基于I2C的嵌入式多點(diǎn)觸摸屏幕驅動(dòng)設計

摘要：采用了三星公司的S3C6410X處理器，通過(guò)嵌入式Linux的驅動(dòng)管理系統實(shí)現了對Cypress 7958、Snaptics TM1444等基于I2C總線(xiàn)協(xié)議的多點(diǎn)觸摸屏幕的驅動(dòng)設計。實(shí)踐證明，在基于Linux核心的Qtopia平臺以及Andriod嵌入式操作系統上運行流暢，識別度與準確度很高。

引言

隨著(zhù)嵌入式設備的開(kāi)發(fā)和推廣，觸摸屏作為新式輸入設備已經(jīng)隨處可見(jiàn)，手機、PDA、MID以及ATM機等設備都已經(jīng)用到了觸摸屏。而科技在不斷發(fā)展，觸摸屏也由一開(kāi)始的4線(xiàn)式單點(diǎn)電阻觸摸屏發(fā)展到今天的各種多點(diǎn)式電容觸摸屏。本文通過(guò)對以cypress 7958為代表的I2C總線(xiàn)接口電容式多點(diǎn)觸摸屏的研究，設計了針對Linux操作系統的多點(diǎn)觸摸的屏幕驅動(dòng)，以及不運行操作系統前提下的單片機對觸摸屏的驅動(dòng)，取得了良好的效果。

1 研究平臺介紹

1.1 ARM11處理器S3C6410X

S3C6410X是基于ARM1176JZFS核的用于手持、移動(dòng)等終端設備的通用處理器。S3C6410X是一款低功率、高性?xún)r(jià)比、高性能的用于移動(dòng)電話(huà)和通用處理RSIC處理器。為2.5G和3G通信服務(wù)提供了優(yōu)化的硬件性能，采用 64/32位的內部總線(xiàn)架構，融合了AXI、AHB、APB總線(xiàn)。還有很多強大的硬件加速器，包括運動(dòng)視頻處理、音頻處理、2D加速、顯示處理和縮放。

1.2 電容式多點(diǎn)觸摸屏

電容式觸摸屏在觸摸屏4邊均鍍上狹長(cháng)的電極，在導電體內形成一個(gè)低電壓交流電場(chǎng)。在觸摸屏幕時(shí)，由于人體電場(chǎng)，手指與導體層間會(huì )形成一個(gè)耦合電容，4邊電極發(fā)出的電流會(huì )流向觸點(diǎn)，而電流強度與手指到電極的距離成正比，位于觸摸屏幕后的控制器會(huì )計算電流的比例及強弱，準確算出觸摸點(diǎn)的位置。電容觸摸屏的雙玻璃不但能保護導體及感應器，更有效地防止外在環(huán)境因素對觸摸屏造成影響，就算屏幕沾有污穢、塵?；蛴蜐n，電容式觸摸屏依然能準確算出觸摸位置。與電阻觸摸屏相對比，電容式觸摸屏就是支持多點(diǎn)觸摸的人機交互方式，普通電阻式觸摸屏只能進(jìn)行單一點(diǎn)的觸控。

1.3 ARM工具鏈

本文針對ARM核的單片機使用了armnONelinuxgnueabi4.3.2交叉編譯鏈，實(shí)現對ARM支持的二進(jìn)制文件編譯,用以成功編譯ARMLinux 2.6.28內核。

1.4 移植條件

對于本文所述內容，所有支持Linux操作系統運行的處理器（包括嵌入式處理器）都可以運行，而所有支持I2C總線(xiàn)協(xié)議的單片機也可以在不使用操作系統的前提下將觸摸屏作為一種普通輸入設備進(jìn)行使用。

2 研究過(guò)程

圖1顯示了本文中針對嵌入式Linux平臺下的驅動(dòng)軟硬件結構體系。

圖1 驅動(dòng)軟硬件結構體系

2.1 I2C設備在平臺部分聲明

CYPRESS 7958多點(diǎn)觸摸屏的I2C地址為0x20，在使用前需要在平臺設備處進(jìn)行I2C設備聲明，這樣才可以使Linux驅動(dòng)找到其對應的I2C地址進(jìn)行操作。首先要聲明該I2C設備結構體，代碼如下：

　　STatic struct i2c_bOArd_info i2c_devs1[] __initdata={

　　{I2C_BOARD_INFO(Cypress7958, 0x20), }, /*cyprESS7958 touch pannel controller*/

　　};

然后在static void __init smdk6410_machine_init(void)函數中聲明該I2C設備：

i2c_register_board_info(1, i2c_devs1, ARRAY_SIZE(i2c_devs1));

2.2 Cypress 7958驅動(dòng)部分設計

2.2.1 注冊和注銷(xiāo)模塊

首先建立I2C驅動(dòng)結構體，cypress_7958_driver,代碼如下：

　　static struct i2c_driver cypress_7958_driver={

　　.probe=cypress_7958_probe,

　　.remove=cypress_7958_remove,

　　.id_table=cypress_7958_id,

　　.driver={

　　.name=CYPRESS_7958_NAME,

　　},

　　};

然后建立_INIT初始化函數與_EXIT注銷(xiāo)設備函數：static int __devinit cypress_7958_ts_init(void)，static void __exit cypress_7958_exit(void)，通過(guò)i2c_add_driver與i2c_del_driver函數進(jìn)行I2C設備的注冊與注銷(xiāo)。

2.2.2 觸摸屏驅動(dòng)入口函數的設計

由上節中聲明的I2C結構體得知，在設備被檢查到的時(shí)候進(jìn)入static int synaptics_ts_probe(struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id)函數，在該函數中需要進(jìn)行觸摸屏工作模式的初始化，對作為輸入設備的觸摸屏驅動(dòng)在Linux平臺下的設備名注冊，同時(shí)初始化觸摸事件觸發(fā)時(shí)引起的中斷操作。

(1) Cypress 7958模式初始化

作為多點(diǎn)觸摸屏幕，Cypress 7958有很多相關(guān)的配置寄存器，本文中不再贅述，初始化部分僅需對屏幕是否工作在正常工作模式下進(jìn)行檢查，通過(guò)讀取0x28地址的寄存器，如果值為0x07，則屏幕工作正常，否則返回錯誤值。

　　ret=i2c_smbus_read_byte_data(ts>client, 0x28);

　　if(ret!=0x07){

　　printk(KERN_ERR,Cypress Detect Errorn);

　　return ret;

　　}

(2) 輸入設備名注冊

創(chuàng )建struct input_dev結構體，通過(guò)input_allocate_device()函數進(jìn)行設備名的創(chuàng )建，然后通過(guò)set_bit函數進(jìn)行輸入設備功能聲明。因為是多點(diǎn)觸摸屏，可以產(chǎn)生EV_SYN,EV_KEY,BTN_TOUCH,BTN_2（多點(diǎn)觸摸），EV_ABS等功能，故對之進(jìn)行聲明：

　　set_bit(EV_SYN, ts>input_dev>evbit);

　　set_bit(EV_KEY, ts>input_dev>evbit);

　　set_bit(BTN_TOUCH, ts>input_dev>keybit);

　　set_bit(BTN_2, ts>input_dev>keybit);

　　set_bit(EV_ABS, ts>input_dev>evbit);

然后完成對事件的具體配置：

　　input_set_abs_params(ts>input_dev, ABS_X, 0, max_y, 0, 0);

　　input_set_abs_params(ts>input_dev, ABS_Y, 0, max_x, 0, 0);

　　input_set_abs_params(ts>input_dev, ABS_PRESSURE, 0, 255, 0, 0);

　　input_set_abs_params(ts>input_dev, ABS_TOOL_WIDTH, 0, 15, 0, 0);

　　input_set_abs_params(ts>input_dev, ABS_HAT0X, 0, max_y, 0, 0);

　　input_set_abs_params(ts>input_dev, ABS_HAT0Y, 0, max_x, 0, 0);

　　input_set_abs_params(ts>input_dev, ABS_MT_POSITION_X, 0, max_y, 0, 0);

　　input_set_abs_params(ts>input_dev, ABS_MT_POSITION_Y, 0, max_x, 0, 0);

　　input_set_abs_params(ts>input_dev, ABS_MT_TOUCH_MAJOR, 0, 255, 0, 0);

　　input_set_abs_params(ts>input_dev, ABS_MT_WIDTH_MAJOR, 0, 15, 0, 0);

最后通過(guò)input_register_device(ts>input_dev)函數完成對該設備名的注冊。

(3) 驅動(dòng)事件產(chǎn)生中斷函數初始化

Cypress 7958觸摸屏在觸摸事件產(chǎn)生時(shí)會(huì )在IRQ引腳產(chǎn)生一個(gè)低電平信號，將該引腳連接到GPN(15)引腳上，同時(shí)創(chuàng )建GPIO中斷函數：

　　s3c_gpio_cfgpin(S3C64XX_GPN(15),S3C_GPIO_SFN(2));

　　client>irq=gpio_to_irq(S3C64XX_GPN(15));

　　irqflags=IRQF_TRIGGER_LOW;

然后通過(guò)ret=request_irq(client>irq, cypress_7958_irq_handler, irqflags, client>name, ts)進(jìn)行中斷函數申請。創(chuàng )建cypress_7958_irq_handler函數：

　　static irqreturn_t cypress_7958_irq_handler(int irq, void *dev_id){

　　struct synaptics_ts_data *ts=dev_id;

　　//int ret=gpio_get_value(S3C64XX_GPN(15));

　　//printk(%s:ret=%dn,__func__,ret);

　　disable_irq_nosync(ts>client>irq);

　　queue_work(cypress_7958_wq, ts>work);

　　return IRQ_HANDLED;

　　}

當驅動(dòng)事件被觸發(fā)之后通過(guò)queue_work函數進(jìn)入驅動(dòng)工作區cypress_7958_wq,進(jìn)行驅動(dòng)層對應用層的信息上報。

2.2.3 觸摸屏工作區函數設計

觸摸屏工作區函數需要完成事件信息獲取以及驅動(dòng)層對應用層的信息上報功能，通過(guò)INIT_WORK(ts>work, cypress_7958_work_func)函數完成驅動(dòng)工作區函數的初始化聲明，在驅動(dòng)事件中斷產(chǎn)生之后進(jìn)入工作區函數cypress_7958_work_func。

(1) 觸摸屏事件信息獲取

Cypress 7958的事件觸發(fā)信息存儲在寄存器中，只需要通過(guò) i2c_smbus_read_byte_data函數對其寄存器信息進(jìn)行讀取即可完成其事件信息的獲取，也可以通過(guò)i2c_transfer完成對其寄存器信息的批量讀取:

　　buf[0]=i2c_smbus_read_byte_data(ts>client, 0x12);

　　buf[1]=i2c_smbus_read_byte_data(ts>client, 0x13);

　　buf[2]=i2c_smbus_read_byte_data(ts>client, 0x14);

　　buf[3]=i2c_smbus_read_byte_data(ts>client, 0x15);

　　buf[4]=i2c_smbus_read_byte_data(ts>client, 0x16);

　　buf[5]=i2c_smbus_read_byte_data(ts>client, 0x17);

　　buf[6]=i2c_smbus_read_byte_data(ts>client, 0x18);

　　buf[7]=i2c_smbus_read_byte_data(ts>client, 0x19);

　　buf[8]=i2c_smbus_read_byte_data(ts>client, 0x1a);

　　buf[9]=i2c_smbus_read_byte_data(ts>client, 0x1b);

　　buf[10]=i2c_smbus_read_byte_data(ts>client, 0x1c);

　　buf[11]=i2c_smbus_read_byte_data(ts>client, 0x1d);

　　buf[12]=i2c_smbus_read_byte_data(ts>client, 0x1e);

　　buf[13]=i2c_smbus_read_byte_data(ts>client, 0x1f);

(2) 觸摸屏事件信息上報

通過(guò)對buf數組的分析，獲取當前事件具體信息，然后通過(guò)input_report系列函數進(jìn)行事件信息的應用層上報：

　　if(fingermark==2){

　　input_report_key(ts>input_dev,ABS_MT_TRACKING_ID,0);

　　input_report_abs(ts>input_dev, ABS_MT_TOUCH_MAJOR, f1z);

　　input_report_abs(ts>input_dev, ABS_MT_POSITION_X, f1x);

　　input_report_abs(ts>input_dev, ABS_MT_POSITION_Y, f1y);

　　input_mt_sync(ts>input_dev);

　　input_report_key(ts>input_dev,ABS_MT_TRACKING_ID,1);

　　input_report_abs(ts>input_dev, ABS_MT_TOUCH_MAJOR, f2z);

　　input_report_abs(ts>input_dev, ABS_MT_POSITION_X, f2x);

　　input_report_abs(ts>input_dev, ABS_MT_POSITION_Y, f2y);

　　input_mt_sync(ts>input_dev)

　　input_sync(ts>input_dev);

　　}

　　else if(fingermark==1){

　　input_report_key(ts>input_dev,ABS_MT_TRACKING_ID,0);

　　input_report_abs(ts>input_dev, ABS_MT_TOUCH_MAJOR, f1z);

　　input_report_abs(ts>input_dev, ABS_MT_POSITION_X, f1x);

　　input_report_abs(ts>input_dev, ABS_MT_POSITION_Y, f1y);

　　input_mt_sync(ts>input_dev);

　　input_sync(ts>input_dev);

　　}

　　else{

　　input_report_abs(ts>input_dev, ABS_MT_TOUCH_MAJOR, 0);

　　input_mt_sync(ts>input_dev);

　　input_sync(ts>input_dev);

　　}

2.3 Cypress 7958驅動(dòng)在內核中的移植

通過(guò)改寫(xiě)Makefile與KCONFIG完成Cypress 7985在內核中的移植,以幫助GCC工具鏈實(shí)現對內核的編譯。

2.3.1 Kconfig的修改

在/driver/input/touchscreen/Kconfig中添加如下語(yǔ)句：

　　config TOUCHSCREEN_CYPRESS

　　tristate CYPRESS 7958 touchscreens

　　help

　　Say Y here if you have a CYPRESS 7958 touchscreen connected to your system.

　　If unsure, say N.

以實(shí)現將文件編譯選項添加到MAKE MENUCONFIG中。由于觸摸屏驅動(dòng)屬于系統基本輸入設備驅動(dòng)，本身調用了I/O中斷，不能實(shí)現模塊編譯，只能完全編譯進(jìn)內核。在后續的研發(fā)中發(fā)現可以使用時(shí)鐘中斷將其模塊化編譯進(jìn)內核，但由于時(shí)鐘中斷影響UCLINUX時(shí)間片的運行，故棄之不用。

2.3.2 Makefile的修改

然后在/driver/input/touchscreen/Makefile中添加對應編譯信息:

obj$(CONFIG_TOUCHSCREEN_CYPRESS) +=touchscreen_cypress.o

最終在編譯選項中將/MAKEFILE中的ARCH選項設置為S3C6410，在make menuconfig命令之后的選項中選擇TOUCHSREEN_CYPRESS選項并選擇編譯進(jìn)內核。

結語(yǔ)

本設計以I2C方式對多點(diǎn)觸摸屏進(jìn)行驅動(dòng)，通過(guò)嵌入式Linux將多點(diǎn)觸摸輸入方式應用到嵌入式應用系統中，豐富了單一的鍵盤(pán)輸入與單點(diǎn)輸入方式， 減小了系統尺寸，提高了系統的可靠性。使得嵌入式系統的輸入方式簡(jiǎn)單易行，同時(shí)也增強了嵌入式系統與人之間的通信能力，簡(jiǎn)化了繁瑣的調試。采用三星公司的S3C6410 ARM11處理器，加快了實(shí)驗的操作步驟。實(shí)踐證明，該設計驅動(dòng)多點(diǎn)觸摸屏幕的速度以及穩定性滿(mǎn)足調試要求。該設計只需對底層驅動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)單修改，就可直接應用于單片機以及其他全部可以運行Linux的嵌入式系統中。