基于ARM處理器S3C2440和Linux系統的I2C觸摸屏設計
王哲 趙巖
摘要： 觸摸屏是一種輸入設備，操作簡單易學，可靠性高，不占額外的空間，是最常用的便攜式系統的輸入設備。特別是電阻式觸摸屏，它結構簡單，成本低，透光效果好，工作環境和外界完全隔離，不怕灰塵和水氣，同時具有高解析度、高速傳輸反應、一次校正、穩定性高、不漂移等特點，因而被廣泛用于工業控制領域。
Abstract：
Key words :
隨著計算機相關技術的發展，title="ARM">ARM嵌入式系統受到越來越廣泛的應用，與人們生活的結合也越來越緊密。觸摸屏設備因其友善的人機交互性，操作方便靈活，輸入速度快，被廣泛的應用于這種嵌入式領域中。嵌入式Linux系統具有開發源代碼、內核穩定、可裁減性等特點，吸引著眾多商業公司和自由軟件開發者的目光，成為嵌入式系統領域不可或缺的操作系統之一。觸摸屏是一種輸入設備，操作簡單易學，可靠性高，不占額外的空間，是最常用的便攜式系統的輸入設備。特別是電阻式觸摸屏，它結構簡單，成本低，透光效果好，工作環境和外界完全隔離，不怕灰塵和水氣，同時具有高解析度、高速傳輸反應、一次校正、穩定性高、不漂移等特點，因而被廣泛用于工業控制領域。
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不同，觸摸屏可分為電阻式、電容感應式、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層和基層之間覆著2層透明導電層氧化銦，而這2個導電層分別對應x、y軸，它們之間有細微透明絕緣顆粒絕緣。當物品按在觸摸屏上時，會產生壓力，從而使觸摸屏兩導電層接通，一旦觸摸屏檢測部件監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，并對該寫信號進行處理，將電壓信號轉換成數字信號，同時以中斷的方式送至S3C2440處理器，計算出觸點坐標。
2硬件結構
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，其結構以電容再分布為基礎，包含了取樣／保持功能。TSC2007的引腳與TPSC2003的引腳完全兼容，具有片內溫度測量、觸摸壓力測量和預處理三個功能。TSC2007的I2C接口，以標準模式、高速模式和超高速模式進行數據傳輸與通訊。為了與其他ARM芯片兼容，設計中沒有使用S3C2440內置的A／D通道，而是采用了外擴控制器TSC2007的方法，通過I2C總線方式與S3C2440通信。由于在嵌入式系統I2C總線中，S3C2440是總線上的主機，TSC2007是從機，而I2C系統有2個引腳，分別是串行數據線SDA和串行時鐘線SCL。因此，設計中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觸摸屏的驅動
在Linux系統中，設備驅動程序是一組相關函數的集合，它包括設備服務子程序和中斷處理程序。其中的設備服務子程序包含了所有與設備相關的代碼，每個設備服務子程序只處理一種設備或者緊密相關的設備，從設備無關的軟件中接受抽象的命令并執行它。當執行一條請求時，具體操作是根據控制器對驅動程序提供的接口，并利用中斷機制去調用中斷服務子程序配合設備來完成這個請求。設備驅動程序利用結構file_operations與文件系統聯系起來，設備的各種操作的入口函數放在結構file_operations中，其中包括open()、release()、read()和write()等接口，從而簡化了驅動程序的編寫工作。這樣，應用程序根本不必考慮操作的是設備還是普通文件，可一律視為文件來處理，具有非常清晰統一的I／O接口。其觸摸屏的file_operations結構定義如下：
本結構的主要作用是為不同的設備提供一致的接口。如在應用程序中，對不同設備進行讀操作都使用read函數，寫操作則都使用write函數。因此，編寫觸摸屏驅動的實際工作并不復雜。
3.1驅動工作流程
首先初始化觸摸屏控制器，然后初始化脈寬調制計時器(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，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。然后系統通過S3C2440_get_xy()獲得采樣值，對得到的觸摸屏的數據進行處理。接下來是對觸摸屏的校準，最后是中斷的釋放和注冊模塊的卸載。其具體的觸摸屏驅動工作流程圖如圖2所示。
3.2設備初始化模塊
設備初始化模塊的主要功能是：初始化設備、向內核注冊設備等。具體實現函數如下：
初始化模塊利用內核提供的request_irq函數，將觸摸筆的按下與彈起的中斷號進行登記，從而將中斷號與中斷服務函數聯系起來；利用devfs_register_chrdev函數，向系統注冊一個字符型設備；最后注冊定時器中斷，用來控制觸摸屏的數據采樣。
3.3采樣值的獲得
首先啟動TSC2007的A／D轉換。等待一段時間后，調用S3C2440_get_xy()函數，這個函數的功能是獲得觸摸屏的位置，首先從TSC2007的一個通道獲得x的坐標值，然后在從另一個通道獲得y的坐標值，判斷返回觸摸點坐標值是否在有效范圍內，如果在有效范圍內則采樣標志ts_pressure=1，如果不在有效范圍之內，其采樣標志ts_pressure=0。read函數中通過調用copy_to_user(buffer，dbuf，length)，可將內核空間數據拷貝到用戶空間。
3.4采樣值的處理
函數Touch_CoordinateConversion完成觸摸屏采樣值轉換成顯示坐標，其中TOUCH_MAX_Y和TOUCH_MIN_Y是觸摸屏X坐標采樣值的最大和最小值；X坐標同理。若使用的是320×240的TFT屏，則Y坐標的轉換程序如下：
3.5觸摸屏的校準
在實際的應用中，通常觸摸屏是作為與顯示屏配合使用的輸入設備，需要從觸摸屏采樣得到的坐標與屏幕的顯示坐標做一個映射。文中觸摸屏設計采用的是三點校準的方法，與兩點校準相比，三點校準的模型考慮到變相和旋轉，更接近實際情況。應用中首先選取3個相距較遠且不在一條線上的3個作為校準輸人的獨立采樣點，它們相應的觸摸屏采樣坐標是P0(x0，y0)、P1(x1，y1)、P2(x2，y2)，顯示坐標是PD0(xD0，yD0)、PD1(xDl，yD1)、PD2(xD2，yD2)。直角坐標平面的兩個點P和PD，定義P為觸摸屏空間的坐標點，PD為顯示屏空間的坐標點，P可以經過旋轉、比例和平移得到PD坐標。PD和P點之間存在一次線性關系滿足：xD=Ax+By+C，yD=Dx+Ey+F。對于同一個設備，其中的A、B、C、D、E、F為常數，稱為校準常數，故只需在觸摸屏校準時，解出這6個常數，就可以實現觸摸屏空間到顯示空間的轉換。
3.6中斷釋放和注冊模塊的卸載
設計中通過調用s3c2440_ts_cleanup_module0來實現中斷的釋放和設備的卸載，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的中斷和字符設備的接口函數devfs_register_chrdev()具體如下：
4結束語
文中基于S3C2440的觸摸屏驅動開發，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，在驅動流程中，如果觸摸筆按下就進人中斷處理程序，讀取x，y坐標，在采樣函數中設置了一個copy_to_user(buffer，dbuf，length)函數，將從觸摸屏連續測的數據，送入存儲區。
結合實際的硬件平臺，這個基于嵌入式Linux操作系統下I2C總線接口觸摸屏設計，采用的是處理采樣數據的方法，同時運用了改進的校準方法，從而使該觸摸屏驅動更能滿足實際的要求。
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