基于μClinux的觸摸屏設計與關(guān)鍵技術(shù)分析

在此基礎上，詳細講述了觸摸屏驅動(dòng)程序設計的一些關(guān)鍵技術(shù)，如阻塞型I/O操作、任務(wù)隊列以及系統定時(shí)器的應用等，解決了采樣數量控制問(wèn)題，具有較好的移植性。
　　

1引言

1.1背景介紹

隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統越來(lái)越廣泛地應用到航空航天、通訊設備、工業(yè)控制等領(lǐng)域。由于尺寸的限制，觸摸屏代替鍵盤(pán)和鼠標成為嵌入式系統首選的輸入工具。同時(shí)嵌入式系統也逐漸摒棄了傳統的循環(huán)控制模式，而是引入操作系統完成進(jìn)程間切換和任務(wù)調度。μClinux就是一種優(yōu)秀的開(kāi)放源代碼的嵌入式操作系統。它經(jīng)過(guò)各方面的小型化改造，形成了一個(gè)高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux，雖然它的體積很小，μClinux仍然保留了Linux的大多數優(yōu)點(diǎn)：穩定良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò )功能、完備的對各種文件系統的支持以及標準豐富的API。比較起其它幾種應用較多的嵌入式操作系統，像vxworks、winCE等，它較為低廉的價(jià)格以及方便的用戶(hù)程序開(kāi)發(fā)，無(wú)疑是其巨大的優(yōu)勢。用戶(hù)可以方便地從互聯(lián)網(wǎng)上找到最新內核版本、編譯器以及其它必需的軟件環(huán)境，這也促使眾多愛(ài)好者加盟。

　　1.2研究現狀

　　由于觸摸屏使用得越來(lái)越廣泛，所以相應的研究與工程實(shí)踐比較多。在現有的工作中，已有很多工程師對觸摸屏控制器ADS7846與StrongARM平臺的硬件連接以及在WinCE操作系統中軟件驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)進(jìn)行了研究，并對改進(jìn)觸摸屏控制器硬件精度上做了一定探索。而本文的主要貢獻在于詳細描述了在μClinux這一嵌入式操作系統中觸摸屏驅動(dòng)程序硬件及軟件設計。實(shí)踐證明，這一設計具有比較高的精度、穩定性和開(kāi)放性，而且跨平臺性也較好，因此必將給嵌入式設備提供更多選擇。

　　2硬件設計

　　本設計中硬件平臺微處理器選用Motorola公司的MC68VZ328，它是一款M68k體系的32位低功耗微處理器，采用SoC技術(shù)設計，具有典型的嵌入式微處理器的特征；觸摸屏選用TI(原為Burr-Brown公司的產(chǎn)品，由于該公司已被TI公司收購，所以下文均用TI公司）公司的ADS7843。在本設計中，CPU與觸摸屏以主從方式工作，觸摸屏工作于從設備（slave）狀態(tài)。本設計中硬件電路不同于傳統設計，而是充分利用了ADS7843中的BUSY信號線(xiàn)，如圖1所示。

ADS7843是一款四線(xiàn)電阻式觸摸屏控制芯片，它主要完成兩件事情：其一，是完成電極電壓的切換；其二，是采集接觸點(diǎn)處的電壓值。它由兩層透明的阻性導體層組成，在導體層中間充滿(mǎn)了用粘性絕緣液體材料做成的隔離層和由導電性能極好的材料構成的電極。

　　觸摸屏工作時(shí)，上下導體層相當于電阻網(wǎng)絡(luò )，如圖2所示。當某一層電極加上電壓時(shí)，會(huì )在該網(wǎng)絡(luò )上形成電壓梯度。若有外力使得上下兩層在某一點(diǎn)接觸，則在電極未加電壓的另一層可以測得接觸點(diǎn)處的電壓，從而知道接觸點(diǎn)處的坐標。比如，若在頂層的電極(X+、X-)上加上電壓，則在頂層導體層上形成電壓梯度；當有外力使得上下兩層在某一點(diǎn)接觸，在底層就可以測得接觸點(diǎn)處的電壓，再根據該電壓與電極(X+)之間的距離關(guān)系，知道該處的X坐標。然后，將電壓切換到底層電極(Y+、Y-)上，并在頂層測量接觸點(diǎn)處的電壓，從而知道Y坐標。對電壓在橫向和縱向導體層之間的切換以及A/D轉換，需要先通過(guò)串行外設接口（SPI）往ADS7843發(fā)送控制字，轉換完成后再通過(guò)SPI讀出電壓轉換值。

　　3軟件設計

　　3.1μClinux下驅動(dòng)程序的特點(diǎn)

　　μClinux繼承了Linux的設備管理方法，將所有的設備看做具體的文件，通過(guò)文件系統層對設備進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。所以在Clinux的框架結構中，和設備相關(guān)的處理可以分為兩個(gè)層次——文件系統層和設備驅動(dòng)層。設備驅動(dòng)層屏蔽具體設備的細節，文件系統層則向用戶(hù)提供一組統一的規范的用戶(hù)接口。這種設備管理方法可以很好地做到“與設備無(wú)關(guān)性”，使Clinux可以根據硬件外設的發(fā)展進(jìn)行方便的擴展，比如要實(shí)現一個(gè)設備驅動(dòng)程序，只要根據具體的硬件特性向文件系統提供一組訪(fǎng)問(wèn)接口即可。

　　μClinux中的設備可以分為3類(lèi)：字符設備、塊設備和網(wǎng)絡(luò )設備。其中字符設備沒(méi)有緩沖區，數據的處理是以字節為單位按順序進(jìn)行的，它不支持隨機讀寫(xiě)，觸摸屏即屬于字符設備的一種。

　　驅動(dòng)程序在內核中裝載的方式有兩種：一種是直接編譯進(jìn)內核，在系統初始化的時(shí)候就對設備進(jìn)行注冊；一種是模塊化加載的方法，將驅動(dòng)程序編譯成目標文件（*.o），需要添加設備時(shí)，使用insmod命令向系統注冊，停止使用時(shí)，用rmmod命令卸載。對于觸摸屏這種基本的輸入工具，建議采取直接編譯進(jìn)內核的方式，這樣系統一啟動(dòng)就可以使用了。

　　向內核注冊一個(gè)字符設備的函數為：externintregister_chrdev(unsignedintmajor,constchar*name, structfile_operations*fops)；內核用主設備號和次設備號惟一地標識一個(gè)設備。參數major對應所請求的主設備號，name對應設備的名字，fops是一個(gè)指向file_operations結構的指針，它是Clinux下編寫(xiě)驅動(dòng)程序用到的一個(gè)關(guān)鍵的數據結構，它提供了應用空間與驅動(dòng)程序的調用接口。這個(gè)數據結構的每一項都指向驅動(dòng)程序完成的一個(gè)功能。

　　在2.4版本內核中對該結構采取標記結構初始化語(yǔ)法（TaggedStructureInitializationSyntax），與2.0內核比較，這種語(yǔ)法可移植性更好，程序的可讀性和代碼的緊湊性都比較好。以觸摸屏為例：

　　static struct file_operations ts_fops={

　　owner:THIS_MODULE,

　　read:ts_read, //讀數據操作

　　poll:ts_poll, //非阻塞操作

　　ioctl:ts_ioctl, //I/O控制操作

　　open:ts_open, //打開(kāi)設備

　　release:ts_release, //釋放設備

　　fasync:ts_fasync, //異步觸發(fā)}

　　完整的結構還包括llseek、readdir等函數指針，只是由于在本程序中沒(méi)有用到，所以省略不寫(xiě)，內核把它們默認為空（NULL）。

　　3.2觸摸屏驅動(dòng)程序的流程及關(guān)鍵函數

　　在本設計中，我們使用μClinux2.4內核。驅動(dòng)程序主要設計思想是：驅動(dòng)程序在初始化結束后，進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待中斷的到來(lái)。一旦筆中斷(pen_irq)發(fā)生，則進(jìn)入中斷處理程序，進(jìn)行數據采樣、轉換和傳輸，同時(shí)，程序對各種不同的情況進(jìn)行鑒別和異常處理。

　　觸摸屏軟件流程如圖3所示。在驅動(dòng)程序中設定了觸摸屏所處的7個(gè)不同狀態(tài)，分別用從-1到5的數字表征，這7個(gè)狀態(tài)構成了一個(gè)觸摸屏狀態(tài)機，系統根據當前狀態(tài)做出下一步的處理，如表1所示。整個(gè)軟件設計根據功能可以劃分為5個(gè)部分，分別是初始化、設備打開(kāi)、讀操作、中斷處理以及I/O控制，下面具體介紹每一部分。

3.2.1驅動(dòng)程序初始化

　　在mc68328digi_init（）中向內核注冊設備驅動(dòng)函數：err=misc_register(mc68328_digi),在init_ts_settings（）中設定觸摸屏的當前參數：內核版本號、筆移動(dòng)判別閾值、采樣時(shí)間、消除抖動(dòng)開(kāi)關(guān)、消除抖動(dòng)時(shí)間等參數，這些均由用戶(hù)根據自己的液晶屏以及精度要求來(lái)定制，也可以在應用程序中用I/O控制函數ioctl()來(lái)設定，本文將在參數分析中具體分析這些參數的意義。

　　3.2.2打開(kāi)設備

　　在ts_open()函數中，驅動(dòng)程序向內核注冊中斷。中斷也可以在系統初始化的時(shí)候向內核注冊，但是一般不建議這樣做，因為在加載的設備比較多時(shí)，這樣做有可能造成中斷的沖突。打開(kāi)一個(gè)設備，才讓該設備占用中斷，是一個(gè)較好的策略。向內核注冊中斷處理程序主要實(shí)現兩個(gè)功能，一是注冊中斷號，二是注冊中斷處理函數。

　　本程序中，向內核注冊了兩個(gè)中斷處理程序，分別是：

　　request_irq(PEN_IRQ_NUM, handle_pen_irq,IRQ_FLG_STD,

　　“touch_screen”,NULL)和request_ irq(SPI_IRQ_NUM,handle_spi_irq, IRQ_FLG_STD,“spi_irq”,NULL)；

　　在前者中，PEN_IRQ_NUM是中斷號，可以指定，也可以動(dòng)態(tài)分配。在該驅動(dòng)程序中，指定筆中斷分配中斷號為19；handle_pen_irq是中斷處理函數，IRQ_FLG_STD是申請時(shí)的選項，它決定中斷處理程序的一些特性，這里表示由系統內部占用；touch_ screen是設備名。在后者中，程序向內核注冊SPI中斷，用來(lái)在CPU和外設間傳遞數據，分配的中斷號是0，handle_spi_irq是SPI中斷處理函數。

　　此外，在觸摸屏驅動(dòng)初始化子函數init_ts_drv()中，進(jìn)行了如下工作：

　　(1)觸摸屏狀態(tài)的初始化；

　　(2)筆信息（pen_values）的初始化；

　　(3)初始化定時(shí)器并設置超時(shí)函數handle_timeout()；

　　(4)初始化寄存器。初始化等待隊列，等待隊列是由等待觸摸事件發(fā)生的進(jìn)程組成的一個(gè)隊列，它包括頭尾指針和一個(gè)正在睡眠進(jìn)程的鏈表；

　　(5)設置觸摸屏狀態(tài)為空閑。

　　由于這里的初始化會(huì )占用一部分系統資源，所以把它們放在了打開(kāi)設備時(shí)處理，而不是最初的設備初始化部分，這樣也是出于節省資源的考慮。

　　3.2.3讀函數ts_read()

　　一旦用戶(hù)程序調用read（）對觸摸屏進(jìn)行讀操作，則驅動(dòng)程序調用入口點(diǎn)函數ts_read()進(jìn)行處理。如果此時(shí)沒(méi)有數據到來(lái)，且驅動(dòng)程序選擇阻塞型操作，則調用interruptible_sleep_on(queue->proc_list)將進(jìn)程阻塞，并進(jìn)入等待隊列，同時(shí)設置觸摸屏狀態(tài)為等待；如果選擇了非阻塞型操作，則程序在沒(méi)有數據到達的時(shí)候立即返回，然后用異步觸發(fā)fasync()來(lái)通知數據的到來(lái)。

　　在等待數據到來(lái)的過(guò)程中，如果有觸摸動(dòng)作（筆中斷pen_irq）發(fā)生，則進(jìn)入中斷處理程序。在中斷處理程序中對數據進(jìn)行采樣和轉化，把當前坐標信息放入隊列中。在進(jìn)程被喚醒后（使用wake_up_interruptible(queue->proc_list)來(lái)喚醒進(jìn)程），程序把位置坐標信息、事件序列信息等從隊列中取出，放入用戶(hù)空間（put_user），從而可以被用戶(hù)程序使用，避免了用戶(hù)直接和硬件打交道。

　　3.2.4驅動(dòng)程序的中斷處理函數

　　當筆中斷發(fā)生，程序進(jìn)入中斷處理函數。在中斷處理函數中，將完成對兩個(gè)中斷進(jìn)行處理，分別是外部的觸摸中斷（筆中斷）和SPI數據轉換中斷。與這兩個(gè)中斷對應的中斷處理函數，是觸摸屏軟件設計的關(guān)鍵所在。

　　驅動(dòng)程序在中斷處理函數中使用定時(shí)器處理時(shí)間相關(guān)操作。定義函數set_timer_irq()，如下：

　　staticvoidset_timer_irq(structtimer_list*timer,intdelay){

　　del_timer(timer);

　　timer->expires=jiffies+delay;

　　add_timer(timer);

　　}

　　jiffies是一個(gè)表征系統自從啟動(dòng)以來(lái)到當前為止所運行時(shí)鐘數的變量，delay是設定的延長(cháng)時(shí)間（用時(shí)鐘數作為計數單位）。一旦時(shí)鐘數超過(guò)設定值，則觸發(fā)超時(shí)函數，在本程序中是handle_timeout( )。引入定時(shí)器的目的有兩個(gè)：一是可以較為精確地控制系統由于消除電平升降造成信號抖動(dòng)所需要時(shí)間，二是能夠有效控制采樣坐標的數量，而不必引入占用大量系統資源的簡(jiǎn)單延時(shí)函數。使用SPI中斷而產(chǎn)生大量坐標數據這一問(wèn)題在文獻中沒(méi)有很好的解決辦法，只是簡(jiǎn)單地降低SPI時(shí)鐘頻率以取較少的數據量。本設計中引入定時(shí)器，可以很好地解決上述問(wèn)題。

　　在handle_timeout()函數中，程序利用條件選擇語(yǔ)句，對觸摸屏狀態(tài)值（ts_drv_state）進(jìn)行判斷，如果是非Error狀態(tài)，則使能SPI，進(jìn)入handle_spi_irq()，與ADS7843進(jìn)行數據通訊。在handle_spi_irq()中，程序利用條件選擇語(yǔ)句，根據觸摸屏狀態(tài)值（ts_drv_state）來(lái)進(jìn)行數據轉換操作，通過(guò)向觸摸屏控制芯片發(fā)送前文中提到的控制字，來(lái)得到X和Y方向的坐標。具體邏輯可參見(jiàn)程序流程圖。一旦一次轉換完成，程序將根據點(diǎn)擊狀態(tài)信息（state_counter）來(lái)鑒別點(diǎn)擊的性質(zhì)，在cause_event()函數中，分別對點(diǎn)擊和移動(dòng)做出了判斷。判定方法較為簡(jiǎn)單，只需將前后兩次采樣坐標之差與移動(dòng)閾值比較即可得出結論。此外，還區分了信號誤差和由于筆移動(dòng)造成的坐標改變，判別閾值可以由用戶(hù)自己設定。

　　3.2.5I/O控制

　　對于硬件各個(gè)參數，包括采樣時(shí)間、消除抖動(dòng)開(kāi)關(guān)、消除抖動(dòng)時(shí)間，都可以通過(guò)I/O控制函數ioctl()在用戶(hù)程序里進(jìn)行設定，避免每次都直接改變驅動(dòng)程序，并重新編譯內核所帶來(lái)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。本程序中對I/O控制函數的定義是：staticintts_ioctl(structinode*inode,structfile*file,unsignedintcmd,unsignedlongarg)；其中，參數cmd有兩個(gè)值，分別為：TS_PARAMS_GET和TS_PARAMS_SET，它們用來(lái)指出是獲取參數還是設定參數。用戶(hù)在調用這個(gè)函數的時(shí)候，只需要對這個(gè)參數按照事先約定的格式賦值，就可以方便地獲取或者改變觸摸屏當前參數，arg是指向所傳遞參數的指針。

　　4結論

　　在獲得觸摸點(diǎn)的原始坐標（數值范圍由所選用的A/D轉換器位數決定）后，還要根據具體使用的液晶屏實(shí)際像素進(jìn)行轉換，以方便圖形界面的后續開(kāi)發(fā)?？紤]到相鄰兩次的移動(dòng)閾值，按照如下公式對觸摸屏坐標進(jìn)行計算：

　　其中XV為觸摸點(diǎn)X坐標顯示值，XW為觸摸點(diǎn)X坐標測量值（原始坐標值），(1)、(2)、(3)式在觸摸屏初始化時(shí)得到，方法是任取觸摸屏X方向左側和右側各一點(diǎn)，以X△V=X△W=1，Xoffrer=0為初始值進(jìn)行測量得到新的3個(gè)參數：X△V、X△W和Xoffrer（在實(shí)際使用中此項工作屬于校準零點(diǎn)偏移），然后這3個(gè)參數就不再變動(dòng)，對于每次測量到的任意觸摸點(diǎn)原始坐標XW，直接代入（4）式求出觸摸點(diǎn)的像素顯示坐標XV。其中，XV1為觸摸屏左側點(diǎn)坐標顯示值；XV2為觸摸屏右側點(diǎn)坐標顯示值；XW1為觸摸屏左側點(diǎn)坐標測量值；XW2為觸摸屏右側點(diǎn)坐標測量值。

　　本設計使用MicroWindows作為用戶(hù)界面，定制出每個(gè)桌面圖標的坐標區域，結合觸摸屏的采樣坐標，判斷是否在圖標區域坐標內，然后做出相應的事件處理。對于本設計中使用的開(kāi)發(fā)平臺，液晶屏是320240點(diǎn)陣的，物理尺寸為： 80mm60mm，ADS7843選擇12位轉換精度，觸摸屏理論分辨率為80/212=0.020mm，但是由于電平干擾和觸摸動(dòng)作發(fā)生時(shí)的物理干擾，實(shí)際的精度無(wú)法達到這個(gè)值。經(jīng)過(guò)測試，在我們平臺上對同一點(diǎn)的點(diǎn)擊精度可以達到1.0mm。本驅動(dòng)程序可以有效地區分點(diǎn)擊和移動(dòng)信號，如果配合手寫(xiě)識別軟件，能夠作為手寫(xiě)板的底層驅動(dòng)使用，實(shí)現手寫(xiě)輸入。