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。基于對儀器尺寸、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MiniGUI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 MiniGUI 中的觸摸屏輸入
MiniGUI 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MiniGUI 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。