嵌入式ARM下的觸摸屏驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹了基于飛思卡爾芯片i.MX27和嵌入式linux系統(tǒng)下的觸摸屏硬件的連接設(shè)計(jì)和軟件的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，并依照此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了觸摸屏的從硬件到軟件的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該實(shí)現(xiàn)主要應(yīng)用于家庭無線智能控制系統(tǒng)中。

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)，并成功通過了tclib觸摸屏專業(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)。而在微軟最新開發(fā)的windows7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)，并成為一大賣點(diǎn)?？梢?，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，無論你是在商場(chǎng)購物，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，分壓器是通過將兩個(gè)電阻進(jìn)行串聯(lián)來實(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

2.2AD7873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)通電阻開關(guān)，采用2.2V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)2.5V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。

2.3AD7873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，接受來自觸摸屏的模擬信號(hào)，然后經(jīng)過AD7873芯片的內(nèi)部處理成數(shù)字信號(hào)，通過SPI總線將數(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硬件連線圖

圖3觸摸系統(tǒng)框圖

3軟件系統(tǒng)

3.1Linux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：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)

（1）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)strcutdriver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)編寫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

其中，driver中定義了驅(qū)動(dòng)名稱、總線類型和驅(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)。

（2設(shè)備初始化函數(shù)staticint__initad7873_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：

returnspi_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_tads7873_irq（intirq,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：

staticvoidads7873_timer（unsignedlonghandle）；

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)。[!--empirenews.page--]

在已經(jīng)安裝好開發(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)核下載到開發(fā)板中運(yùn)行。然后將ad7873.ko復(fù)制到開發(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.

（注："thissectencehasbeen",為調(diào)試驅(qū)動(dòng)中斷的測(cè)試語句）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)的問題及解決方法

在調(diào)試驅(qū)動(dòng)的過程中，出現(xiàn)了很多問題，主要有以下兩個(gè)：

4.1加載時(shí)報(bào)錯(cuò)

在執(zhí)行insmodad7873.ko時(shí)，報(bào)錯(cuò)為：

ad7873:noversionfor"struct_module"found:kerneltainted.

經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)是因?yàn)閜latform_data里面定義的。model="7873"被寫成了。model="7883",造成了系統(tǒng)無法識(shí)別這個(gè)驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生了錯(cuò)誤，修改后執(zhí)行insmodad7873.ko成功。

4.2使用tslib測(cè)試軟件測(cè)試的時(shí)候，屏幕無反應(yīng)

原以為是中斷程序出了問題，因此在中斷里面設(shè)置打印信息，發(fā)現(xiàn)可以打印，于是確定了中斷時(shí)正常響應(yīng)了的。然后跟蹤代碼檢查，發(fā)現(xiàn)定時(shí)器函數(shù)很可疑，于是在定時(shí)器函數(shù)設(shè)置打印信息，發(fā)現(xiàn)定時(shí)器函數(shù)沒有正確執(zhí)行，找到了問題的所在。于是順藤摸瓜，終于發(fā)現(xiàn)原來是在這個(gè)函數(shù)中fn_get_pendown_state（void），也就是用來得到觸摸屏狀態(tài)的引腳設(shè)置不正確，導(dǎo)致定時(shí)器函數(shù)里面無法得到觸摸屏的狀態(tài)，所以無響應(yīng)。修改了定時(shí)器的引腳定義使其指向正確的引腳便一切OK。

5結(jié)論

本文從硬件到軟件設(shè)計(jì)了整個(gè)觸摸屏驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。作為家庭無線智能控制器的一部分，觸摸屏使整個(gè)系統(tǒng)使用更方便與高效。而未來隨著對(duì)觸摸技術(shù)的越來越高的要求，如多點(diǎn)觸摸技術(shù)，需要驅(qū)動(dòng)為上層應(yīng)用提供更穩(wěn)定的處理與更多的接口，以便上層應(yīng)用可以更加高效的編寫應(yīng)用程序來應(yīng)對(duì)復(fù)雜的機(jī)制。這就需要在內(nèi)核驅(qū)動(dòng)層改進(jìn)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)與算法來應(yīng)對(duì)。