嵌入式Linux系統(tǒng)中觸摸屏驅(qū)動的研究

　　引言
　　
　　隨著計算機相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，與人們生活緊密結(jié)合。觸摸屏設(shè)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(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域中。嵌入式Linux系統(tǒng)具有開發(fā)源代碼、內(nèi)核穩(wěn)定、可裁減性等特點，吸引著眾多商業(yè)公司和自由軟件的目光，成為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域*的操作系統(tǒng)之一。觸摸屏是一種輸入設(shè)備，操作簡單易學(xué)，不占額外的空間，可靠性高，是zui常用的便攜式系統(tǒng)的輸入設(shè)備。特別是電阻式觸摸屏結(jié)構(gòu)簡單，成本低，透光效果好，工作環(huán)境和外界*隔離，不怕灰塵和水氣，同時具有高解析度，高速傳輸反應(yīng)，一次校正，穩(wěn)定性高，不漂移等特點，因而廣泛用于工業(yè)控制領(lǐng)域及在室內(nèi)使用。
　　
　　1、硬件平臺
　　
　　S3C2410是Samsung公司基于ARM920T核心的一款MCU，集成了眾多的外圍設(shè)備，其中包括4線電阻式觸摸屏控制器、8路模擬輸入通道。在8路A/D轉(zhuǎn)換通道中，A[5]和A[7]作為觸摸屏的X、Y坐標(biāo)的采集通道。S3C2410與4線電阻式觸摸屏連接的電路原理圖見圖1。
　　
　　在采樣過程中，只需要通過讀寫一系列的特殊寄存器，S3C2410的觸摸屏控制器就會自動控制觸摸屏接口打開或關(guān)閉各MOS管，按順序完成觸摸屏X、Y坐標(biāo)數(shù)據(jù)的采集。　　　　
　　2、Linux設(shè)備驅(qū)動程序簡介
　　
　　設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機器硬件之間的接口，由一組函數(shù)和一些私有數(shù)據(jù)組成，是應(yīng)用程序和硬件設(shè)備之間的橋梁。在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設(shè)備進行操作。設(shè)備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分，主要完成以下功能：對設(shè)備的初始化和釋放；把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件設(shè)備和從硬件設(shè)備讀取數(shù)據(jù)；讀取應(yīng)用程序數(shù)據(jù)傳送給設(shè)備文件和回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù)；檢測和處理硬件設(shè)備出現(xiàn)的錯誤。
　　
　　Linux操作系統(tǒng)的設(shè)備有字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。字符設(shè)備是以單個字節(jié)為單位進行順序讀寫操作，通常不使用緩存技術(shù)，例如鼠標(biāo)、鍵盤等。塊設(shè)備的讀寫都使用緩存技術(shù)來支持，并且必須能夠進行隨機存取，主要是針對磁盤等慢速設(shè)備設(shè)計的。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要基于BSD的Socket機制，為發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)提供緩存技術(shù)，提供對多協(xié)議的支持，例如以太網(wǎng)卡等。
　　
　　3、Linux觸摸屏驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)
　　
　　在Linux系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動程序是一組相關(guān)函數(shù)的集合。它包括設(shè)備服務(wù)子程序和中斷處理程序。設(shè)備服務(wù)子程序包含了所有與設(shè)備相關(guān)的代碼，每個設(shè)備服務(wù)子程序只處理一種設(shè)備或者緊密相關(guān)的設(shè)備，從設(shè)備無關(guān)的軟件中接受抽象的命令并執(zhí)行。當(dāng)執(zhí)行一條請求時，具體操作是根據(jù)控制器對驅(qū)動程序提供的接口，并利用中斷機制去調(diào)用中斷服務(wù)子程序配合設(shè)備完成這個請求。設(shè)備驅(qū)動程序利用結(jié)構(gòu)file_operations與文件系統(tǒng)起來，設(shè)備的各種操作的入口函數(shù)放在結(jié)構(gòu)file_operations中，其中包括open（）、release（）、read（）和write（）等接口，簡化了驅(qū)動程序的編寫工作。這樣，應(yīng)用程序根本不必考慮操作的是設(shè)備還是普通文件，可一律看作文件處理，具有非常清晰統(tǒng)一的I/O接口。觸摸屏的file_operations結(jié)構(gòu)定義如下：
　　
　　staticstructfile_operationss3c2410_ts_fops={
　　
　　owner:THIS_MODULE,
　　
　　read:s3c2410_ts_read,
　　
　　poll:s3c2410_ts_poll,
　　
　　ioctl:s3c2410_ts_ioctl,
　　
　　open:s3c2410_ts_open,
　　
　　release:s3c2410_ts_release,
　　
　　fasync:s3c2410_ts_fasync,};
　　
　　在觸摸屏設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)中，全局變量structs3c2410_ts_deviceglobal_ts是很重要的，用來保存觸摸屏的相關(guān)參數(shù)、等待處理的消息隊列、當(dāng)前采樣數(shù)據(jù)、上一次采樣數(shù)據(jù)等信息，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)structs3c2410_ts_device的定義如下：
　　
　　structs3c2410_ts_device{//管理觸摸屏類
　　
　　structs3c2410_ts_generald;//觸摸屏設(shè)置參數(shù)
　　
　　structs3c2410_ts_calibrationcal;//校正觸摸屏參數(shù)
　　
　　structs3c2410_ts_eventbuf[MOUSEBUF_SIZE];//等待處理緩沖隊列
　　
　　structs3c2410_ts_eventcur_data,samples[3],last_data;};
　　
　　//當(dāng)前采樣數(shù)據(jù)，采樣原始數(shù)據(jù)，上次采樣數(shù)據(jù)
　　
　　在了解上面概念之后，編寫觸摸屏驅(qū)動的實際工作并不復(fù)雜，需要做如下工作：
　　
　　3．1模塊初始化函數(shù)
　　
　　是調(diào)用s3c2410_touchscreen_moudle_init（）來實現(xiàn)的，主要完成觸摸屏設(shè)備的內(nèi)核模塊加載、初始化、中斷注冊、設(shè)備注冊等工作，主要涉及到的過程如下：
　　
　　ADCTSC=（0<<8）|（1<<7）|（1<<6）|（0<<5）|（1<<4）|（0<<3）|（0<<2）|（3）;
　　
　　//觸摸屏ADCTSC的設(shè)置
　　
　　ADCDLY=ADC_DELAY_TIME;//觸摸屏開始和間隔延時
　　
　　ADCCON=（1<<14）|（PreScale_n<<6）|（7<<3）|（0<<2）|（0<<1）|（0）;
　　
　　//觸摸屏控制器設(shè)置
　　
　　request_irq（IRQ_ADC_DONE,ts_down_interrupt,SA_INTERRUPT,g_ts_id,ts_down_interrupt）;//申請IRQ_ADC_DONE中斷
　　
　　request_irq（IRQ_TC,ts_up_interrupt,SA_INTERRUPT,g_ts_id,ts_up_interrupt）;
　　
　　//申請IRQ_TC中斷
　　
　　devfs_register_chrdev（0,S3C2410_TS_MODULE_NAME,&s3c2410_ts_fops）;
　　
　　//注冊file_operations結(jié)構(gòu)
　　
　　request_irq（IRQ_TIMER1,touch_timer_irq,SA_INTERRUPT,g_ts_timer_id,NULL）;//申請IRQ_TIMER1中斷
　　
　　touch_timer_irq（intirq,void*dev_id,structpt_regs*regs）
　　
　　//根據(jù)狀態(tài)調(diào)用觸摸中斷，控制數(shù)據(jù)采樣
　　
　　初始化模塊利用內(nèi)核提供的request_irq函數(shù)，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(wù)函數(shù)起來；利用devfs_register_chrdev函數(shù)，向系統(tǒng)注冊一個字符型設(shè)備；zui后注冊定時器中斷，用來控制觸摸屏的數(shù)據(jù)采樣。
　　
　　3．2設(shè)置觸摸筆的狀態(tài)及對應(yīng)的處理
　　
　　觸摸屏的中斷服務(wù)函數(shù)ts_down_interrupt和ts_up_interrupt是根據(jù)ADCDAT1和ADCDAT0的設(shè)置來選擇觸摸筆的狀態(tài)，之后調(diào)用觸摸屏坐標(biāo)的數(shù)據(jù)采樣處理函數(shù)s3c2410_ts_handler（）進行處理。部分代碼如下：
　　
　　staticvoidts_down_interrupt（intirq,void*dev_id,structpt_regs*regs）
　　
　　{
　　
　　if（（ADCDAT1&0x8000）||（ADCDAT0&0x8000））{
　　
　　pen_data.state=PEN_UP;
　　
　　}
　　
　　else{
　　
　　pen_data.state=PEN_DOWN;
　　
　　}
　　
　　s3c2410_ts_handler（）;}
　　
　　3．3獲得采樣值
　　
　　觸摸筆具有三種工作狀態(tài)：PEN_UP，PEN_DOWN，PEN_SAMPLE。在采樣處理函數(shù)中，依據(jù)觸摸筆的狀態(tài)，調(diào)用ts_timer_operation（）來啟動或停止采樣定時器，然后調(diào)用s3c2410_ts_handler（）根據(jù)不同的狀態(tài)進行不同的設(shè)置和處理，之后得到不同的采樣值。
　　
　　3．4對得到的觸摸屏的數(shù)據(jù)進行處理
　　
　　是調(diào)用data_processing（）函數(shù)來實現(xiàn)的。根據(jù)采用下面介紹的中值濾波法來對采樣數(shù)據(jù)進行處理。針對坐標(biāo)點采樣過程中產(chǎn)生的噪聲，一般是采用平均法來去除噪聲，但是這種方法對于采樣數(shù)較少，并且個別噪聲采樣點比較大的時候，取平均值會使zui后的結(jié)果誤差較大，達不到數(shù)據(jù)處理的要求。故本文采用中值濾波法濾除干擾噪聲，進一步地提高采樣精度。
　　
　　中值濾波法的原理如下：首先取奇數(shù)個觸摸采樣數(shù)據(jù)；之后根據(jù)采樣數(shù)據(jù)的大小按照從小到大的順序進行排列；zui后取中間位置的值。此種方法一般在采樣點不多，個別采樣數(shù)據(jù)誤差又較大的情況下，可以有效地減少誤差。具體的過程見圖2。

　　
　　3．5觸摸屏的校準(zhǔn)
　　
　　在實際的應(yīng)用中，通常觸摸屏是作為與顯示屏配合使用的輸入設(shè)備，需要從觸摸屏采樣得到的坐標(biāo)與屏幕的顯示坐標(biāo)做一個映射。觸摸屏和顯示屏都是標(biāo)準(zhǔn)的矩形，見3所示。觸摸屏的X方向坐標(biāo)只與顯示屏的X方向有關(guān)，Y方向只與顯示屏的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），那么觸摸屏上的任意一點采用坐標(biāo)（x,y）與顯示屏坐標(biāo)（xd,yd）的對應(yīng)關(guān)系可按照如下公式計算：　　
　　根據(jù)上述的公式計算出實際觸摸屏對應(yīng)的顯示坐標(biāo)，之后就是一個觸摸屏的校準(zhǔn)過程，本文采用三點校準(zhǔn)的方法，與兩點校準(zhǔn)相比，三點校準(zhǔn)的模型考慮到變相和旋轉(zhuǎn)，更接近實際情況。首先選取3個相距較遠(yuǎn)的3個作為校準(zhǔn)輸入的采樣點，它們相應(yīng)的觸摸屏采樣坐標(biāo)是P0（x0，y0）、P1（x1，y1）、P2（x2，y2），顯示坐標(biāo)是PD0（xD0,yD0）、PD1（xD1,yD1）、PD2（xD2,yD2）。直角坐標(biāo)平面的兩個點P和PD，定義P為觸摸屏空間的坐標(biāo)點，PD為顯示屏空間的坐標(biāo)點，P可以經(jīng)過旋轉(zhuǎn)、比例和平移得到PD坐標(biāo)。化簡得：　　
　　通過上式可以說明PD和P點之間存在一次線性關(guān)系滿足：xD=Ax+By+CyD=Dx+Ey+F
　　
　　對于同一個設(shè)備，其中的A、B、C、D、E、F為常數(shù)，稱為校準(zhǔn)常數(shù)，故只需在觸摸屏校準(zhǔn)時，解出這6個常數(shù)，就可以實現(xiàn)觸摸屏空間到顯示空間的轉(zhuǎn)換。
　　
　　3．6中斷的釋放和注冊模塊的卸載
　　
　　是調(diào)用s3c2410_ts_cleanup_module（）來實現(xiàn)的，分別釋放在初始化過程中，申請的IRQ_TIMER1、IRQ_ADC_DONE、IRQ_TC的中斷和字符設(shè)備的接口函數(shù)devfs_register_chrdev（），具體如下：
　　
　　free_irq（IRQ_TIMER1,g_ts_id）;
　　
　　free_irq（IRQ_ADC_DONE,g_ts_id）;
　　
　　free_irq（IRQ_TC,g_ts_timer_id）;
　　
　　devfs_unregister_chrdev（gMajor,H3600_TS_MODULE_NAME）;//卸載字符設(shè)備
　　
　　4、結(jié)束語
　　
　　本文作者創(chuàng)新點:結(jié)合實際的硬件平臺，詳細(xì)地介紹基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)下觸摸屏驅(qū)動程序的開發(fā)過程，改進了處理采樣數(shù)據(jù)的方法，zui后改進了常用的校準(zhǔn)方法。使該觸摸屏驅(qū)動更能滿足實際的要求，該觸摸屏驅(qū)動程序已用于實際的嵌入式產(chǎn)品中，運行穩(wěn)定可靠，具有很好的發(fā)展前景和社會經(jīng)濟效益。