摘  要： 給出一種在三星S5PV210處理器的Linux系統(tǒng)下基于PIC24F單片機實現(xiàn)的觸摸傳感系統(tǒng)的設(shè)計方案。利用PIC24F充電時間測量單元（CTMU）和ADC實現(xiàn)觸摸信息采集，S5PV210通過I2C總線與觸摸傳感器通信，讀取傳感器觸摸狀態(tài)信息；設(shè)計了PIC24F固件程序和其在主控S5PV210處理器Linux系統(tǒng)下的I2C設(shè)備驅(qū)動程序。測試結(jié)果表明，在主控Linux系統(tǒng)下可以精確獲得觸摸狀態(tài)信息。
　　關(guān)鍵詞： 觸摸傳感；CTMU；I2C；Linux驅(qū)動
0 引言
　　隨著科技的進步，各種形式的觸摸傳感器被應(yīng)用于機器人、家電、便攜式消費電子等領(lǐng)域。
　　常用觸摸傳感器主要有電阻式和電容式兩種，電容式以靈敏度高、抗損性好的特點得到廣泛應(yīng)用。一般電容傳感器由專用ASIC實現(xiàn)，本文基于PIC24F MCU（微控制器）實現(xiàn)電容觸摸傳感器，由于傳感器只是MCU外接的金屬片，具有成本低、形狀靈活、外圍電路簡單的特點，主控端可在嵌入式Linux下通過I2C總線獲得多個傳感器狀態(tài)。
1 系統(tǒng)組成
　　如圖1所示，觸摸傳感系統(tǒng)由多個電容觸摸傳感器端（由PIC24F MCU實現(xiàn)）和S5PV210主控端（運行Linux系統(tǒng)）兩部分組成。電容傳感器端處理觸摸信息，主控端通過I2C總線與傳感器通信，得到其處理好的傳感器數(shù)據(jù)（包含傳感器ID和是否觸摸狀態(tài)）。一片PIC24F最多可實現(xiàn)16個觸摸傳感器。

2 功能實現(xiàn)
　　2.1 基于PIC24F CTMU方式實現(xiàn)觸摸檢測
　　圖2為PIC24F CTMU框圖。

　　PIC24F的CTMU是由一個可調(diào)節(jié)恒流源和邏輯控制塊構(gòu)成的可配置模擬單元。觸摸檢測采用CTMU恒流源與A/D轉(zhuǎn)換器的連接[1]如圖3所示。

　　通過CTMU在傳感器上施加恒流源實現(xiàn)觸摸檢測。
　　I×T=C×V（1）
　　其中，I是CTMU恒流源電流，T是CTMU充電的固定周期，C是觸摸電路的電容，V是充電完成后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器讀取的電壓值。
　　由于CTMU恒流源I是恒定的，設(shè)置充電周期T保持恒定，則電路中電容C的變化將表現(xiàn)為電壓V的變化，當(dāng)人手指接觸到傳感器時，總電容將增加，A/D轉(zhuǎn)換器讀取的電壓減小。
　　圖4為傳感器電壓采集子程序，它由CTMU單元和ADC單元配合完成[2]。傳感器電容與ADC的保持電容并聯(lián)，每次測量電壓前使兩個電容接地放電至0 V，隨后控制CTMU的恒流源對兩個電容注入一定量的電荷，再通過ADC讀取電壓。可以計算觸摸前后電壓差值為：

　　其中，CF是手指電容，CB是金屬片基礎(chǔ)電容，CA/D是ADC保持電容，I是CTMU恒流源的電流，t是充電時間。

　　實際中由手指電容引起的電容增量為pF量級，為獲得較高的靈敏度，需增大ΔCTMU，由式（2）可知，減小基礎(chǔ)電容CB和適當(dāng)增加注入電荷（It）為有效方式。傳感器面積會影響CB，形狀不是主要影響因素，本文設(shè)計的傳感器尺寸為15 mm×15 mm的正方形，配置CTMU恒流源為最大55 μA（CTMUICON=0x0300）以提高充電速度和電量。
　　2.2 S5PV210與觸摸傳感器I2C通信
　　I2C總線（Inter Integrated Circuit）是主從結(jié)構(gòu)的兩線式（數(shù)據(jù)線SDA，時鐘線SCL）串行總線。它接口簡單、互聯(lián)成本低，數(shù)據(jù)的傳輸和時鐘頻率均由主機控制，因此各種傳感器芯片大都采用I2C通信。
　　開始通信時，由主機端S5PV210發(fā)送S，接著發(fā)送Addr（從機地址7 bit）、R/W（讀寫位1 bit）給PIC24F，PIC24F收到8 bit（Addr+R/W）確認是本機后，將SDA線拉低作為ACK，主機在第9個SCL采集到低電平ACK后，確認連接到從機，接著主從將根據(jù)R/W位接收或者發(fā)送1 B傳感器數(shù)據(jù)。本文為2個傳感器（一片PIC24F最多可實現(xiàn)16個傳感器，多于16個時可通過I2C總線進行擴展），設(shè)置傳感器1被觸摸則發(fā)送0x01，傳感器2被觸摸發(fā)送0x02，沒有觸摸為0x00。單片機PORTE口接有LED將接收數(shù)據(jù)賦給PORTE做為接收測試（0-亮，1-滅）。圖5為總線時序圖。

       2.3 從機端電容觸摸傳感器固件設(shè)計
　　PIC24F固件程序流程如圖6所示。

　　系統(tǒng)初始化使能Time1、ADC、CTMU和I2C（slave模式），Time1中斷用于觸發(fā)讀取傳感器1和傳感器2經(jīng)CTMU和ADC處理的電壓值，并將有無觸摸（電壓降低）狀態(tài)保存到I2C的發(fā)送緩存里，隨后利用主機端發(fā)起通信引起的中斷發(fā)送觸摸狀態(tài)或接收數(shù)據(jù)。
　　2.4 主機端Linux I2C設(shè)備驅(qū)動設(shè)計
　　S5PV210 Linux下I2C驅(qū)動層次結(jié)構(gòu)如圖7所示。

　　Linux系統(tǒng)分為用戶層和內(nèi)核層，系統(tǒng)下應(yīng)用程序訪問硬件設(shè)備需要位于內(nèi)核層的設(shè)備驅(qū)動提供的接口支持[3]。
　　整個I2C驅(qū)動程序由I2C設(shè)備驅(qū)動和總線驅(qū)動兩部分組成，Linux下對S5PV210 I2C控制器驅(qū)動即總線驅(qū)動已經(jīng)支持，要做的是針對觸摸傳感器設(shè)計I2C設(shè)備驅(qū)動。I2C設(shè)備驅(qū)動在Linux中屬于字符設(shè)備，字符設(shè)備可以以設(shè)備文件形式存在，由應(yīng)用程序打開并進行讀寫操作，從而實現(xiàn)控制硬件的目的。
　　S5PV210有3個I2C主控制器，觸摸傳感器驅(qū)動采用第一個主控制器。Linux下設(shè)備驅(qū)動可以直接編譯到內(nèi)核，也可以在外部編譯好生成.ko文件，然后使用insmod命令動態(tài)加載到運行的內(nèi)核中，為了方便開發(fā)采用動態(tài)加載方式。
　　I2C設(shè)備驅(qū)動程序可分為兩部分[4]：首先定義和注冊I2C設(shè)備即i2c_client；然后定義和注冊I2C設(shè)備驅(qū)動即i2c_driver。i2c_client即是PIC24F模塊，所以要在i2c_client中設(shè)置PIC24F的設(shè)備名和地址信息，i2c_client里關(guān)鍵代碼及結(jié)構(gòu)有：
　　struct i2c_board_info pic_touch_info={
　　i2c_board_info（"pic_touch"，0x40），
　　//注意PIC實際地址0x80，這里要右移1位：0x80>>1=0x40
　　}；//設(shè)置i2c_board_info結(jié)構(gòu)體保存設(shè)備名和設(shè)備地址
　　structi2c_adapter*i2c_adap；
　　i2c_adap=i2c_get_adapter（0）；
　　//使用S5PV210第一個控制器
　　pic_touch_client=i2c_new_device（i2c_adap，&pic_touch_info）；
　　//調(diào)用i2c_new_device創(chuàng)建并注冊I2C
　　//設(shè)備對應(yīng)的i2c_client結(jié)構(gòu)體
　　第二部分定義和注冊I2C設(shè)備驅(qū)動，其中i2c_driver為核心結(jié)構(gòu)體，設(shè)置驅(qū)動所能支持的設(shè)備列表pic_touch_id_table[]，提供探測函數(shù)pic_touch_probe（），當(dāng)總線驅(qū)動發(fā)現(xiàn)i2c_client設(shè)備名與id_table中相同時，會自動發(fā)出設(shè)備地址，如果收到ACK，則確定設(shè)備存在，總線驅(qū)動會把設(shè)備掛接到此驅(qū)動并調(diào)用pic_touch_probe（），在此函數(shù)中注冊字符設(shè)備創(chuàng)建設(shè)備訪問節(jié)點，構(gòu)造file_openration結(jié)構(gòu)體，在此結(jié)構(gòu)體中編寫實際操作硬件的讀寫函數(shù)。
　　i2c_driver關(guān)鍵代碼及結(jié)構(gòu)：
　　struct i2c_device_id pic_touch_id_table
　　[]={{"pic_touch"，0}，{}}；//填充與i2c_client相同的
　　//設(shè)備名pic_touch，使此驅(qū)動適用于傳感器設(shè)備
　　//創(chuàng)建i2c_driver結(jié)構(gòu)體對象
　　struct i2c_driver pic_touch_driver={
　　.driver={
　　.name="pic_touchdrv"，
　　.owner=THIS_MODULE，
　　}，
　　.probe=pic_touch_probe，//設(shè)置探測函數(shù)，此函數(shù)在驅(qū)動
　　//與i2c_client匹配時調(diào)用，在此函數(shù)中完成字符設(shè)備的注冊
　　.remove=__devexit_p（pic_touch_remove），
　　//去除驅(qū)動時調(diào)用
　　.id_table=pic_touch_id_table，
　　//在此id_table中查找本驅(qū)動支持的設(shè)備
　　}；
　　探測函數(shù)pic_touch_probe（）中關(guān)鍵段：
　　major=register_chrdev（0，"pic_touch"，
　　&pic_touch_fops）；//注冊字符設(shè)備
　　class=class_create（THIS_MODULE，"pic_touch"）；
　　device_create（class，NULL，MKDEV（major，0），NULL，"pic_touch"）；
　　//生成設(shè)備訪問節(jié)點/dev/pic_touch
　　構(gòu)造file_operations結(jié)構(gòu)體填充讀寫函數(shù)
　　file_operations pic_touch_fops={
　　.owner=THIS_MODULE，
　　.read=pic_touch_read，
　　.write=pic_touch_write，
　　}；
　　pic_touch_read（）和pic_touch_write（）是實際操作硬件的函數(shù)。需要根據(jù)從機端觸摸傳感器I2C固件需求的時序設(shè)計。
　　本文采用Linux內(nèi)核提供的SMBus讀寫函數(shù)實現(xiàn)，SMBus（System Management Bus）是I2C的子集。
　　讀函數(shù)pic_touch_read（）關(guān)鍵程序段：
　　data=i2c_smbus_read_byte（pic_touch_client）；
　　//從傳感器讀數(shù)據(jù)存在內(nèi)核緩沖data
　　copy_to_user（buf，&data，1）；
　　//將讀取的傳感器數(shù)據(jù)data拷貝到用戶buf空間
　　寫函數(shù)pic_touch_write（）關(guān)鍵程序段：
　　copy_from_user（&data，buf，1）；
　　//從用戶空間buf拷貝1 B數(shù)據(jù)到內(nèi)核緩沖區(qū)data
　　i2c_smbus_write_byte（pic_touch_client，data）
　　//將數(shù)據(jù)發(fā)送給傳感器設(shè)備
3 測試
　　無觸摸ADC取值穩(wěn)定，觸摸后因每次觸摸面積不同使得讀取ADC值差別較大，本設(shè)計根據(jù)表1測試結(jié)果設(shè)置觸發(fā)閾值為0x0200，實際中需根據(jù)靈敏度要求和測試結(jié)果合理設(shè)置閾值，利用Time1中斷定時掃描讀取2個觸摸傳感器值，設(shè)置的中斷時間為480 ，CTMU充電時間為1.25 。
　　主控端Linux下讀取傳感器狀態(tài)，先insmod加載驅(qū)動，生成設(shè)備節(jié)點/dev/pic_touch：
　　#insmod pic_touch_dev.ko
　　#insmod pic_touch_drv.ko
　　打印調(diào)試信息：
　　pic_touch_pad is probed， make chdev node：/dev/pic_touch
　　#ls/dev/pic_touch
　　/dev/pic_touch
　　無觸摸時，Linux下運行如下測試程序：
　　#./pic_touch_testrw r
　　readdata=0x00 touch state is：0x00
　　成功返回?zé)o觸摸狀態(tài)0x00。
　　分別觸摸傳感器1和傳感器2，運行測試程序：
　　#./pic_touch_testrw r
　　readdata=0x01 touch state is：0x01
　　#./pic_touch_testrw r
　　readdata=0x02 touch state is：0x02
　　成功讀取傳感器1和2被觸摸狀態(tài)0x01，0x02。
　　發(fā)送數(shù)據(jù)0xaa給傳感器接收測試LED：
　　#./pic_touch_testrw w 0xaa
　　cmmd=0xaa write success!，cmd=0xaa
　　發(fā)送成功，LED狀態(tài)正確。
　　為檢測傳感器性能，實測時傳感器表面蓋一層1 mm厚的透明塑料，LED同時指示傳感器狀態(tài)。測試結(jié)果表明，設(shè)置的觸摸傳感器掃描頻率和觸發(fā)閾值有很好的靈敏度和穩(wěn)定性，在主控端Linux I2C速率為100 kb/s下可實時精確地獲取傳感器觸摸狀態(tài)信息，達到設(shè)計目標。本文在Linux下基于MCU實現(xiàn)觸摸傳感系統(tǒng)也便于后續(xù)利用MCU擴展傳感器功能。
　　參考文獻
　　[1] Microchip Technology Inc.PIC24FJ256GA110 Family Data Sheet[Z]. 2010.
　　[2] Microchip Technology Inc.Microchip CTMU for Capacitive Touch Applications[Z]. 2009.
　　[3] 宋寶華.Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)詳解（第2版）[M].北京：人民郵電出版社，2010.
　　[4] 韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008.