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?；趯x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(biāo)， 并將該坐標(biāo)映射到顯示屏坐標(biāo)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(biāo)、Y坐標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(biāo)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(biāo)進行校準(zhǔn)， 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(zhǔn)、屏幕的最大最小坐標(biāo)值等。ads7843_ts_release( )函數(shù)用來關(guān)閉觸摸屏設(shè)備。

2.2 觸摸屏的校準(zhǔn)

在儀器開發(fā)過程中，觸摸屏作為輸入設(shè)備與LCD配合使用。為了能使從觸摸屏采樣得到坐標(biāo)與屏幕的顯示坐標(biāo)對應(yīng)， 還需要做一個映射， 也就是要對觸摸屏進行校準(zhǔn)。如圖4所示， 所用的觸摸屏和液晶屏都是標(biāo)準(zhǔn)的矩形， 只要安裝合理， 可以認為觸摸屏的X 方向坐標(biāo)只與顯示屏X 方向相關(guān)， Y方向坐標(biāo)只與顯示屏的Y方向相關(guān)。假設(shè)顯示屏的分辨率是W ×H, 顯示區(qū)域的左上角對應(yīng)的觸摸屏采樣坐標(biāo)是( x1 , y1 ) ,右下角對應(yīng)的坐標(biāo)是( x2 , y2 ) , 那么觸摸屏上任意一點采樣坐標(biāo)( x, y) 與顯示屏坐標(biāo)( xd , yd ) 的對應(yīng)關(guān)系可以按照如下公式計算：

這樣， 在測得( x1 , y1 ) 和( x2 , y2 ) 點觸摸屏的采樣值后， 利用上述公式編制校準(zhǔn)函數(shù)， 在觸摸屏工作的過程中， 計算出實際觸摸點對應(yīng)的顯示坐標(biāo)，完成觸摸屏的校準(zhǔn)。

圖4　觸摸屏的校準(zhǔn)

3 觸摸屏用戶應(yīng)用程序

創(chuàng)建的Linux設(shè)備文件系統(tǒng)觸摸屏節(jié)點為/dev/ts.在應(yīng)用程序中， 可以像打開文件一樣用open函數(shù)打開設(shè)備文件， 然后用read ( )函數(shù)讀取由驅(qū)動傳遞到用戶空間的數(shù)據(jù)。儀器應(yīng)用程序的開發(fā)采用MiniGU I進行， MiniGU I是由北京飛漫公司開發(fā)， 可應(yīng)用于實時嵌入式系統(tǒng)中的輕量級圖形用戶界面支持系統(tǒng)。其函數(shù)接口與Windows SDK類似， 開發(fā)方便。

MiniGU I的輸入抽象層( IAL: Input Abstract Layer)提供了對觸摸屏、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備的豐富支持， 并支持PXA255處理器平臺。只要經(jīng)過簡單的設(shè)置就可以在應(yīng)用程序中使用觸摸屏。配置安裝MiniGU I時， 使用22enable2px255bial項， 由于在安裝MiniGU I時采用了內(nèi)嵌資源的靜態(tài)編譯方式， 所以在編譯之前， 需在MiniGU I的src / sysres/目錄下建立mgetc2pxa1c 文件，并在其中用下面語句設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)， 將觸摸屏設(shè)為輸入設(shè)備。

static char * SYSTEM_VALUES[ ] = { " fbcon" ," PX255B" , " /dev/ ts" , " none" };

MiniGU I對觸摸屏輸入的處理方式如圖5 所示。

圖5　MiniGU I中的觸摸屏輸入

MiniGU I通過觸摸屏設(shè)備驅(qū)動程序接收原始的輸入數(shù)據(jù)， 把它轉(zhuǎn)換為MiniGU I抽象的觸摸屏事件和數(shù)據(jù)。

相關(guān)的底層事件處理例程把這些觸摸事件轉(zhuǎn)換為上層的觸摸消息， 放到相應(yīng)的消息隊列中。應(yīng)用程序通過消息循環(huán)獲取這些消息， 交由窗口過程處理。編制針對觸摸屏的應(yīng)用程序時， 需要做的只是在窗口接收到諸如MSG _LBUTTONDOWN 等觸屏消息時， 調(diào)用相應(yīng)的語句， 完成預(yù)期操作。

4 結(jié)論

嵌入式智能儀器觸摸屏接口增強了儀器系統(tǒng)的人機交互功能， 方便了操作人員的使用; 接口電路和驅(qū)動程序的模塊化方便了儀器的后續(xù)改進和新產(chǎn)品的開發(fā)， 并可根據(jù)需要移植應(yīng)用到各種不同場合。設(shè)計的觸摸屏接口已經(jīng)成功應(yīng)用在故障診斷巡檢儀器中， 其工作穩(wěn)定， 運行可靠， 具有很好的實用價值。