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，依照硬件連接圖設(shè)計(jì)了嵌入式Linux 下的驅(qū)動，并成功通過了tclib 觸摸屏測試軟件的測試，在家庭智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的測試中也成功運(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)。而在微軟開發(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)，并成為一大賣點(diǎn)。可見，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，無論你是在商場購物，還是在銀行存取款，觸摸式的自動服務(wù)器將能為你提供了方便快捷的服務(wù)。這里通過對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，頂層與底層之間會產(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。兩個電阻連接點(diǎn)處的電壓測量值與下面那個電阻的阻值成正比。 為了在電阻式觸摸屏上的特定方向測量一個坐標(biāo)，需要對一個阻性層進(jìn)行偏置：將它的一邊接VREF,另一邊接地。

　　同時，將未偏置的那一層連接到一個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，電阻性表面被分隔為兩個電阻。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電阻。因此，在未偏置層上測得的電壓與觸摸點(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)動觸摸屏的低導(dǎo)通電阻開關(guān)，采用2.2 V 至5.25V 單電源供電，吞吐量大于125KBPS.

　　AD7873 可用于電池測量、溫度測量和觸摸壓力測量，還具有一個2.5 V 片上基準(zhǔn)電壓源，可用于輔助輸入、電池監(jiān)控器和溫度測量等模式。不使用時，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，接受來自觸摸屏的模擬信號，然后經(jīng)過AD7873 芯片的內(nèi)部處理成數(shù)字信號，通過SPI 總線將數(shù)據(jù)傳送給CPU,請求處理。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)

　　3.1 Linux 設(shè)備驅(qū)動介紹

　　在Linux 系統(tǒng)中，為了簡化對設(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 對所有的物理設(shè)備進(jìn)行了抽象，并定義了一個統(tǒng)一的概念：接口。AD7873 被定義為一個字符設(shè)備，采用spi 接口與CPU 通訊。

　　3.2 驅(qū)動部分重要函數(shù)的設(shè)計(jì)

　?。?） 設(shè)備驅(qū)動程序中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)strcut driver 定義了一系列函數(shù)操作的接口，這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將整個驅(qū)動連為一體，由這個結(jié)構(gòu)可以看出整個驅(qū)動的脈絡(luò)。由于AD7873 與CPU 連接方式為SPI 總線連接，因此將此設(shè)備注冊為SPI 設(shè)備，即要用到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)structspi_driver.

　　對應(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)動名稱、總線類型和驅(qū)動所有者。

　　probe 函數(shù)為探測設(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）即是注冊上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也即是注冊一個驅(qū)動，其中主要的內(nèi)容為：

　　return spi_register_driver（&ad7873_driver）；（3） 還要設(shè)計(jì)一個重要的函數(shù)，就是中斷函數(shù)，在觸摸屏被按下的時候產(chǎn)生中斷，在中斷函數(shù)中的重要工作就是啟動定時器，以判斷觸摸后的動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)測量。其函數(shù)原型設(shè)計(jì)為：

　　static void ads7873_timer（unsigned longhandle）；

　　3.3 驅(qū)動的編譯和加載

　　驅(qū)動程序加入內(nèi)核有兩種方式動態(tài)和靜態(tài)，動態(tài)就是只是把驅(qū)動編譯為模塊， 系統(tǒng)啟動后執(zhí)行insmod 后加載，靜態(tài)是指直接編譯進(jìn)內(nèi)核，系統(tǒng)啟動后自動加載了。由于我們的驅(qū)動需要經(jīng)過測試才能加入內(nèi)核，因此采用動態(tài)的方式加載驅(qū)動。

　　在已經(jīng)安裝好開發(fā)平臺的主機(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。在platform_data 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中設(shè)置好驅(qū)動需要的數(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)動加載信息

　　顯示驅(qū)動已經(jīng)加載成功，中斷號為126.

　?。ㄗⅲ?this sectence has been",為調(diào)試驅(qū)動中斷的測試語句）然后用應(yīng)用廣泛的tslib 觸摸屏測試程序?qū)︱?qū)動進(jìn)行測試，測試結(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)動程序出現(xiàn)的問題及解決方法

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

　　4.1 加載時報(bào)錯

　　在執(zhí)行insmod ad7873.ko 時，報(bào)錯為：

　　ad7873: no version for "struct_module"found: kernel tainted.

　　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)無法識別這個驅(qū)動，產(chǎn)生了錯誤，修改后執(zhí)行insmod ad7873.ko 成功。

　　4.2 使用tslib 測試軟件測試的時候，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，于是確定了中斷時正常響應(yīng)了的。然后跟蹤代碼檢查，發(fā)現(xiàn)定時器函數(shù)很可疑，于是在定時器函數(shù)設(shè)置打印信息，發(fā)現(xiàn)定時器函數(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)了整個觸摸屏驅(qū)動系統(tǒng)。作為家庭無線智能控制器的一部分，觸摸屏使整個系統(tǒng)使用更方便與高效。而未來隨著對觸摸技術(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)對復(fù)雜的機(jī)制。這就需要在內(nèi)核驅(qū)動層改進(jìn)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)與算法來應(yīng)對。