嵌入式系統(tǒng)中觸摸屏交互功能設(shè)計(jì)

　　1引言

　　嵌入式系統(tǒng)拉近了人與計(jì)算機(jī)的距離，形成一個(gè)人機(jī)和諧的工作與生活環(huán)境。從某一個(gè)角度來看，觸摸屏作為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中一體化的輸入輸出設(shè)備，在制造工業(yè)、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等方面均得到廣泛應(yīng)用，影響到人類工作與生活的各個(gè)領(lǐng)域并極具應(yīng)用前景，它與嵌入式系統(tǒng)的交互功能的程序設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文描述的這樣的設(shè)計(jì)過程，對(duì)其中的技術(shù)問題給出了詳細(xì)的解釋。功能設(shè)計(jì)基于ARM920T內(nèi)核的S3C2410芯片，以GX開發(fā)板為硬件平臺(tái)，是以Windows CE為操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的圖文交互界面模塊。

　　2系統(tǒng)交互功能的設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

　　通常嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)架可以分成四個(gè)部分：處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出（I/O）和軟件部分。由于多數(shù)嵌入式設(shè)備的應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)都是緊密結(jié)合的，在這里我們對(duì)其不加區(qū)分，這也是嵌入式系統(tǒng)和通用PC系統(tǒng)的最大區(qū)別。觸摸屏嵌入式設(shè)計(jì)框圖見圖一。

　　2.2 Windows CE的主要功能

　　它是一個(gè)全新開發(fā)的模塊化的圖形用戶界面的多任務(wù)操作系統(tǒng)，是一個(gè)支持多種CPU，擁有良好通信能力的高性能、高效率的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。OEM廠家可以加入自己所需要的任何模塊，或者除去不需要的。系統(tǒng)中一個(gè)應(yīng)用程序的故障不會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)失效。

　　圖一 觸摸屏嵌入式設(shè)計(jì)框圖

　　2.3 操作系統(tǒng)對(duì)觸摸屏的支持

　　操作系統(tǒng)對(duì)觸摸屏的支持是按分層的思想進(jìn)行的。首先是應(yīng)用層，編寫的應(yīng)用程序調(diào)用觸摸屏/鼠標(biāo)事件API（在牽引層有相關(guān)的API函數(shù)）；其次，在驅(qū)動(dòng)層有支持觸摸屏的驅(qū)動(dòng)程序。通過統(tǒng)一接口來調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核的觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成最終的設(shè)備控制。從中取出觸摸屏的實(shí)際坐標(biāo)值，把該值記錄在初始化程序中，當(dāng)下次有應(yīng)用程序需要調(diào)用觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序就會(huì)去檢查初始化程序，讀取其中的校正值，并把經(jīng)過校正，影射后相對(duì)坐標(biāo)值返回該應(yīng)用程序。

　　2.4 觸摸屏電路

　　GX開發(fā)板為硬件平臺(tái)，板載SHARP 3.5〞TFT液晶屏LQ035Q7DB02，320×240，262，144色，White LED背光，帶觸摸屏。SHARP液晶自帶四線電阻式觸摸屏，可以直接和2410的觸摸屏驅(qū)動(dòng)電路連接，觸摸位置直接用CPU內(nèi)置的ADC電路采樣而得。

　　圖二 板載觸摸屏電路

　　2.5 觸摸屏的控制電路

　　觸摸屏的控制是使用FM7843芯片完成的。FM7843是4線電阻觸摸屏轉(zhuǎn)換接口芯片。它具有同步串行接口的12位取樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在125kHz吞吐速率和2.7V電壓下的功耗為750μW，而在關(guān)閉模式下的功耗僅為0.5μW。

　　因此，ADS7843以其低功耗和高速率等特性，被廣泛應(yīng)用在采用電池供電的小型手持設(shè)備上。FM7843采用SSOP-16引腳封裝形式，溫度范圍是-40~85℃。為了完成一次電極電壓切換和A/D轉(zhuǎn)換，需要先通過串口往FM 7843發(fā)送控制字，轉(zhuǎn)換完成后再通過串口讀出電壓轉(zhuǎn)換值。標(biāo)準(zhǔn)的一次轉(zhuǎn)換需要24個(gè)時(shí)鐘周期。由于串口支持雙向同時(shí)進(jìn)行傳送，并且在一次讀數(shù)與下一次發(fā)控制字之間可以重疊，所以轉(zhuǎn)換速率可以提高到每次16個(gè)時(shí)鐘周期。如果條件允許，CPU可以產(chǎn)生15個(gè)CLK的話（比如FPGAs和ASICs），轉(zhuǎn)換速率還可以提高到每次15個(gè)時(shí)鐘周期。FM 7843通過同步串口與ARM通訊，可通過SendSIOData（）函數(shù)（uhal.c）向FM 7843發(fā)送數(shù)據(jù)；通過ReadSIOData（）函數(shù)（uhal.c）從FM 7843讀出數(shù)據(jù)。將F端口的第6位置0和1，可以打開、關(guān)閉FM7843，F(xiàn)端口的數(shù)據(jù)寄存器為PDATF（44b.h）。通過外部中斷5可以判斷是否有觸摸動(dòng)作，查詢方式通過宏TCHSCR_IsPenNotDown（）（tchscr.h）判斷是否有觸摸動(dòng)作。

　　3.設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問題

　　3.1 定制Windows CE平臺(tái)

　　Windows CE是一個(gè)多平臺(tái)的、可裁減的32位嵌入式操作系統(tǒng)。他既適用于工業(yè)設(shè)備的嵌入式控智模塊，也適用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品的開發(fā)。針對(duì)不同的目標(biāo)設(shè)備硬件環(huán)境，在其內(nèi)核基礎(chǔ)上添加各種模塊，從而形成一個(gè)定制的嵌入式操作系統(tǒng)。它包括了定制設(shè)備所需的一切，例如：聯(lián)網(wǎng)能力、實(shí)時(shí)性和小內(nèi)存占用以及多媒體和Web瀏覽功能等。

　　3.2 Windows CE`的驅(qū)動(dòng)模式

　　Windows CE`設(shè)備的驅(qū)動(dòng)模型有兩種形式：流接口驅(qū)動(dòng)（Stream Interface Driver）和本地設(shè)備驅(qū)動(dòng)（Native Device Driver）從實(shí)現(xiàn)方式來看，無論那種驅(qū)動(dòng)都可以采用單層和分層兩種方式，多層設(shè)備驅(qū)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)的代碼分兩層：MDD（Model Device Driver，模型設(shè)備驅(qū)動(dòng)）和PDD（Platform Dependent Driver，平臺(tái)相關(guān)驅(qū)動(dòng)）。MDD層中向GWES模塊提供了DDI（Device Driver Interface，設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口）函數(shù)接口，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于同一類設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序所公用的功能，而PDD則實(shí)現(xiàn)了與平臺(tái)的具體硬件設(shè)備相關(guān)的代碼。MDD通過調(diào)用特殊的PDD函數(shù)來訪問硬件。

　　3.3 觸摸屏與顯示器的配合算法

　　FM 7843送回控制器的X與Y值僅是對(duì)當(dāng)前觸摸點(diǎn)的電壓值的A/D轉(zhuǎn)換值，它不具有實(shí)用價(jià)值。這個(gè)值的大小不但與觸摸屏的分辨率有關(guān)，而且也與觸摸屏與LCD貼合的情況有關(guān)。而且，LCD分辨率與觸摸屏的分辨率一般來說是不一樣，坐標(biāo)也不一樣，因此，如果想得到體現(xiàn)LCD坐標(biāo)的觸摸屏位置，還需要在程序中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換公式如下：

　　x=（x-TchScr_Xmin）*LCDWIDTH/（TchScr_Xmax-TchScr_Xmin）

　　y=（y-TchScr_Ymin）*LCDHEIGHT/（TchScr_Ymax-TchScr_Ymin）

　　其中，TchScr_Xmax、TchScr_Xmin、TchScr_Ymax和TchScr_Ymin是觸摸屏返回電壓值x、y軸的范圍，LCDWIDTH、LCDHEIGHT是液晶屏的寬度與高度。

　　3.4 操作系統(tǒng)對(duì)觸摸屏的支持

　　操作系統(tǒng)對(duì)觸摸屏的支持是按分層的思想進(jìn)行的。首先是應(yīng)用層，編寫的應(yīng)用程序調(diào)用觸摸屏/鼠標(biāo)事件API（在牽引層有相關(guān)的API函數(shù)）；其次，在驅(qū)動(dòng)層有支持觸摸屏的驅(qū)動(dòng)程序。通過統(tǒng)一接口來調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核的觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成最終的設(shè)備控制。從中取出觸摸屏的實(shí)際坐標(biāo)值，把該值記錄在初始化程序中，當(dāng)下次有應(yīng)用程序需要調(diào)用觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序就會(huì)去檢查初始化程序，讀取其中的校正值，并把經(jīng)過校正，影射后相對(duì)坐標(biāo)值返回該應(yīng)用程序。

　　3.5 觸摸屏的坐標(biāo)的確認(rèn)

　　通過上述方式采集的坐標(biāo)是相對(duì)于觸摸屏的坐標(biāo)，需要轉(zhuǎn)換成為L(zhǎng)CD坐標(biāo)，這個(gè)過程之前需要進(jìn)行兩種坐標(biāo)的校準(zhǔn)工作，這里采用取平均值法。首先從觸摸屏的4個(gè)頂角得到2個(gè)最大值和2個(gè)最小值，分別計(jì)為x_min，y_min和x_max，y_max。X，Y方向的確定如表1所示。

　　表1 X，Y方向的確定

　　當(dāng)系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時(shí)，Q1，Q3和Q4處于截止?fàn)顟B(tài)，Q2導(dǎo)通。當(dāng)觸摸屏被按下時(shí)，首先導(dǎo)通MOS管組Q1和Q4，X+與X-回路加上+3.3V電源，同時(shí)將MOS管組Q2和Q3關(guān)閉，斷開Y+和Y-，再啟動(dòng)處理器的A/D轉(zhuǎn)換通道1（AIN1），電路電阻與觸摸屏按下產(chǎn)生的電阻輸出分量電壓，并由A/D轉(zhuǎn)換器將電壓值數(shù)字化，計(jì)算X軸的坐標(biāo)。接著先導(dǎo)通MOS管組Q2和Q3，Y+與Y-回路加上+3.3V電源，同時(shí)將MOS管組Q1和Q4關(guān)閉，斷開X+和X-，再啟動(dòng)處理器的A/D轉(zhuǎn)換通道0（AIN0），電路電阻與觸摸屏按下產(chǎn)生的電阻輸出分量電壓，并由A/D轉(zhuǎn)換器將電壓值數(shù)字化，計(jì)算Y軸的坐標(biāo)。系統(tǒng)讀到坐標(biāo)值后，關(guān)閉Q1、Q3和Q4，打開Q2，回到初始狀態(tài)，等待下一次筆觸。

　　確定X，Y方向后，坐標(biāo)值的計(jì)算公式如下：

　　X=（x_max-Xa）×320/（x_max-x_min）

　　Y=（y_max-Ya）×240/（y_max-y_min）

　　式中：

　　Xa=（X1+X2+.。.+Xn）/n

　　Ya=（Y1+Y2+.。.+Yn）/n

　　一般觸摸屏將觸摸時(shí)的X、Y方向的電壓值送到A/D轉(zhuǎn)換接口，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的X與Y值僅是對(duì)當(dāng)前觸摸點(diǎn)的電壓值的A/D轉(zhuǎn)換值，它不具有實(shí)用價(jià)值。這個(gè)值的大小不但與觸摸屏的分辨率有關(guān)，而且與觸摸屏與LCD貼合的情況有關(guān)。如果想得到體現(xiàn)LCD坐標(biāo)的觸摸屏位置，還需要在程序中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

　　4.結(jié)論

　　嵌入式系統(tǒng)的PDA越來越多的使用觸摸屏做輸入輸出設(shè)備。本文以ARM920T內(nèi)核的S3C2410芯片GX開發(fā)板為硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了嵌入式系統(tǒng)觸摸屏交互功能模塊，在全國(guó)大學(xué)生嵌入式系統(tǒng)競(jìng)賽的產(chǎn)品和作品中已多次應(yīng)用。文中并對(duì)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)問題做了詳細(xì)的分析與討論。軟件設(shè)計(jì)流程圖和源代碼及其它輔助程序等限于篇幅另文介紹。