嵌入式linux 系統下的觸摸屏驅動系統設計

　　摘要：介紹了基于飛思卡爾芯片i.MX27和嵌入式linux系統下的觸摸屏硬件的連接設計和軟件的驅動設計，并依照此設計實現了觸摸屏的從硬件到軟件的驅動系統。該實現主要應用于家庭無線智能控制系統中。
　　
　　文章首先介紹了觸摸屏的實現原理，然后介紹了觸摸屏芯片AD7873的特性，在此基礎上設計了ad7873與i.MX27和觸摸屏的連接PCB圖，zui后依照硬件連接圖設計了嵌入式Linux下的驅動，并成功通過了tclib觸摸屏專業測試軟件的測試，在家庭智能網關系統的測試中也成功運行，實現了從硬件到軟件的嵌入式下觸摸屏的驅動系統設計。
　　
　　1、引言
　　
　　隨著計算機技術的發展和普及，觸摸屏技術得到了越來越廣泛應用，在各種手持設備中，如手機、MP4、掌上游戲機、掌上PDA等，由于其方便、舒適，使其*擺脫了鍵盤和鼠標的束縛，使人機交互更為直截了當。而在微軟開發的windows7操作系統中，就有其值得驕傲并加以推廣的多點觸摸技術，并成為一大賣點。可見，觸摸屏技術引起了上到微軟，下到普通老百姓的關注。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，觸摸式的自動服務器將能為你提供了方便快捷的服務。這里通過對觸摸屏原理的理解和分析，成功的設計出了CPU與觸摸屏芯片之間的硬件連接，并依照硬件和驅動設計的原理，設計出了基于嵌入式Linux和飛思卡爾i.MX27芯片以及AD7873觸摸屏芯片的驅動程序，并成功移植到內核中，實現了家庭控制器系統的觸摸技術。
　　
　　2、硬件系統的構成
　　
　　2.1電阻式觸摸屏原理。
　　
　　電阻式觸摸屏是一種傳感器，它將矩形區域中觸摸點（X，Y）的物理位置轉換為代表X坐標和Y坐標的電壓。當觸摸屏表面受到的壓力（如通過筆尖或手指進行按壓）足夠大時，頂層與底層之間會產生接觸。所有的電阻式觸摸屏都采用分壓器原理來產生代表X坐標和Y坐標的電壓。如圖1所示，分壓器是通過將兩個電阻進行串聯來實現的。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，需要對一個阻性層進行偏置：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。當觸摸屏上的壓力足夠大，使兩層之間發生接觸時，電阻性表面被分隔為兩個電阻。它們的阻值與觸摸點到偏置邊緣的距離成正比。觸摸點與接地邊緣之間的電阻相當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動觸摸屏的低導通電阻開關，采用2.2V至5.25V單電源供電，吞吐量大于125KBPS.
　　
　　AD7873可用于電池測量、溫度測量和觸摸壓力測量，還具有一個2.5V片上基準電壓源，可用于輔助輸入、電池監控器和溫度測量等模式。不使用時，可關斷內部基準電壓源以降低功耗。也可以使用外部基準電壓，并可在1V至VCC范圍內變化，模擬輸入范圍為0V至VREF.這款器件具有關斷模式，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-與觸摸屏的相應引腳相連，接受來自觸摸屏的模擬信號，然后經過AD7873芯片的內部處理成數字信號，通過SPI總線將數據傳送給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觸摸系統框圖
　　
　　3、軟件系統
　　
　　3.1Linux設備驅動介紹
　　
　　在Linux系統中，為了簡化對設備的管理，所有的外圍設備被歸結為3類：字符設備、塊設備、網絡設備。Linux對所有的物理設備進行了抽象，并定義了一個統一的概念：接口。AD7873被定義為一個字符設備，采用spi接口與CPU通訊。
　　
　　3.2驅動部分重要函數的設計
　　
　　（1）設備驅動程序中數據結構strcutdriver定義了一系列函數操作的接口，這個數據結構將整個驅動連為一體，由這個結構可以看出整個驅動的脈絡。由于AD7873與CPU連接方式為SPI總線連接，因此將此設備注冊為SPI設備，即要用到數據結構structspi_driver.
　　
　　對應于AD7873設備，設計編寫的數據結構如下：　　
　　其中，driver中定義了驅動名稱、總線類型和驅動所有者。
　　
　　probe函數為探測設備的函數。其主要進行初始化設備數據結構、初始化中斷、向設備發送控制字等。
　　
　　remove函數為設備移除函數。其主要進行移除設備文件、釋放中斷、釋放設備。
　　
　　suspend為設備暫停函數。
　　
　　resume為設備恢復函數。
　　
　　（2設備初始化函數staticint__initad7873_nit（void）即是注冊上述數據結構，也即是注冊一個驅動，其中主要的內容為：
　　
　　returnspi_register_driver（&ad7873_driver）；（3）還要設計一個重要的函數，就是中斷函數，在觸摸屏被按下的時候產生中斷，在中斷函數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按下。其函數原型設計為staticirqreturn_tads7873_irq（intirq，void*handle）；（4）定時器函數設計的目的就是判斷觸摸屏是否被提起，被提起就立刻刷新設備的數據到應用層，仍然處于“按下”狀態，則需要繼續測量。其函數原型設計為：
　　
　　staticvoidads7873_timer（unsignedlonghandle）；
　　
　　3.3驅動的編譯和加載
　　
　　驅動程序加入內核有兩種方式動態和靜態，動態就是只是把驅動編譯為模塊，系統啟動后執行insmod后加載，靜態是指直接編譯進內核，系統啟動后自動加載了。由于我們的驅動需要經過測試才能加入內核，因此采用動態的方式加載驅動。
　　
　　在已經安裝好開發平臺的主機上執行make，就可以得到目標文件ad7873.ko，這就是我們需要的驅動。在platform_data數據結構中設置好驅動需要的數據，如中斷、觸摸屏大小、觸摸壓力上下限等數值，并編譯好內核下載到開發板中運行。然后將ad7873.ko復制到開發板，在終端下執行insmodad7873.ko，得到如下提示：　　　　
　　顯示驅動已經加載成功，中斷號為126.
　　
　　（注：“thissectencehasbeen”，為調試驅動中斷的測試語句）然后用應用廣泛的tslib觸摸屏測試程序對驅動進行測試，測試結果顯示，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。
　　
　　將此設計應用到家庭智能網關系統中，證明其工作穩定，響應很快。　　　　
　　4、驅動程序出現的問題及解決方法
　　
　　在調試驅動的過程中，出現了很多問題，主要有以下兩個：
　　
　　4.1加載時報錯
　　
　　在執行insmodad7873.ko時，報錯為：
　　
　　ad7873：noversionfor“struct_module”found：kerneltainted.
　　
　　經過檢查，發現是因為platform_data里面定義的。model=“7873”被寫成了。model=“7883”，造成了系統無法識別這個驅動，產生了錯誤，修改后執行insmodad7873.ko成功。
　　
　　4.2使用tslib測試軟件測試的時候，屏幕無反應
　　
　　原以為是中斷程序出了問題，因此在中斷里面設置打印信息，發現可以打印，于是確定了中斷時正常響應了的。然后跟蹤代碼檢查，發現定時器函數很可疑，于是在定時器函數設置打印信息，發現定時器函數沒有正確執行，找到了問題的所在。于是順藤摸瓜，終于發現原來是在這個函數中fn_get_pendown_state（void），也就是用來得到觸摸屏狀態的引腳設置不正確，導致定時器函數里面無法得到觸摸屏的狀態，所以無響應。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、結論
　　
　　本文從硬件到軟件設計了整個觸摸屏驅動系統。作為家庭無線智能控制器的一部分，觸摸屏使整個系統使用更方便與。而未來隨著對觸摸技術的越來越高的要求，如多點觸摸技術，需要驅動為上層應用提供更穩定的處理與更多的接口，以便上層應用可以更加的編寫應用程序來應對復雜的機制。這就需要在內核驅動層改進驅動的結構與算法來應對。