基于S3C2410微處理器的觸摸屏設(shè)計-設(shè)計應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于S3C2410微處理器的觸摸屏設(shè)計-設(shè)計應(yīng)用觸控屏（Touchpanel）又稱為觸控面板，是個可接收觸頭等輸入訊號的感應(yīng)式液晶顯示裝置，當(dāng)接觸了屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先編程的程式驅(qū)動各種連結(jié)裝置，可用以取代機械式的按鈕面板，并借由液晶顯示畫面制造出生動的影音效果。

隨著多媒體信息查詢的與日俱增，人們越來越多地談到觸摸屏，因為觸摸屏不僅適用于中國多媒體信息查詢的國情，而且觸摸屏具有堅固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、易于交流等許多優(yōu)點。利用這種技術(shù)，我們用戶只要用手指輕輕地碰計算機顯示屏上的圖符或文字就能實現(xiàn)對主機操作，從而使人機交互更為直截了當(dāng)，這種技術(shù)大大方便了那些不懂電腦操作的用戶。

觸摸屏作為一種的電腦輸入設(shè)備，它是目前簡單、方便、自然的一種人機交互方式。

如何在系統(tǒng)中集成觸摸屏模塊以及在嵌入式操作系統(tǒng)中實現(xiàn)其驅(qū)動程序，都成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計者需要考慮的問題。本文主要介紹在三星S3C2410X微處理器的硬件平臺上進行基于嵌入式Linux的觸摸屏驅(qū)動程序設(shè)計。

硬件實現(xiàn)方案

SPI（SerialPeripheralInterface--串行外設(shè)接口）總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進行通信以交換信息。

SPI接口是在CPU和外圍低速器件之間進行同步串行數(shù)據(jù)傳輸，在主器件的移位脈沖下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后，為全雙工通信，數(shù)據(jù)傳輸速度總體來說比I2C總線要快，速度可達到幾Mbps。SPI接口采用全雙工、四線通信系統(tǒng)，S3C2410X是三星推出的自帶觸摸屏接口的ARM920T內(nèi)核芯片，ADS7843是一款性能優(yōu)異的觸摸屏控制器。

S3C2410X微處理器時一款由samsung公司為手持設(shè)備設(shè)計的低功耗、高集成度的基于ARM920T核的微處理器，為了降低系統(tǒng)總成本和減少外圍器件，這款芯片還集成了以下部件：16KB指令Cache、16KB數(shù)據(jù)Cache、MMU、外部存儲器控制器、LCD控制器、NANDFLASH控制器、4個DMA通道、3個UART通道、1個IIC總線控制器、1個IIS總線控制器、4個PWM定時器、1個內(nèi)部定時器、通用IO口、實時時鐘、8通道10位ADC和觸摸屏接口、USB主、USB從、SD/MMC卡接口等，現(xiàn)在它廣泛應(yīng)用于PDA、移動通信、路由器、工業(yè)控制等領(lǐng)域。ADS7843是一個內(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換、低導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)的串行接口芯片。供電電壓2.7~5V，參考電壓VREF為1V~+VCC，轉(zhuǎn)換電壓的輸入范圍為0~VREF，轉(zhuǎn)換速率為125kHz。

本文采用SPI接口的觸摸屏控制器ADS7843外接四線電阻式觸摸屏，這種方式顯著的特點就是響應(yīng)速度更快、靈敏度更高，微處理器與觸摸屏控制器間的通訊時間大大減少，提高了微處理器的效率。鑒于ADS7843差分工作模式的優(yōu)點，在硬件電路中將其配置為差分模式。

ADS7843與S3C2410的硬件連接如圖1所示。

圖1觸摸屏輸入系統(tǒng)示意圖

嵌入式Linux系統(tǒng)下的驅(qū)動程序

設(shè)備驅(qū)動程序是Linux內(nèi)核的重要組成部分，控制了操作系統(tǒng)和硬件設(shè)備之間的交互。Linux的設(shè)備管理是和文件系統(tǒng)緊密結(jié)合的，各種設(shè)備都以文件的形式存放在/dev目錄下，成為設(shè)備文件。應(yīng)用程序可以打開、關(guān)閉、讀寫這些設(shè)備文件，對設(shè)備的操作就像操作普通的數(shù)據(jù)文件一樣簡便。為開發(fā)便利、提高效率，本設(shè)計采用可安裝模塊方式開發(fā)調(diào)試觸摸屏驅(qū)動程序。

設(shè)備驅(qū)動在加載時首先需要調(diào)用入口函數(shù)init_module（），該函數(shù)完成設(shè)備驅(qū)動的初始化工作。其中重要的工作就是向內(nèi)核注冊該設(shè)備，對于字符設(shè)備調(diào)用register_chrdev（）完成注冊，對于塊設(shè)備需要調(diào)用register_blkdev（）完成注冊。

注冊成功后，該設(shè)備獲得了系統(tǒng)分配的主設(shè)備號、自定義的次設(shè)備號，并建立起與文件系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)。字符設(shè)備驅(qū)動程序向Linux內(nèi)核注冊登記時，在字符設(shè)備向量表chrdevs中增加一個device_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)條目，這個設(shè)備的主設(shè)備標(biāo)識符用作這個向量表的索引。向量表中的每一個條目，即一個device_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括兩個元素：一個登記的設(shè)備驅(qū)動程序的名稱的指針和一個指向一組文件操作的指針。這塊文件操作本身位于這個設(shè)備的字符設(shè)備驅(qū)動程序中，每一個都處理特定的文件操作，比如打開、讀寫和關(guān)閉。

所謂登記，就是將由模塊提供的file_operations結(jié)構(gòu)指針填入device_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)組的某個表項。登記以后，位于上層的模塊（內(nèi)核）可以“看見”這個模塊了。但是，應(yīng)用程序卻還不能“看見”它，因而還不能通過系統(tǒng)調(diào)用它。要使應(yīng)用程序能“看見”這個模塊或者它所驅(qū)動的設(shè)備，就要在文件系統(tǒng)中為其創(chuàng)建一個代表它的節(jié)點。通過系統(tǒng)調(diào)用mknod（）創(chuàng)建代表此項設(shè)備的文件節(jié)點——設(shè)備入口點，就可使一項設(shè)備在系統(tǒng)中可見，成為應(yīng)用程序可以訪問的設(shè)備。另外，設(shè)備驅(qū)動在卸載時需要回收相應(yīng)的資源，令設(shè)備的相應(yīng)寄存器值復(fù)位并從系統(tǒng)中注銷該設(shè)備。

Linux操作系統(tǒng)通過系統(tǒng)調(diào)用和硬件中斷完成從用戶空間到內(nèi)核空間的控制轉(zhuǎn)移。設(shè)備驅(qū)動模塊的功能就是擴展內(nèi)核的功能，主要完成兩部分任務(wù)：一個是系統(tǒng)調(diào)用，另一個是處理中斷。

圖2設(shè)備驅(qū)動在內(nèi)核中的掛接、卸載和系統(tǒng)調(diào)用過程

圖2是一個設(shè)備驅(qū)動模塊動態(tài)掛接、卸載和系統(tǒng)調(diào)用的全過程。系統(tǒng)調(diào)用部分則是對設(shè)備的操作過程，比如open，read，write，ioctl等操作，設(shè)備驅(qū)動程序所提供的這組入口點由幾個結(jié)構(gòu)向系統(tǒng)進行說明，分別是file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、inode數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和file數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。內(nèi)核內(nèi)部通過file結(jié)構(gòu)識別設(shè)備，通過file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供文件系統(tǒng)的入口點函數(shù)，也就是訪問設(shè)備驅(qū)動的函數(shù)，結(jié)構(gòu)中的每一個成員都對應(yīng)著一個系統(tǒng)調(diào)用。在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中，我們一般僅僅實現(xiàn)其中幾個接口函數(shù)：read、write、open、ioctl及release就可以完成應(yīng)用系統(tǒng)需要的功能。寫驅(qū)動程序的任務(wù)之一就是完成file_operations中的函數(shù)指針。

觸摸屏驅(qū)動程序設(shè)計

觸摸屏驅(qū)動程序中重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

typedefstruct

{

unsignedshortpressure;

unsignedshortx;

unsignedshorty;

unsignedshortpad;

}TS_RET;

typedefstruct

{

unsignedintPenStatus;

TS_RETbuf[MAX_TS_BUF];

unsignedinthead,tail;

wait_queue_head_twq;

spinlock_tlock;

}TS_DEV;

staticstructfile_operationss3c2410_fops={

owner:THIS_MODULE,

open:s3c2410_ts_open,

read:s3c2410_ts_read,

release:s3c2410_ts_release,

poll:s3c2410_ts_poll,

};

在程序中有三個重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：用于表示筆觸點數(shù)據(jù)信息的結(jié)構(gòu)TS_RET，表示ADS7843中有關(guān)觸摸屏控制器信息的結(jié)構(gòu)TS_DEV，以及驅(qū)動程序與應(yīng)用程序的接口file_operations結(jié)構(gòu)的s3c2410_fops。

TS_RET結(jié)構(gòu)體中的信息就是驅(qū)動程序提供給上層應(yīng)用程序使用的信息，用來存儲觸摸屏的返回值。上層應(yīng)用程序通過讀接口，從底層驅(qū)動中讀取信息，并根據(jù)得到的值進行其他方面的操作。

TS_DEV結(jié)構(gòu)用于記錄觸摸屏運行的各種狀態(tài)，PenStatus包括PEN_UP、PEN_DOWN和PEN_FLEETING。buf[MAX_TS_BUF]是用來存放數(shù)據(jù)信息的事件隊列，head、tail分別指向事件隊列的頭和尾。程序中的筆事件隊列是一個環(huán)形結(jié)構(gòu)，當(dāng)有事件加入時，隊列頭加一，當(dāng)有事件被取走時，隊列尾加一，當(dāng)頭尾位置指針一致時讀取筆事件的信息，進程會被安排進入睡眠。wq等待隊列，包含一個鎖變量和一個正在睡眠進程鏈表。當(dāng)有好幾個進程都在等待某件事時，Linux會把這些進程記錄到這個等待隊列。它的作用是當(dāng)沒有筆觸事件發(fā)生時，阻塞上層的讀操作，直到有筆觸事件發(fā)生。lock使用自旋鎖，自旋鎖是基于共享變量來工作的，函數(shù)可以通過給某個變量設(shè)置一個特殊值來獲得鎖。而其他需要鎖的函數(shù)則會循環(huán)查詢鎖是否可用。MAX_TS_BUF的值為16，即在沒有被讀取之前，系統(tǒng)緩沖區(qū)中多可以存放16個筆觸數(shù)據(jù)信息。

s3c2410_fops就是內(nèi)核對驅(qū)動的調(diào)用接口，完成了將驅(qū)動函數(shù)映射為標(biāo)準(zhǔn)接口。上面的這種特殊表示方法不是標(biāo)準(zhǔn)C的語法，而是GNU編譯器的一種特殊擴展，它使用名字進行結(jié)構(gòu)字段的初始化，它的好處體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)清晰，易于理解，并且避免了結(jié)構(gòu)發(fā)生變化帶來的許多問題。

接口函數(shù)s3c2410_ts_read（）

這個函數(shù)實現(xiàn)的任務(wù)是將事件隊列從設(shè)備緩存中讀到用戶空間的數(shù)據(jù)緩存中。實現(xiàn)的過程主要是通過一個循環(huán)，只有在事件隊列的頭、尾指針不重合時，才能成功的從tsdev.tail指向的隊列尾部讀取到一組觸摸信息數(shù)據(jù)，并退出循環(huán)。否則調(diào)用讀取函數(shù)的進程就要進入睡眠。

坐標(biāo)讀取函數(shù)s3c2410_get_XY（）

在定時器中斷處理程序中，當(dāng)查詢到與相連的EINT5/GPF5為低電平時，即表示有有效事件，應(yīng)該調(diào)用s3c2410_get_XY（）函數(shù)采集筆觸信息。

module_exit（）

該函數(shù)調(diào)用s3c2410_ts_exit（），主要任務(wù)是撤銷驅(qū)動程序向內(nèi)核的登記以及釋放申請的中斷資源。

init_module函數(shù)

在函數(shù)內(nèi)部通過s3c2410_ts_init（）實現(xiàn)模塊的初始化工作。在本設(shè)計中設(shè)備與系統(tǒng)之間以中斷方式進行數(shù)據(jù)交換。整個觸摸屏的驅(qū)動程序處理比較復(fù)雜，而且耗時較長，因而觸摸屏驅(qū)動程序不可能在中斷服務(wù)程序中完成。在Linux操作系統(tǒng)中一般把中斷處理切為兩個部分或兩半。中斷處理程序是上半部——接收到一個中斷，它就立即開始執(zhí)行，但只做有嚴(yán)格時限的工作，例如對接收的中斷進行應(yīng)答或復(fù)位硬件。這些工作都是在所有中斷被禁止的情況下完成的，能夠被允許稍后完成的工作會推遲到下半部去。在Linux中下半部的實現(xiàn)有多種機制。

當(dāng)按觸摸屏?xí)r，ADS7843輸出的數(shù)值會有一個抖動過程，即從ADS7846輸出的數(shù)值有一個不穩(wěn)定時期，這個過程大約為10ms。所以中斷處理程序的下半部處理函數(shù)采用內(nèi)核定時器機制，使下半部在中斷發(fā)生50ms后再作處理。這樣有效地避開了ADS7843輸出值的不穩(wěn)定時期，使中斷服務(wù)程序和中斷處理任務(wù)串行化，達到了處理時間較長的觸摸屏事件的目的。驅(qū)動程序通過request_irq函數(shù)注冊并激活一個中斷處理程序，以便處理中斷。

intreguest_irq（unsignedintirq,void（*handler）（int,void*,structpt_regs*），unsignedlongirq_flags,constchar*dev_name,void*dev_id）

上面的程序中，handler為向系統(tǒng)登記的中斷處理子程序，中斷產(chǎn)生時由系統(tǒng)來調(diào)用；參數(shù)irq表示所要申請的中斷號；dev_id為申請時告訴系統(tǒng)的設(shè)備標(biāo)識符；dev_name為設(shè)備名；irq_flags是申請時的選項，它決定中斷處理程序的一些特性，其中重要的是中斷處理程序是快速處理程序還是慢速處理程序。

本設(shè)計中觸摸屏控制器ADS7843的中斷輸出通過外部中斷5接在中斷控制器上，當(dāng)觸摸屏上有觸摸事件發(fā)生時，會引發(fā)中斷號為IRQ_EINT5的中斷服務(wù)程序s3c2410_isr_tc（）。

圖3所示為該中斷處理程序的流程圖。

圖3觸摸屏硬件中斷處理程序流程圖

在s3c2410_isr_tc（）中設(shè)定了定時器的定時時間為50ms，并立即激活。因此有觸摸屏硬件中斷的情況下50ms后就會引發(fā)定時中斷，中斷服務(wù)程序為ts_timer_handler（），這個程序?qū)崿F(xiàn)了觸摸屏中斷的下半部，即在過了抖動時間之后如果觸摸屏確實有有效事件發(fā)生則采集觸摸屏坐標(biāo)，并將定時器的時間重新設(shè)為100ms并重新激活，這樣做的目的是如果觸摸筆是拖動的情況，以后每100ms采集坐標(biāo)值，并存入緩沖區(qū)，如果不是拖動在采集坐標(biāo)值之后，在第二次進入ts_timer_handler（）時，查詢管腳的狀態(tài)值，則變?yōu)楦唠娖?，就將觸摸屏狀態(tài)tsdev.PenStatus設(shè)為PEN_UP，并釋放定時器，為下次觸摸屏事件做好準(zhǔn)備。

定時中斷服務(wù)程序流程圖如圖4所示。

圖4定時中斷服務(wù)程序流程圖

在s3c2410_ts_init（）中的另一個重要任務(wù)是執(zhí)行接口函數(shù)s3c2410_ts_open（），在這個函數(shù)中初始化緩沖區(qū)的頭尾指針、觸摸屏狀態(tài)變量及觸摸屏事件等待隊列。

ADS7843有多種轉(zhuǎn)換時序，時序規(guī)定了芯片與設(shè)備及CPU間是如何配合工作的。設(shè)計中采用16個時鐘周期啟動轉(zhuǎn)換的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方式。

ADS7843的操作時序如圖5所示。

坐標(biāo)的讀取是通過多次采集取平均值的方法，以X坐標(biāo)的讀取為例，其讀取過程如圖6所示。循環(huán)過程中的每一步都在8個時鐘周期內(nèi)完成，數(shù)據(jù)的處理嚴(yán)格按照時序進行，Y坐標(biāo)的采集與X坐標(biāo)類似。

圖5ADS7843操作時序

圖6X坐標(biāo)采集流程

在本文觸摸屏的設(shè)計中，抗干擾設(shè)計無疑是個難點和重點，且直接關(guān)系到觸摸屏的工作性能。實驗發(fā)現(xiàn)坐標(biāo)采集時，丟棄次采集值讀取的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換值效果較好。

本文所介紹的驅(qū)動程序已經(jīng)在博創(chuàng)公司的教學(xué)實驗設(shè)備UP-NETARM2410-S平臺上經(jīng)過實際驗證，從數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和系統(tǒng)負載的角度看，效果良好。同時通過修改程序內(nèi)部的定時器時鐘頻率可以改變筆在屏上移動所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量。

觸摸屏發(fā)展趨勢

目前觸摸屏的應(yīng)用范圍從以往的銀行自動柜員機、工控計算機等小眾商用市場，迅速擴展到手機、PDA、GPS（定位系統(tǒng)）、PMP（MP3，MP4等），甚至平板電腦