塊利用內(nèi)核提供的request_irq函數(shù)，將觸摸筆的按下與彈起的中斷號(hào)進(jìn)行登記，從而將中斷號(hào)與中斷服務(wù)函數(shù)聯(lián)系起來(lái)；利用devfs_register_chrdev函數(shù)，向系統(tǒng)注冊(cè)一個(gè)字符型設(shè)備；最后注冊(cè)定時(shí)器中斷，用來(lái)控制觸摸屏的數(shù)據(jù)采樣。
3.3采樣值的獲得
首先啟動(dòng)TSC2007的A／D轉(zhuǎn)換。等待一段時(shí)間后，調(diào)用S3C2440_get_xy()函數(shù)，這個(gè)函數(shù)的功能是獲得觸摸屏的位置，首先從TSC2007的一個(gè)通道獲得x的坐標(biāo)值，然后在從另一個(gè)通道獲得y的坐標(biāo)值，判斷返回觸摸點(diǎn)坐標(biāo)值是否在有效范圍內(nèi)，如果在有效范圍內(nèi)則采樣標(biāo)志ts_pressure=1，如果不在有效范圍之內(nèi)，其采樣標(biāo)志ts_pressure=0。read函數(shù)中通過(guò)調(diào)用copy_to_user(buffer，dbuf，length)，可將內(nèi)核空間數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間。
3.4采樣值的處理
函數(shù)Touch_CoordinateConversion完成觸摸屏采樣值轉(zhuǎn)換成顯示坐標(biāo)，其中TOUCH_MAX_Y和TOUCH_MIN_Y是觸摸屏X坐標(biāo)采樣值的最大和最小值；X坐標(biāo)同理。若使用的是320×240的TFT屏，則Y坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換程序如下：
3.5觸摸屏的校準(zhǔn)
在實(shí)際的應(yīng)用中，通常觸摸屏是作為與顯示屏配合使用的輸入設(shè)備，需要從觸摸屏采樣得到的坐標(biāo)與屏幕的顯示坐標(biāo)做一個(gè)映射。文中觸摸屏設(shè)計(jì)采用的是三點(diǎn)校準(zhǔn)的方法，與兩點(diǎn)校準(zhǔn)相比，三點(diǎn)校準(zhǔn)的模型考慮到變相和旋轉(zhuǎn)，更接近實(shí)際情況。應(yīng)用中首先選取3個(gè)相距較遠(yuǎn)且不在一條線上的3個(gè)作為校準(zhǔn)輸人的獨(dú)立采樣點(diǎn)，它們相應(yīng)的觸摸屏采樣坐標(biāo)是P0(x0，y0)、P1(x1，y1)、P2(x2，y2)，顯示坐標(biāo)是PD0(xD0，yD0)、PD1(xDl，yD1)、PD2(xD2，yD2)。直角坐標(biāo)平面的兩個(gè)點(diǎn)P和PD，定義P為觸摸屏空間的坐標(biāo)點(diǎn)，PD為顯示屏空間的坐標(biāo)點(diǎn)，P可以經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)、比例和平移得到PD坐標(biāo)。PD和P點(diǎn)之間存在一次線性關(guān)系滿足：xD=Ax+By+C，yD=Dx+Ey+F。對(duì)于同一個(gè)設(shè)備，其中的A、B、C、D、E、F為常數(shù)，稱為校準(zhǔn)常數(shù)，故只需在觸摸屏校準(zhǔn)時(shí)，解出這6個(gè)常數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)觸摸屏空間到顯示空間的轉(zhuǎn)換。
3.6中斷釋放和注冊(cè)模塊的卸載
設(shè)計(jì)中通過(guò)調(diào)用s3c2440_ts_cleanup_module0來(lái)實(shí)現(xiàn)中斷的釋放和設(shè)備的卸載，分別將它們釋放在初始化過(guò)程中，其申請(qǐng)的IRQ_TIMER4、IRQ_ADC_DONE、IRQ_TC的中斷和字符設(shè)備的接口函數(shù)devfs_register_chrdev()具體如下：
4結(jié)束語(yǔ)
文中基于S3C2440的觸摸屏驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)，考慮到與其他的ARM芯片兼容性，并沒(méi)有使用ARM自帶的A／D通道，而是外擴(kuò)了觸摸屏控制器TSC2007。對(duì)TSC2007的初始化，主要是初始化TSC2007與S3C2440的I2C接口連接，在驅(qū)動(dòng)流程中，如果觸摸筆按下就進(jìn)人中斷處理程序，讀取x，y坐標(biāo)，在采樣函數(shù)中設(shè)置了一個(gè)copy_to_user(buffer，dbuf，length)函數(shù)，將從觸摸屏連續(xù)測(cè)的數(shù)據(jù)，送入存儲(chǔ)區(qū)。
結(jié)合實(shí)際的硬件平臺(tái)，這個(gè)基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)下I2C總線接口觸摸屏設(shè)計(jì)，采用的是處理采樣數(shù)據(jù)的方法，同時(shí)運(yùn)用了改進(jìn)的校準(zhǔn)方法，從而使該觸摸屏驅(qū)動(dòng)更能滿足實(shí)際的要求。
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