基于嵌入式技術(shù)的智能儀器觸摸屏接口設(shè)計

摘要： 研究開發(fā)了嵌入式智能儀器的觸摸屏接口; 分析了電阻式觸摸屏的工作原理; 設(shè)計了觸摸屏與微處理器的接口電路; 開發(fā)了嵌入式L inux框架下的觸摸屏設(shè)備驅(qū)動程序; 闡述了采用觸摸屏作為輸入的MiniGU I應(yīng)用程序的編寫方法。

設(shè)計的觸摸屏接口已成功應(yīng)用在故障診斷儀器產(chǎn)品上， 增強了儀器的人機交互功能， 方便了現(xiàn)場操作人員使用。

0 引言

在現(xiàn)代化生產(chǎn)中， 為了確保機械設(shè)備安全可靠地運行， 通常要采用適宜的儀器儀表， 利用故障診斷技術(shù)及時發(fā)現(xiàn)故障， 并采取合理的維修或保護措施來排除故障， 預(yù)防和避免事故的發(fā)生。基于對儀器尺寸、便攜性和操作方便性的考慮， 在工業(yè)領(lǐng)域如煤炭、鋼鐵、冶金、電力、化工等行業(yè)中大量的儀器儀表和設(shè)備， 都逐漸選用觸摸屏作為系統(tǒng)的輸入設(shè)備。

針對這一情況， 作者在開發(fā)面向機械故障診斷的智能儀表過程中， 對觸摸屏輸入接口進行了研究。設(shè)計了四線電阻式觸摸屏與PXA255 處理器的接口電路， 分析了Linux框架下的字符設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計原理， 完成了觸摸屏的接口驅(qū)動程序開發(fā)， 并設(shè)計了用觸摸屏作為輸入設(shè)備的MiniGU I用戶程序。觸摸屏作為儀器的輸入設(shè)備， 人機交互直截了當(dāng)， 大大方便了現(xiàn)場操作人員的使用。

1 硬件結(jié)構(gòu)和工作原理

依據(jù)工作原理和傳輸介質(zhì)的不同， 觸摸屏主要分電阻式、電容式、紅外線式以及表面聲波式等多種類型。電阻式觸摸屏是一塊4層透明的復(fù)合薄膜屏，如圖1所示。下面是玻璃或有機玻璃構(gòu)成的基層; 上面是一層外表面經(jīng)過硬化處理從而光滑防刮的塑料層; 中間是兩層金屬導(dǎo)電層， 在導(dǎo)電層之間有許多細小的透明隔離點把兩層隔開。兩個金屬導(dǎo)電層是觸摸屏的工作面， 其兩端各涂有一條銀膠， 稱為觸摸屏工作面的一對電極。四線式觸摸屏的X 工作面和Y 工作面分別加在兩個導(dǎo)電層上， 共有4根引出線， 分別連到觸摸屏的X 電極對和Y 電極對上。在觸筆觸摸屏幕時， 兩導(dǎo)電層在接觸點處接觸。電阻式觸摸屏作為輸入設(shè)備與顯示屏配合使用時， 其工作的實質(zhì)就是通過測量X、Y兩個方向電阻的分壓， 確定觸摸屏的觸點坐標， 并將該坐標映射到顯示屏坐標上， 從而實現(xiàn)人機交互。由于電阻式觸摸屏工作面與外界完全隔離， 受環(huán)境影響小， 所以具有不怕灰塵和水汽、穩(wěn)定性高、不漂移等優(yōu)點， 特別適合工業(yè)現(xiàn)場使用。

圖1 電阻式觸摸屏結(jié)構(gòu)

在設(shè)計過程中， 選用ADS7843 作為觸摸屏接口的AD轉(zhuǎn)換芯片，它具有12 位的轉(zhuǎn)換精度， 最大支持4 096 ×4 096點陣的LCD, 滿足儀器設(shè)計要求。

儀器系統(tǒng)處理器選用Intel Xscale架構(gòu)的PXA255處理器，用其GPIO口模擬SPI接口與ads7843進行通信。其接口原理如圖2所示。ADS7843完成采集通道的切換和接觸點處電壓的采集， 其操作時序主要由控制字輸入、電壓采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換組成， 詳見參考文獻。只要在驅(qū)動程序中根據(jù)時序要求向D IN口發(fā)送控制字， 即可從DOUT處得到相應(yīng)通道的采集結(jié)果。

圖2 ADS7843與PXA255的接口電路

2 觸摸屏接口驅(qū)動程序

Linux驅(qū)動程序是系統(tǒng)內(nèi)核的一部分， 它把軟件和硬件分離開來， 并向上提供應(yīng)用程序訪問硬件的通信接口， 向下管理保護系統(tǒng)硬件。觸摸屏在Linux下被定義為字符設(shè)備， 其驅(qū)動主要完成觸點電壓的采集， 并向用戶空間傳遞X 坐標、Y坐標和筆動作(按下、抬起或拖拽) 數(shù)據(jù)。當(dāng)觸筆按下時， ADS7843的11腳輸出低電平， 觸發(fā)PXA255通用IO口的12腳產(chǎn)生外部中斷， 開啟定時器， 實現(xiàn)觸摸屏的動作。觸摸屏的驅(qū)動流程如圖3所示。

圖3 觸摸屏驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)流程

2.1 驅(qū)動的編寫

觸摸屏驅(qū)動在Linux框架下屬于字符設(shè)備驅(qū)動。

驅(qū)動的入口函數(shù)為ads7843 _ ts_ init ( ) , 在該函數(shù)中，初始化I/O口， 注冊筆中斷和設(shè)備節(jié)點， 完成設(shè)備文件系統(tǒng)創(chuàng)建標準字符設(shè)備的初始化工作[ 8 - 10 ].觸摸屏設(shè)備操作的結(jié)構(gòu)通過ads7843_ts_fop s定義。

static struct file_operations ads7843_ts_fop s = {

read: ads7843_ts_read,

poll: ads7843_ts_poll,

ioctl: ads7843_ts_ioctl,

fasync: ads7843_ts_fasync,

open: ads7843_ts_open,

release: ads7843_ts_release,

};

這樣， 只需根據(jù)實際需要正確定義該結(jié)構(gòu)中的幾個函數(shù)過程， 就可完成設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)。

當(dāng)觸摸屏設(shè)備被打開時， 首先執(zhí)行到ads7843_ts_open ( )函數(shù)， 并在該函數(shù)中， 初始化一個緩沖區(qū)， 用于存儲坐標數(shù)據(jù)。在觸摸屏被按下后， 系統(tǒng)首先觸發(fā)中斷， 在ads7843_ts_interrup t ( )中斷程序中， 判斷in_timehandle全局變量的狀態(tài)， in_ timehandle在定時器函數(shù)中被改變， 也就是說進入中斷后， 先經(jīng)過定時器延時20ms, 完成觸摸屏的軟件去抖， 再判斷觸摸屏是否被按下。然后通過read_xy ( )函數(shù)分別切換至X和Y 通道， 完成觸點電壓的AD轉(zhuǎn)換， 并讀取12 位坐標值。

static void ads7843_ ts_ interrup t ( int irq, void 3 dev_ id,

struct p t_regs3 regs)

{

sp in_lock_irq (tsdevlock) ;

if ( in_timehandle > 0)

{

sp in_unlock_irq (tsdevlock) ;

return;

}

disable_irq ( IRQ_GPIO_ADS7843) ;

ads7843_ts_starttimer ( ) ;

sp in_unlock_irq (tsdevlock) ;

}

應(yīng)用程序調(diào)用read ( ) 函數(shù)時， 進入驅(qū)動的ads7843_ts_read ( )接口函數(shù)。在該接口函數(shù)中獲取采樣結(jié)果， 判斷是否要對坐標進行校準， 將最終結(jié)果寫入到緩沖區(qū)中， 并通過copy_to_user ( )函數(shù)將其從內(nèi)核空間復(fù)制到用戶空間， 以使應(yīng)用程序能夠使用。在ads7843_ts_read ( )函數(shù)中采用了非阻塞型操作， 使得在沒有數(shù)據(jù)到達的時候立即返回， 然后用異步觸發(fā)fasync ( )來通知數(shù)據(jù)的到來。ads7843 _ ts_poll ( )函數(shù)用于驅(qū)動程序的非阻塞操作， ads7843_ts_fasync ( )函數(shù)用于驅(qū)動異步觸發(fā)。ads7843_ts_ioctl ( )函數(shù)中， 提供了可從用戶態(tài)控制的參數(shù)， 如觸摸屏是否在驅(qū)動中校準、屏幕的最大最小坐標值等。ads7843_ts_release( )函數(shù)用來關(guān)閉觸摸屏設(shè)備。