基于I2C的嵌入式多點(diǎn)觸摸屏幕驅(qū)動設(shè)計(jì)

摘要：采用了三星公司的S3C6410X處理器，通過嵌入式Linux的驅(qū)動管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對Cypress 7958、Snaptics TM1444等基于I2C總線協(xié)議的多點(diǎn)觸摸屏幕的驅(qū)動設(shè)計(jì)。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(tǒng)上運(yùn)行流暢，識別度與準(zhǔn)確度很高。

引言

隨著嵌入式設(shè)備的開發(fā)和推廣，觸摸屏作為新式輸入設(shè)備已經(jīng)隨處可見，手機(jī)、PDA、MID以及ATM機(jī)等設(shè)備都已經(jīng)用到了觸摸屏。而科技在不斷發(fā)展，觸摸屏也由一開始的4線式單點(diǎn)電阻觸摸屏發(fā)展到今天的各種多點(diǎn)式電容觸摸屏。本文通過對以cypress 7958為代表的I2C總線接口電容式多點(diǎn)觸摸屏的研究，設(shè)計(jì)了針對Linux操作系統(tǒng)的多點(diǎn)觸摸的屏幕驅(qū)動，以及不運(yùn)行操作系統(tǒng)前提下的單片機(jī)對觸摸屏的驅(qū)動，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、移動等終端設(shè)備的通用處理器。S3C6410X是一款低功率、高性價比、高性能的用于移動電話和通用處理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(nèi)部總線架構(gòu)，融合了AXI、AHB、APB總線。還有很多強(qiáng)大的硬件加速器，包括運(yùn)動視頻處理、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邊均鍍上狹長的電極，在導(dǎo)電體內(nèi)形成一個低電壓交流電場。在觸摸屏幕時，由于人體電場，手指與導(dǎo)體層間會形成一個耦合電容，4邊電極發(fā)出的電流會流向觸點(diǎn)，而電流強(qiáng)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計(jì)算電流的比例及強(qiáng)弱，準(zhǔn)確算出觸摸點(diǎn)的位置。電容觸摸屏的雙玻璃不但能保護(hù)導(dǎo)體及感應(yīng)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、塵埃或油漬，電容式觸摸屏依然能準(zhǔn)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(jī)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(jī)使用了armnONelinuxgnueabi4.3.2交叉編譯鏈，實(shí)現(xiàn)對ARM支持的二進(jìn)制文件編譯,用以成功編譯ARMLinux 2.6.28內(nèi)核。

1.4 移植條件

對于本文所述內(nèi)容，所有支持Linux操作系統(tǒng)運(yùn)行的處理器（包括嵌入式處理器）都可以運(yùn)行，而所有支持I2C總線協(xié)議的單片機(jī)也可以在不使用操作系統(tǒng)的前提下將觸摸屏作為一種普通輸入設(shè)備進(jìn)行使用。

2 研究過程

圖1顯示了本文中針對嵌入式Linux平臺下的驅(qū)動軟硬件結(jié)構(gòu)體系。

圖1 驅(qū)動軟硬件結(jié)構(gòu)體系

2.1 I2C設(shè)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(shè)備處進(jìn)行I2C設(shè)備聲明，這樣才可以使Linux驅(qū)動找到其對應(yīng)的I2C地址進(jìn)行操作。首先要聲明該I2C設(shè)備結(jié)構(gòu)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(shù)中聲明該I2C設(shè)備：

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

2.2 Cypress 7958驅(qū)動部分設(shè)計(jì)

2.2.1 注冊和注銷模塊

首先建立I2C驅(qū)動結(jié)構(gòu)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(shù)與_EXIT注銷設(shè)備函數(shù)：static int __devinit cypress_7958_ts_init(void)，static void __exit cypress_7958_exit(void)，通過i2c_add_driver與i2c_del_driver函數(shù)進(jìn)行I2C設(shè)備的注冊與注銷。

2.2.2 觸摸屏驅(qū)動入口函數(shù)的設(shè)計(jì)

由上節(jié)中聲明的I2C結(jié)構(gòu)體得知，在設(shè)備被檢查到的時候進(jìn)入static int synaptics_ts_probe(struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id)函數(shù)，在該函數(shù)中需要進(jìn)行觸摸屏工作模式的初始化，對作為輸入設(shè)備的觸摸屏驅(qū)動在Linux平臺下的設(shè)備名注冊，同時初始化觸摸事件觸發(fā)時引起的中斷操作。

(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(shè)備名注冊

創(chuàng)建struct input_dev結(jié)構(gòu)體，通過input_allocate_device()函數(shù)進(jìn)行設(shè)備名的創(chuàng)建，然后通過set_bit函數(shù)進(jìn)行輸入設(shè)備功能聲明。因?yàn)槭嵌帱c(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input_register_device(ts>input_dev)函數(shù)完成對該設(shè)備名的注冊。

(3) 驅(qū)動事件產(chǎn)生中斷函數(shù)初始化

Cypress 7958觸摸屏在觸摸事件產(chǎn)生時會在IRQ引腳產(chǎn)生一個低電平信號，將該引腳連接到GPN(15)引腳上，同時創(chuàng)建GPIO中斷函數(shù)：

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

　　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(dāng)驅(qū)動事件被觸發(fā)之后通過queue_work函數(shù)進(jìn)入驅(qū)動工作區(qū)cypress_7958_wq,進(jìn)行驅(qū)動層對應(yīng)用層的信息上報(bào)。

2.2.3 觸摸屏工作區(qū)函數(shù)設(shè)計(jì)

觸摸屏工作區(qū)函數(shù)需要完成事件信息獲取以及驅(qū)動層對應(yīng)用層的信息上報(bào)功能，通過INIT_WORK(ts>work, cypress_7958_work_func)函數(shù)完成驅(qū)動工作區(qū)函數(shù)的初始化聲明，在驅(qū)動事件中斷產(chǎn)生之后進(jìn)入工作區(qū)函數(shù)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 i2c_smbus_read_byte_data函數(shù)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(bào)

通過對buf數(shù)組的分析，獲取當(dāng)前事件具體信息，然后通過input_report系列函數(shù)進(jìn)行事件信息的應(yīng)用層上報(bào)：

　　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(qū)動在內(nèi)核中的移植

通過改寫Makefile與KCONFIG完成Cypress 7985在內(nèi)核中的移植,以幫助GCC工具鏈實(shí)現(xiàn)對內(nèi)核的編譯。

2.3.1 Kconfig的修改

在/driver/input/touchscreen/Kconfig中添加如下語句：

　　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(xiàn)將文件編譯選項(xiàng)添加到MAKE MENUCONFIG中。由于觸摸屏驅(qū)動屬于系統(tǒng)基本輸入設(shè)備驅(qū)動，本身調(diào)用了I/O中斷，不能實(shí)現(xiàn)模塊編譯，只能完全編譯進(jìn)內(nèi)核。在后續(xù)的研發(fā)中發(fā)現(xiàn)可以使用時鐘中斷將其模塊化編譯進(jìn)內(nèi)核，但由于時鐘中斷影響UCLINUX時間片的運(yùn)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(yīng)編譯信息:

obj$(CONFIG_TOUCHSCREEN_CYPRESS) +=touchscreen_cypress.o

最終在編譯選項(xiàng)中將/MAKEFILE中的ARCH選項(xiàng)設(shè)置為S3C6410，在make menuconfig命令之后的選項(xiàng)中選擇TOUCHSREEN_CYPRESS選項(xiàng)并選擇編譯進(jìn)內(nèi)核。

結(jié)語

本設(shè)計(jì)以I2C方式對多點(diǎn)觸摸屏進(jìn)行驅(qū)動，通過嵌入式Linux將多點(diǎn)觸摸輸入方式應(yīng)用到嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，豐富了單一的鍵盤輸入與單點(diǎn)輸入方式， 減小了系統(tǒng)尺寸，提高了系統(tǒng)的可靠性。使得嵌入式系統(tǒng)的輸入方式簡單易行，同時也增強(qiáng)了嵌入式系統(tǒng)與人之間的通信能力，簡化了繁瑣的調(diào)試。采用三星公司的S3C6410 ARM11處理器，加快了實(shí)驗(yàn)的操作步驟。實(shí)踐證明，該設(shè)計(jì)驅(qū)動多點(diǎn)觸摸屏幕的速度以及穩(wěn)定性滿足調(diào)試要求。該設(shè)計(jì)只需對底層驅(qū)動進(jìn)行簡單修改，就可直接應(yīng)用于單片機(jī)以及其他全部可以運(yùn)行Linux的嵌入式系統(tǒng)中。