基于ARM處理器S3C2440和Linux的I2C觸摸屏設(shè)計

　　0引言

　　隨著計算機相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，ARM嵌入式系統(tǒng)受到越來越廣泛的應(yīng)用，與人們生活的結(jié)合也越來越緊密。觸摸屏設(shè)備因其友善的人機交互性，操作方便靈活，輸入速度快，被廣泛的應(yīng)用于這種嵌入式領(lǐng)域中。嵌入式Linux系統(tǒng)具有開發(fā)源代碼、內(nèi)核穩(wěn)定、可裁減性等特點，吸引著眾多商業(yè)公司和自由軟件開發(fā)者的目光，成為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域不可或缺的操作系統(tǒng)之一。觸摸屏是一種輸入設(shè)備，操作簡單易學(xué)，可靠性高，不占額外的空間，是最常用的便攜式系統(tǒng)的輸入設(shè)備。特別是電阻式觸摸屏，它結(jié)構(gòu)簡單，成本低，透光效果好，工作環(huán)境和外界完全隔離，不怕灰塵和水氣，同時具有高解析度、高速傳輸反應(yīng)、一次校正、穩(wěn)定性高、不漂移等特點，因而被廣泛用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

　　1電阻式觸摸屏的工作原理

　　觸摸屏安裝在顯示屏的前端，主要由觸摸屏檢測部件和觸摸屏控制器兩部分組成。按照工作原理和傳輸信息的介質(zhì)不同，觸摸屏可分為電阻式、電容感應(yīng)式、紅外線式以及表面聲波式。其中的電阻式觸摸屏是在表面保護(hù)層和基層之間覆著2層透明導(dǎo)電層氧化銦，而這2個導(dǎo)電層分別對應(yīng)x、y軸，它們之間有細(xì)微透明絕緣顆粒絕緣。當(dāng)物品按在觸摸屏上時，會產(chǎn)生壓力，從而使觸摸屏兩導(dǎo)電層接通，一旦觸摸屏檢測部件監(jiān)測到用戶的觸摸位置，就將獲得的位置信息送入觸摸屏控制器TSC2007，并對該寫信號進(jìn)行處理，將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，同時以中斷的方式送至S3C2440處理器，計算出觸點坐標(biāo)。

　　2硬件結(jié)構(gòu)

　　TSC2007是美國德州儀器(TI)公司推出的新一代4線制觸摸屏控制器，它在與觸摸屏配合使用時，一旦檢測到筆或手指點觸摸在屏上，可迅速得到該點的位置信號，從而達(dá)到在觸摸屏表面上尋址的目的。

　　TSC2007是典型的逐步逼近式A／D變換器，其結(jié)構(gòu)以電容再分布為基礎(chǔ)，包含了取樣／保持功能。TSC2007的引腳與TPSC2003的引腳完全兼容，具有片內(nèi)溫度測量、觸摸壓力測量和預(yù)處理三個功能。TSC2007的I2C接口，以標(biāo)準(zhǔn)模式、高速模式和超高速模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與通訊。為了與其他ARM芯片兼容，設(shè)計中沒有使用S3C2440內(nèi)置的A／D通道，而是采用了外擴(kuò)控制器TSC2007的方法，通過I2C總線方式與S3C2440通信。由于在嵌入式系統(tǒng)I2C總線中，S3C2440是總線上的主機，TSC2007是從機，而I2C系統(tǒng)有2個引腳，分別是串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時鐘線SCL。因此，設(shè)計中S3C2440的GPE14和GPE15分別作為I2C總線的SCL和SDA線，其觸摸屏控制器接口電路如圖1所示，圖中的SDA和SCL線都是雙向的。

　　3觸摸屏的驅(qū)動

　　在Linux系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動程序是一組相關(guān)函數(shù)的集合，它包括設(shè)備服務(wù)子程序和中斷處理程序。其中的設(shè)備服務(wù)子程序包含了所有與設(shè)備相關(guān)的代碼，每個設(shè)備服務(wù)子程序只處理一種設(shè)備或者緊密相關(guān)的設(shè)備，從設(shè)備無關(guān)的軟件中接受抽象的命令并執(zhí)行它。當(dāng)執(zhí)行一條請求時，具體操作是根據(jù)控制器對驅(qū)動程序提供的接口，并利用中斷機制去調(diào)用中斷服務(wù)子程序配合設(shè)備來完成這個請求。設(shè)備驅(qū)動程序利用結(jié)構(gòu)file_operations與文件系統(tǒng)聯(lián)系起來，設(shè)備的各種操作的入口函數(shù)放在結(jié)構(gòu)file_operations中，其中包括open()、release()、read()和write()等接口，從而簡化了驅(qū)動程序的編寫工作。這樣，應(yīng)用程序根本不必考慮操作的是設(shè)備還是普通文件，可一律視為文件來處理，具有非常清晰統(tǒng)一的I／O接口。其觸摸屏的file_operations結(jié)構(gòu)定義如下：

　　本結(jié)構(gòu)的主要作用是為不同的設(shè)備提供一致的接口。如在應(yīng)用程序中，對不同設(shè)備進(jìn)行讀操作都使用read函數(shù)，寫操作則都使用write函數(shù)。因此，編寫觸摸屏驅(qū)動的實際工作并不復(fù)雜。

　　3.1驅(qū)動工作流程

　　首先初始化觸摸屏控制器，然后初始化脈寬調(diào)制計時器(PWMTIMER)，可以選擇計時器4為時鐘，定義10ms中斷1次，以提供觸摸屏采樣時間基準(zhǔn)，即10ms觸摸屏采樣1次。而后映射觸摸屏中斷向量和定時器中斷向量到響應(yīng)程序，觸摸屏中斷處理程序是判斷觸摸屏是否被按下了，若觸摸屏被按下，則給全局變量Flag_Trouch賦值為Touch_Down，否則賦值為Touch_Up。若計時器中斷處理程序判斷Flag_Touch被賦值為Touch_Down，則給全局變量StartSample置位，以控制觸摸屏采樣。然后系統(tǒng)通過S3C2440_get_xy()獲得采樣值，對得到的觸摸屏的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。接下來是對觸摸屏的校準(zhǔn)，最后是中斷的釋放和注冊模塊的卸載。其具體的觸摸屏驅(qū)動工作流程圖如圖2所示。

　　3.2設(shè)備初始化模塊

　　設(shè)備初始化模塊的主要功能是：初始化設(shè)備、向內(nèi)核注冊設(shè)備等。具體實現(xiàn)函數(shù)如下：

　　初始化模塊利用內(nèi)核提供的request_irq函數(shù)，將觸摸筆的按下與彈起的中斷號進(jìn)行登記，從而將中斷號與中斷服務(wù)函數(shù)聯(lián)系起來；利用devfs_register_chrdev函數(shù)，向系統(tǒng)注冊一個字符型設(shè)備；最后注冊定時器中斷，用來控制觸摸屏的數(shù)據(jù)采樣。

　　3.3采樣值的獲得

　　首先啟動TSC2007的A／D轉(zhuǎn)換。等待一段時間后，調(diào)用S3C2440_get_xy()函數(shù)，這個函數(shù)的功能是獲得觸摸屏的位置，首先從TSC2007的一個通道獲得x的坐標(biāo)值，然后在從另一個通道獲得y的坐標(biāo)值，判斷返回觸摸點坐標(biāo)值是否在有效范圍內(nèi)，如果在有效范圍內(nèi)則采樣標(biāo)志ts_pressure=1，如果不在有效范圍之內(nèi)，其采樣標(biāo)志ts_pressure=0。read函數(shù)中通過調(diào)用copy_to_user(buffer，dbuf，length)，可將內(nèi)核空間數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間。

　　3.4采樣值的處理

　　函數(shù)Touch_CoordinateConversion完成觸摸屏采樣值轉(zhuǎn)換成顯示坐標(biāo)，其中TOUCH_MAX_Y和TOUCH_MIN_Y是觸摸屏X坐標(biāo)采樣值的最大和最小值；X坐標(biāo)同理。若使用的是320×240的TFT屏，則Y坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換程序如下：

　　3.5觸摸屏的校準(zhǔn)

　　在實際的應(yīng)用中，通常觸摸屏是作為與顯示屏配合使用的輸入設(shè)備，需要從觸摸屏采樣得到的坐標(biāo)與屏幕的顯示坐標(biāo)做一個映射。文中觸摸屏設(shè)計采用的是三點校準(zhǔn)的方法，與兩點校準(zhǔn)相比，三點校準(zhǔn)的模型考慮到變相和旋轉(zhuǎn)，更接近實際情況。應(yīng)用中首先選取3個相距較遠(yuǎn)且不在一條線上的3個作為校準(zhǔn)輸人的獨立采樣點，它們相應(yīng)的觸摸屏采樣坐標(biāo)是P0(x0，y0)、P1(x1，y1)、P2(x2，y2)，顯示坐標(biāo)是PD0(xD0，yD0)、PD1(xDl，yD1)、PD2(xD2，yD2)。直角坐標(biāo)平面的兩個點P和PD，定義P為觸摸屏空間的坐標(biāo)點，PD為顯示屏空間的坐標(biāo)點，P可以經(jīng)過旋轉(zhuǎn)、比例和平移得到PD坐標(biāo)。PD和P點之間存在一次線性關(guān)系滿足：xD=Ax+By+C，yD=Dx+Ey+F。對于同一個設(shè)備，其中的A、B、C、D、E、F為常數(shù)，稱為校準(zhǔn)常數(shù)，故只需在觸摸屏校準(zhǔn)時，解出這6個常數(shù)，就可以實現(xiàn)觸摸屏空間到顯示空間的轉(zhuǎn)換。

　　3.6中斷釋放和注冊模塊的卸載

　　設(shè)計中通過調(diào)用s3c2440_ts_cleanup_module0來實現(xiàn)中斷的釋放和設(shè)備的卸載，分別將它們釋放在初始化過程中，其申請的IRQ_TIMER4、IRQ_ADC_DONE、IRQ_TC的中斷和字符設(shè)備的接口函數(shù)devfs_register_chrdev()具體如下：

　　4結(jié)束語

　　文中基于S3C2440的觸摸屏驅(qū)動開發(fā)，考慮到與其他的ARM芯片兼容性，并沒有使用ARM自帶的A／D通道，而是外擴(kuò)了觸摸屏控制器TSC2007。對TSC2007的初始化，主要是初始化TSC2007與S3C2440的I2C接口連接，在驅(qū)動流程中，如果觸摸筆按下就進(jìn)人中斷處理程序，讀取x，y坐標(biāo)，在采樣函數(shù)中設(shè)置了一個copy_to_user(buffer，dbuf，length)函數(shù)，將從觸摸屏連續(xù)測的數(shù)據(jù)，送入存儲區(qū)。

　　結(jié)合實際的硬件平臺，這個基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)下I2C總線接口觸摸屏設(shè)計，采用的是處理采樣數(shù)據(jù)的方法，同時運用了改進(jìn)的校準(zhǔn)方法，從而使該觸摸屏驅(qū)動更能滿足實際的要求。