基于μClinux的觸摸屏軟硬件設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)分析

摘要：本文介紹了當(dāng)前比較流行的開放源代碼的嵌入式操作系統(tǒng)μClinux下驅(qū)動(dòng)程序的一般結(jié)構(gòu)，以及觸摸屏控制器和Motorola DragonBallMCVZ328 CPU的連接。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)講述了觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵技術(shù)，如阻塞型I/O操作、任務(wù)隊(duì)列以及系統(tǒng)定時(shí)器的應(yīng)用等，解決了采樣數(shù)量控制問題，具有較好的移植性。
關(guān)鍵詞：嵌入式操作系統(tǒng)；μClinux；觸摸屏；驅(qū)動(dòng)程序

1引言
1.1背景介紹
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)越來越廣泛地應(yīng)用到航空航天、通訊設(shè)備、工業(yè)控制等領(lǐng)域。由于尺寸的限制，觸摸屏代替鍵盤和鼠標(biāo)成為嵌入式系統(tǒng)首選的輸入工具。同時(shí)嵌入式系統(tǒng)也逐漸摒棄了傳統(tǒng)的循環(huán)控制模式，而是引入操作系統(tǒng)完成進(jìn)程間切換和任務(wù)調(diào)度。μClinux就是一種優(yōu)秀的開放源代碼的嵌入式操作系統(tǒng)。它經(jīng)過各方面的小型化改造，形成了一個(gè)高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux，雖然它的體積很小，μClinux仍然保留了Linux的大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對(duì)各種文件系統(tǒng)的支持以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的API。比較起其它幾種應(yīng)用較多的嵌入式操作系統(tǒng)，像vxworks、winCE等，它較為低廉的價(jià)格以及方便的用戶程序開發(fā)，無疑是其巨大的優(yōu)勢(shì)。用戶可以方便地從互聯(lián)網(wǎng)上找到最新內(nèi)核版本、編譯器以及其它必需的軟件環(huán)境，這也促使眾多愛好者加盟。

1.2研究現(xiàn)狀
由于觸摸屏使用得越來越廣泛，所以相應(yīng)的研究與工程實(shí)踐比較多。在現(xiàn)有的工作中，已有很多工程師對(duì)觸摸屏控制器ADS7846與StrongARM平臺(tái)的硬件連接以及在WinCE操作系統(tǒng)中軟件驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)進(jìn)行了研究，并對(duì)改進(jìn)觸摸屏控制器硬件精度上做了一定探索。而本文的主要貢獻(xiàn)在于詳細(xì)描述了在μClinux這一嵌入式操作系統(tǒng)中觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序硬件及軟件設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，這一設(shè)計(jì)具有比較高的精度、穩(wěn)定性和開放性，而且跨平臺(tái)性也較好，因此必將給嵌入式設(shè)備提供更多選擇。

2硬件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中硬件平臺(tái)微處理器選用Motorola公司的MC68VZ328，它是一款M68k體系的32位低功耗微處理器，采用SoC技術(shù)設(shè)計(jì)，具有典型的嵌入式微處理器的特征；觸摸屏選用TI(原為Burr-Brown公司的產(chǎn)品，由于該公司已被TI公司收購(gòu)，所以下文均用TI公司）公司的ADS7843。在本設(shè)計(jì)中，CPU與觸摸屏以主從方式工作，觸摸屏工作于從設(shè)備（slave）狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中硬件電路不同于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，而是充分利用了ADS7843中的BUSY信號(hào)線，如圖1所示。


ADS7843是一款四線電阻式觸摸屏控制芯片，它主要完成兩件事情：其一，是完成電極電壓的切換；其二，是采集接觸點(diǎn)處的電壓值。它由兩層透明的阻性導(dǎo)體層組成，在導(dǎo)體層中間充滿了用粘性絕緣液體材料做成的隔離層和由導(dǎo)電性能極好的材料構(gòu)成的電極。

觸摸屏工作時(shí)，上下導(dǎo)體層相當(dāng)于電阻網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。當(dāng)某一層電極加上電壓時(shí)，會(huì)在該網(wǎng)絡(luò)上形成電壓梯度。若有外力使得上下兩層在某一點(diǎn)接觸，則在電極未加電壓的另一層可以測(cè)得接觸點(diǎn)處的電壓，從而知道接觸點(diǎn)處的坐標(biāo)。比如，若在頂層的電極(X+、X-)上加上電壓，則在頂層導(dǎo)體層上形成電壓梯度；當(dāng)有外力使得上下兩層在某一點(diǎn)接觸，在底層就可以測(cè)得接觸點(diǎn)處的電壓，再根據(jù)該電壓與電極(X+)之間的距離關(guān)系，知道該處的X坐標(biāo)。然后，將電壓切換到底層電極(Y+、Y-)上，并在頂層測(cè)量接觸點(diǎn)處的電壓，從而知道Y坐標(biāo)。對(duì)電壓在橫向和縱向?qū)w層之間的切換以及A/D轉(zhuǎn)換，需要先通過串行外設(shè)接口（SPI）往ADS7843發(fā)送控制字，轉(zhuǎn)換完成后再通過SPI讀出電壓轉(zhuǎn)換值。


3軟件設(shè)計(jì)
3.1μClinux下驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)
μClinux繼承了Linux的設(shè)備管理方法，將所有的設(shè)備看做具體的文件，通過文件系統(tǒng)層對(duì)設(shè)備進(jìn)行訪問。所以在Clinux的框架結(jié)構(gòu)中，和設(shè)備相關(guān)的處理可以分為兩個(gè)層次――文件系統(tǒng)層和設(shè)備驅(qū)動(dòng)層。設(shè)備驅(qū)動(dòng)層屏蔽具體設(shè)備的細(xì)節(jié)，文件系統(tǒng)層則向用戶提供一組統(tǒng)一的規(guī)范的用戶接口。這種設(shè)備管理方法可以很好地做到“與設(shè)備無關(guān)性”，使Clinux可以根據(jù)硬件外設(shè)的發(fā)展進(jìn)行方便的擴(kuò)展，比如要實(shí)現(xiàn)一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，只要根據(jù)具體的硬件特性向文件系統(tǒng)提供一組訪問接口即可。

μClinux中的設(shè)備可以分為3類：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。其中字符設(shè)備沒有緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)的處理是以字節(jié)為單位按順序進(jìn)行的，它不支持隨機(jī)讀寫，觸摸屏即屬于字符設(shè)備的一種。

驅(qū)動(dòng)程序在內(nèi)核中裝載的方式有兩種：一種是直接編譯進(jìn)內(nèi)核，在系統(tǒng)初始化的時(shí)候就對(duì)設(shè)備進(jìn)行注冊(cè)；一種是模塊化加載的方法，將驅(qū)動(dòng)程序編譯成目標(biāo)文件（*.o），需要添加設(shè)備時(shí)，使用insmod命令向系統(tǒng)注冊(cè)，停止使用時(shí)，用rmmod命令卸載。對(duì)于觸摸屏這種基本的輸入工具，建議采取直接編譯進(jìn)內(nèi)核的方式，這樣系統(tǒng)一啟動(dòng)就可以使用了。

向內(nèi)核注冊(cè)一個(gè)字符設(shè)備的函數(shù)為：externintregister_chrdev(unsignedintmajor,constchar*name, structfile_operations*fops)；內(nèi)核用主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)惟一地標(biāo)識(shí)一個(gè)設(shè)備。參數(shù)major對(duì)應(yīng)所請(qǐng)求的主設(shè)備號(hào)，name對(duì)應(yīng)設(shè)備的名字，fops是一個(gè)指向file_operations結(jié)構(gòu)的指針，它是Clinux下編寫驅(qū)動(dòng)程序用到的一個(gè)關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它提供了應(yīng)用空間與驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用接口。這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的每一項(xiàng)都指向驅(qū)動(dòng)程序完成的一個(gè)功能。

在2.4版本內(nèi)核中對(duì)該結(jié)構(gòu)采取標(biāo)記結(jié)構(gòu)初始化語(yǔ)法（TaggedStructureInitializationSyntax），與2.0內(nèi)核比較，這種語(yǔ)法可移植性更好，程序的可讀性和代碼的緊湊性都比較好。以觸摸屏為例：
static struct file_operations ts_fops={
owner:THIS_MODULE,
read:ts_read, //讀數(shù)據(jù)操作
poll:ts_poll, //非阻塞操作
ioctl:ts_ioctl, //I/O控制操作
open:ts_open, //打開設(shè)備
release:ts_release, //釋放設(shè)備
fasync:ts_fasync, //異步觸發(fā)}
完整的結(jié)構(gòu)還包括llseek、readdir等函數(shù)指針，只是由于在本程序中沒有用到，所以省略不寫，內(nèi)核把它們默認(rèn)為空（NULL）。

3.2觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序的流程及關(guān)鍵函數(shù)
在本設(shè)計(jì)中，我們使用μClinux2.4內(nèi)核。驅(qū)動(dòng)程序主要設(shè)計(jì)思想是：驅(qū)動(dòng)程序在初始化結(jié)束后，進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待中斷的到來。一旦筆中斷(pen_irq)發(fā)生，則進(jìn)入中斷處理程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣、轉(zhuǎn)換和傳輸，同時(shí)，程序?qū)Ω鞣N不同的情況進(jìn)行鑒別和異常處理。
觸摸屏軟件流程如圖3所示。在驅(qū)動(dòng)程序中設(shè)定了觸摸屏所處的7個(gè)不同狀態(tài)，分別用從-1到5的數(shù)字表征，這7個(gè)狀態(tài)構(gòu)成了一個(gè)觸摸屏狀態(tài)機(jī)，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)做出下一步的處理，如表1所示。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)根據(jù)功能可以劃分為5個(gè)部分，分別是初始化、設(shè)備打開、讀操作、中斷處理以及I/O控制，下面具體介紹每一部分。





3.2.1驅(qū)動(dòng)程序初始化
在mc68328digi_init（）中向內(nèi)核注冊(cè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)：err=misc_register(mc68328_digi),在init_ts_settings（）中設(shè)定觸摸屏的當(dāng)前參數(shù)：內(nèi)核版本號(hào)、筆移動(dòng)判別閾值、采樣時(shí)間、消除抖動(dòng)開關(guān)、消除抖動(dòng)時(shí)間等參數(shù)，這些均由用戶根據(jù)自己的液晶屏以及精度要求來定制，也可以在應(yīng)用程序中用I/O控制函數(shù)ioctl()來設(shè)定，本文將在參數(shù)分析中具體分析這些參數(shù)的意義。

3.2.2打開設(shè)備
在ts_open()函數(shù)中，驅(qū)動(dòng)程序向內(nèi)核注冊(cè)中斷。中斷也可以在系統(tǒng)初始化的時(shí)候向內(nèi)核注冊(cè)，但是一般不建議這樣做，因?yàn)樵诩虞d的設(shè)備比較多時(shí)，這樣做有可能造成中斷的沖突。打開一個(gè)設(shè)備，才讓該設(shè)備占用中斷，是一個(gè)較好的策略。向內(nèi)核注冊(cè)中斷處理程序主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，一是注冊(cè)中斷號(hào)，二是注冊(cè)中斷處理函數(shù)。

本程序中，向內(nèi)核注冊(cè)了兩個(gè)中斷處理程序，分別是：
request_irq(PEN_IRQ_NUM, handle_pen_irq,IRQ_FLG_STD,
“touch_screen”,NULL)和request_ irq(SPI_IRQ_NUM,handle_spi_irq, IRQ_FLG_STD,“spi_irq”,NULL)；
在前者中，PEN_IRQ_NUM是中斷號(hào)，可以指定，也可以動(dòng)態(tài)分配。在該驅(qū)動(dòng)程序中，指定筆中斷分配中斷號(hào)為19；handle_pen_irq是中斷處理函數(shù)，IRQ_FLG_STD是申請(qǐng)時(shí)的選項(xiàng)，它決定中斷處理程序的一些特性，這里表示由系統(tǒng)內(nèi)部占用；touch_ screen是設(shè)備名。在后者中，程序向內(nèi)核注冊(cè)SPI中斷，用來在CPU和外設(shè)間傳遞數(shù)據(jù)，分配的中斷號(hào)是0，handle_spi_irq是SPI中斷處理函數(shù)。

此外，在觸摸屏驅(qū)動(dòng)初始化子函數(shù)init_ts_drv()中，進(jìn)行了如下工作：
(1)觸摸屏狀態(tài)的初始化；
(2)筆信息（pen_values）的初始化；
(3)初始化定時(shí)器并設(shè)置超時(shí)函數(shù)handle_timeout()；
(4)初始化寄存器。初始化等待隊(duì)列，等待隊(duì)列是由等待觸摸事件發(fā)生的進(jìn)程組成的一個(gè)隊(duì)列，它包括頭尾指針和一個(gè)正在睡眠進(jìn)程的鏈表；
(5)設(shè)置觸摸屏狀態(tài)為空閑。
由于這里的初始化會(huì)占用一部分系統(tǒng)資源，所以把它們放在了打開設(shè)備時(shí)處理，而不是最初的設(shè)備初始化部分，這樣也是出于節(jié)省資源的考慮。

3.2.3讀函數(shù)ts_read()
一旦用戶程序調(diào)用read（）對(duì)觸摸屏進(jìn)行讀操作，則驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用入口點(diǎn)函數(shù)ts_read()進(jìn)行處理。如果此時(shí)沒有數(shù)據(jù)到來，且驅(qū)動(dòng)程序選擇阻塞型操作，則調(diào)用interruptible_sleep_on(queue->proc_list)將進(jìn)程阻塞，并進(jìn)入等待隊(duì)列，同時(shí)設(shè)置觸摸屏狀態(tài)為等待；如果選擇了非阻塞型操作，則程序在沒有數(shù)據(jù)到達(dá)的時(shí)候立即返回，然后用異步觸發(fā)fasync()來通知數(shù)據(jù)的到來。

在等待數(shù)據(jù)到來的過程中，如果有觸摸動(dòng)作（筆中斷pen_irq）發(fā)生，則進(jìn)入中斷處理程序。在中斷處理程序中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)化，把當(dāng)前坐標(biāo)信息放入隊(duì)列中。在進(jìn)程被喚醒后（使用wake_up_interruptible(queue->proc_list)來喚醒進(jìn)程），程序把位置坐標(biāo)信息、事件序列信息等從隊(duì)列中取出，放入用戶空間（put_user），從而可以被用戶程序使用，避免了用戶直接和硬件打交道。

3.2.4驅(qū)動(dòng)程序的中斷處理函數(shù)
當(dāng)筆中斷發(fā)生，程序進(jìn)入中斷處理函數(shù)。在中斷處理函數(shù)中，將完成對(duì)兩個(gè)中斷進(jìn)行處理，分別是外部的觸摸中斷（筆中斷）和SPI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中斷。與這兩個(gè)中斷對(duì)應(yīng)的中斷處理函數(shù)，是觸摸屏軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。
驅(qū)動(dòng)程序在中斷處理函數(shù)中使用定時(shí)器處理時(shí)間相關(guān)操作。定義函數(shù)set_timer_irq()，如下：
staticvoidset_timer_irq(structtimer_list*timer,intdelay){
del_timer(timer);
timer->expires=jiffies+delay;
add_timer(timer);
}
jiffies是一個(gè)表征系統(tǒng)自從啟動(dòng)以來到當(dāng)前為止所運(yùn)行時(shí)鐘數(shù)的變量，delay是設(shè)定的延長(zhǎng)時(shí)間（用時(shí)鐘數(shù)作為計(jì)數(shù)單位）。一旦時(shí)鐘數(shù)超過設(shè)定值，則觸發(fā)超時(shí)函數(shù)，在本程序中是handle_timeout( )。引入定時(shí)器的目的有兩個(gè)：一是可以較為精確地控制系統(tǒng)由于消除電平升降造成信號(hào)抖動(dòng)所需要時(shí)間，二是能夠有效控制采樣坐標(biāo)的數(shù)量，而不必引入占用大量系統(tǒng)資源的簡(jiǎn)單延時(shí)函數(shù)。使用SPI中斷而產(chǎn)生大量坐標(biāo)數(shù)據(jù)這一問題在文獻(xiàn)中沒有很好的解決辦法，只是簡(jiǎn)單地降低SPI時(shí)鐘頻率以取較少的數(shù)據(jù)量。本設(shè)計(jì)中引入定時(shí)器，可以很好地解決上述問題。

在handle_timeout()函數(shù)中，程序利用條件選擇語(yǔ)句，對(duì)觸摸屏狀態(tài)值（ts_drv_state）進(jìn)行判斷，如果是非Error狀態(tài)，則使能SPI，進(jìn)入handle_spi_irq()，與ADS7843進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。在handle_spi_irq()中，程序利用條件選擇語(yǔ)句，根據(jù)觸摸屏狀態(tài)值（ts_drv_state）來進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換操作，通過向觸摸屏控制芯片發(fā)送前文中提到的控制字，來得到X和Y方向的坐標(biāo)。具體邏輯可參見程序流程圖。一旦一次轉(zhuǎn)換完成，程序?qū)⒏鶕?jù)點(diǎn)擊狀態(tài)信息（state_counter）來鑒別點(diǎn)擊的性質(zhì)，在cause_event()函數(shù)中，分別對(duì)點(diǎn)擊和移動(dòng)做出了判斷。判定方法較為簡(jiǎn)單，只需將前后兩次采樣坐標(biāo)之差與移動(dòng)閾值比較即可得出結(jié)論。此外，還區(qū)分了信號(hào)誤差和由于筆移動(dòng)造成的坐標(biāo)改變，判別閾值可以由用戶自己設(shè)定。

3.2.5I/O控制
對(duì)于硬件各個(gè)參數(shù)，包括采樣時(shí)間、消除抖動(dòng)開關(guān)、消除抖動(dòng)時(shí)間，都可以通過I/O控制函數(shù)ioctl()在用戶程序里進(jìn)行設(shè)定，避免每次都直接改變驅(qū)動(dòng)程序，并重新編譯內(nèi)核所帶來的時(shí)間開銷。本程序中對(duì)I/O控制函數(shù)的定義是：staticintts_ioctl(structinode*inode,structfile*file,unsignedintcmd,unsignedlongarg)；其中，參數(shù)cmd有兩個(gè)值，分別為：TS_PARAMS_GET和TS_PARAMS_SET，它們用來指出是獲取參數(shù)還是設(shè)定參數(shù)。用戶在調(diào)用這個(gè)函數(shù)的時(shí)候，只需要對(duì)這個(gè)參數(shù)按照事先約定的格式賦值，就可以方便地獲取或者改變觸摸屏當(dāng)前參數(shù)，arg是指向所傳遞參數(shù)的指針。

4結(jié)論
在獲得觸摸點(diǎn)的原始坐標(biāo)（數(shù)值范圍由所選用的A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)決定）后，還要根據(jù)具體使用的液晶屏實(shí)際像素進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以方便圖形界面的后續(xù)開發(fā)?？紤]到相鄰兩次的移動(dòng)閾值，按照如下公式對(duì)觸摸屏坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算：

其中X_V為觸摸點(diǎn)X坐標(biāo)顯示值，X_W為觸摸點(diǎn)X坐標(biāo)測(cè)量值（原始坐標(biāo)值），(1)、(2)、(3)式在觸摸屏初始化時(shí)得到，方法是任取觸摸屏X方向左側(cè)和右側(cè)各一點(diǎn)，以X_△V=X_△W=1，X_offrer=0為初始值進(jìn)行測(cè)量得到新的3個(gè)參數(shù)：X_△V、X_△W和X_offrer（在實(shí)際使用中此項(xiàng)工作屬于校準(zhǔn)零點(diǎn)偏移），然后這3個(gè)參數(shù)就不再變動(dòng)，對(duì)于每次測(cè)量到的任意觸摸點(diǎn)原始坐標(biāo)X_W，直接代入（4）式求出觸摸點(diǎn)的像素顯示坐標(biāo)X_V。 其中，X_V1為觸摸屏左側(cè)點(diǎn)坐標(biāo)顯示值；X_V2為觸摸屏右側(cè)點(diǎn)坐標(biāo)顯示值；X_W1為觸摸屏左側(cè)點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量值；X_W2為觸摸屏右側(cè)點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量值。

本設(shè)計(jì)使用MicroWindows作為用戶界面，定制出每個(gè)桌面圖標(biāo)的坐標(biāo)區(qū)域，結(jié)合觸摸屏的采樣坐標(biāo)，判斷是否在圖標(biāo)區(qū)域坐標(biāo)內(nèi)，然后做出相應(yīng)的事件處理。對(duì)于本設(shè)計(jì)中使用的開發(fā)平臺(tái)，液晶屏是320240點(diǎn)陣的，物理尺寸為： 80mm60mm，ADS7843選擇12位轉(zhuǎn)換精度，觸摸屏理論分辨率為80/2¹²=0.020mm，但是由于電平干擾和觸摸動(dòng)作發(fā)生時(shí)的物理干擾，實(shí)際的精度無法達(dá)到這個(gè)值。經(jīng)過測(cè)試，在我們平臺(tái)上對(duì)同一點(diǎn)的點(diǎn)擊精度可以達(dá)到1.0mm。本驅(qū)動(dòng)程序可以有效地區(qū)分點(diǎn)擊和移動(dòng)信號(hào)，如果配合手寫識(shí)別軟件，能夠作為手寫板的底層驅(qū)動(dòng)使用，實(shí)現(xiàn)手寫輸入。