嵌入式linux 系統(tǒng)下的觸摸屏驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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文章首先介紹了觸摸屏的實(shí)現(xiàn)原理，然后介紹了觸摸屏芯片AD7873 的特性，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了ad7873 與i.MX27 和觸摸屏的連接PCB 圖，最后依照硬件連接圖設(shè)計(jì)了嵌入式Linux 下的驅(qū)動(dòng)，并成功通過(guò)了tclib 觸摸屏專(zhuān)業(yè)測(cè)試軟件的測(cè)試，在家庭智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的測(cè)試中也成功運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了從硬件到軟件的嵌入式下觸摸屏的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
1 引言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，觸摸屏技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛應(yīng)用，在各種手持設(shè)備中，如手機(jī)、MP4、掌上游戲機(jī)、掌上PDA 等，由于其方便、舒適，使其完全擺脫了鍵盤(pán)和鼠標(biāo)的束縛，使人機(jī)交互更為直截了當(dāng)。而在微軟最新開(kāi)發(fā)的windows 7 操作系統(tǒng)中，就有其值得驕傲并加以推廣的多點(diǎn)觸摸技術(shù)，并成為一大賣(mài)點(diǎn)?？梢?jiàn)，觸摸屏技術(shù)引起了上到微軟，下到普通老百姓的關(guān)注。而在我們的日常生活中，無(wú)論你是在商場(chǎng)購(gòu)物，還是在銀行存取款，觸摸式的自動(dòng)服務(wù)器將能為你提供了方便快捷的服務(wù)。這里通過(guò)對(duì)觸摸屏原理的理解和分析，成功的設(shè)計(jì)出了CPU 與觸摸屏芯片之間的硬件連接，并依照硬件和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的原理，設(shè)計(jì)出了基于嵌入式Linux 和飛思卡爾i.MX27芯片以及AD7873 觸摸屏芯片的驅(qū)動(dòng)程序，并成功移植到內(nèi)核中，實(shí)現(xiàn)了家庭控制器系統(tǒng)的觸摸技術(shù)。
2 硬件系統(tǒng)的構(gòu)成
2.1 電阻式觸摸屏原理。
電阻式觸摸屏是一種傳感器，它將矩形區(qū)域中觸摸點(diǎn)（X，Y）的物理位置轉(zhuǎn)換為代表X 坐標(biāo)和Y 坐標(biāo)的電壓。當(dāng)觸摸屏表面受到的壓力（如通過(guò)筆尖或手指進(jìn)行按壓）足夠大時(shí)，頂層與底層之間會(huì)產(chǎn)生接觸。所有的電阻式觸摸屏都采用分壓器原理來(lái)產(chǎn)生代表X 坐標(biāo)和Y 坐標(biāo)的電壓。如圖1 所示，分壓器是通過(guò)將兩個(gè)電阻進(jìn)行串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。上面的電阻（R1）連接正參考電壓（VREF），下面的電阻（R2）接地。兩個(gè)電阻連接點(diǎn)處的電壓測(cè)量值與下面那個(gè)電阻的阻值成正比。 為了在電阻式觸摸屏上的特定方向測(cè)量一個(gè)坐標(biāo)，需要對(duì)一個(gè)阻性層進(jìn)行偏置：將它的一邊接VREF，另一邊接地。
同時(shí)，將未偏置的那一層連接到一個(gè)ADC 的高阻抗輸入端。當(dāng)觸摸屏上的壓力足夠大，使兩層之間發(fā)生接觸時(shí)，電阻性表面被分隔為兩個(gè)電阻。它們的阻值與觸摸點(diǎn)到偏置邊緣的距離成正比。觸摸點(diǎn)與接地邊緣之間的電阻相當(dāng)于分壓器中下面的那個(gè)電阻。因此，在未偏置層上測(cè)得的電壓與觸摸點(diǎn)到接地邊之間的距離成正比。
圖1 原理示意圖
2.2 AD7873 介紹及與系統(tǒng)硬件原理
AD7873 是一款12 位逐次逼近型ADC，具有同步串行接口以及用于驅(qū)動(dòng)觸摸屏的低導(dǎo)通電阻開(kāi)關(guān)，采用2.2 V 至5.25V 單電源供電，吞吐量大于125KBPS.
AD7873 可用于電池測(cè)量、溫度測(cè)量和觸摸壓力測(cè)量，還具有一個(gè)2.5 V 片上基準(zhǔn)電壓源，可用于輔助輸入、電池監(jiān)控器和溫度測(cè)量等模式。不使用時(shí)，可關(guān)斷內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源以降低功耗。也可以使用外部基準(zhǔn)電壓，并可在1V 至VCC 范圍內(nèi)變化，模擬輸入范圍為0V 至VREF.這款器件具有關(guān)斷模式，此模式下功耗不足1μA。
2.3 AD7873 與CPU 和觸摸屏的硬件連接圖
其硬件原理框圖如下，其中的X+，Y+，X-，Y-與觸摸屏的相應(yīng)引腳相連，接受來(lái)自觸摸屏的模擬信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)AD7873 芯片的內(nèi)部處理成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)SPI 總線(xiàn)將數(shù)據(jù)傳送給CPU，請(qǐng)求處理。CS 為片選引腳，與CPU 的DTR_DCE1 相連，PENIRQ 為中斷引腳，接CPU 的GPIO1_0.
圖2 硬件連線(xiàn)圖
圖3 觸摸系統(tǒng)框圖
3 軟件系統(tǒng)
3.1 Linux 設(shè)備驅(qū)動(dòng)介紹
在Linux 系統(tǒng)中，為了簡(jiǎn)化對(duì)設(shè)備的管理，所有的外圍設(shè)備被歸結(jié)為3 類(lèi)：字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。Linux 對(duì)所有的物理設(shè)備進(jìn)行了抽象，并定義了一個(gè)統(tǒng)一的概念：接口。AD7873 被定義為一個(gè)字符設(shè)備，采用spi 接口與CPU 通訊。
3.2 驅(qū)動(dòng)部分重要函數(shù)的設(shè)計(jì)
?。?） 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)strcut driver 定義了一系列函數(shù)操作的接口，這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將整個(gè)驅(qū)動(dòng)連為一體，由這個(gè)結(jié)構(gòu)可以看出整個(gè)驅(qū)動(dòng)的脈絡(luò)。由于AD7873 與CPU 連接方式為SPI 總線(xiàn)連接，因此將此設(shè)備注冊(cè)為SPI 設(shè)備，即要用到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)structspi_driver.
對(duì)應(yīng)于AD7873 設(shè)備，設(shè)計(jì)編寫(xiě)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
其中，driver 中定義了驅(qū)動(dòng)名稱(chēng)、總線(xiàn)類(lèi)型和驅(qū)動(dòng)所有者。
probe 函數(shù)為探測(cè)設(shè)備的函數(shù)。其主要進(jìn)行初始化設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、初始化中斷、向設(shè)備發(fā)送控制字等。
remove 函數(shù)為設(shè)備移除函數(shù)。其主要進(jìn)行移除設(shè)備文件、釋放中斷、釋放設(shè)備。
suspend 為設(shè)備暫停函數(shù)。
resume 為設(shè)備恢復(fù)函數(shù)。
?。? 設(shè)備初始化函數(shù) static int __init ad7873_nit（void）即是注冊(cè)上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也即是注冊(cè)一個(gè)驅(qū)動(dòng)，其中主要的內(nèi)容為：
return spi_register_driver（ad7873_driver）；（3） 還要設(shè)計(jì)一個(gè)重要的函數(shù)，就是中斷函數(shù)，在觸摸屏被按下的時(shí)候產(chǎn)生中斷，在中斷函數(shù)中的重要工作就是啟動(dòng)定時(shí)器，以判斷觸摸后的動(dòng)作是觸摸筆被提起還是繼續(xù)按下。其函數(shù)原型設(shè)計(jì)為staticirqreturn_t ads7873_irq（int irq， void *handle）；（4）定時(shí)器函數(shù)設(shè)計(jì)的目的就是判斷觸摸屏是否被提起，被提起就立刻刷新設(shè)備的數(shù)據(jù)到應(yīng)用層，仍然處于“按下”狀態(tài)，則需要繼續(xù)測(cè)量。其函數(shù)原型設(shè)計(jì)為：
static void ads7873_timer（unsigned longhandle）；
3.3 驅(qū)動(dòng)的編譯和加載
驅(qū)動(dòng)程序加入內(nèi)核有兩種方式動(dòng)態(tài)和靜態(tài)，動(dòng)態(tài)就是只是把驅(qū)動(dòng)編譯為模塊， 系統(tǒng)啟動(dòng)后執(zhí)行insmod 后加載，靜態(tài)是指直接編譯進(jìn)內(nèi)核，系統(tǒng)啟動(dòng)后自動(dòng)加載了。由于我們的驅(qū)動(dòng)需要經(jīng)過(guò)測(cè)試才能加入內(nèi)核，因此采用動(dòng)態(tài)的方式加載驅(qū)動(dòng)。
在已經(jīng)安裝好開(kāi)發(fā)平臺(tái)的主機(jī)上執(zhí)行make， 就可以得到目標(biāo)文件ad7873.ko，這就是我們需要的驅(qū)動(dòng)。在platform_data 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中設(shè)置好驅(qū)動(dòng)需要的數(shù)據(jù)，如中斷、觸摸屏大小、觸摸壓力上下限等數(shù)值，并編譯好內(nèi)核下載到開(kāi)發(fā)板中運(yùn)行。然后將ad7873.ko 復(fù)制到開(kāi)發(fā)板，在終端下執(zhí)行insmodad7873.ko，得到如下提示：
圖4 驅(qū)動(dòng)加載信息
顯示驅(qū)動(dòng)已經(jīng)加載成功，中斷號(hào)為126.
?。ㄗⅲ骸皌his sectence has been”，為調(diào)試驅(qū)動(dòng)中斷的測(cè)試語(yǔ)句）然后用應(yīng)用廣泛的tslib 觸摸屏測(cè)試程序?qū)︱?qū)動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，觸摸屏工作正常。下圖觸摸屏上白色的字“桂林電子科技大學(xué)觸摸屏”為在tslib 的測(cè)試程序下用觸摸筆寫(xiě)的字，證明了觸摸屏工作是正常的。
將此設(shè)計(jì)應(yīng)用到家庭智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中，證明其工作穩(wěn)定，響應(yīng)很快。
圖5 觸摸屏正常響應(yīng)圖
4 驅(qū)動(dòng)程序出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法
在調(diào)試驅(qū)動(dòng)的過(guò)程中，出現(xiàn)了很多問(wèn)題，主要有以下兩個(gè)：
4.1 加載時(shí)報(bào)錯(cuò)
在執(zhí)行insmod ad7873.ko 時(shí)，報(bào)錯(cuò)為：
ad7873： no version for “struct_module”found： kernel tainted.
經(jīng)過(guò)檢查，發(fā)現(xiàn)是因?yàn)閜latform_data 里面定義的。model=“7873”被寫(xiě)成了。model=“7883”，造成了系統(tǒng)無(wú)法識(shí)別這個(gè)驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生了錯(cuò)誤，修改后執(zhí)行insmod ad7873.ko 成功。
4.2 使用tslib 測(cè)試軟
評(píng)論