基于嵌入式技術的智能儀器觸摸屏接口設計

分類：技術教程日期：2012-10-23 00:00:00 來源：西部工控網

　　在現代化生產中，為了確保機械設備安全可靠地運行，通常要采用適宜的儀器儀表，利用故障診斷技術及時發現故障，并采取合理的維修或保護措施來排除故障，預防和避免事故的發生。基于對儀器尺寸、便攜性和操作方便性的考慮，在工業領域如煤炭、鋼鐵、冶金、電力、化工等行業中大量的儀器儀表和設備，都逐漸選用觸摸屏作為系統的輸入設備。

　　針對這一情況，作者在開發面向機械故障診斷的智能儀表過程中，對觸摸屏輸入接口進行了研究。設計了四線電阻式觸摸屏與PXA255 處理器的接口電路，分析了Linux框架下的字符設備驅動程序設計原理，完成了觸摸屏的接口驅動程序開發，并設計了用觸摸屏作為輸入設備的MiniGU I用戶程序。觸摸屏作為儀器的輸入設備，人機交互直截了當，大大方便了現場操作人員的使用。

　　1 硬件結構和工作原理

　　依據工作原理和傳輸介質的不同，觸摸屏主要分電阻式、電容式、紅外線式以及表面聲波式等多種類型。電阻式觸摸屏是一塊4層透明的復合薄膜屏，如圖1所示。下面是玻璃或有機玻璃構成的基層; 上面是一層外表面經過硬化處理從而光滑防刮的塑料層; 中間是兩層金屬導電層，在導電層之間有許多細小的透明隔離點把兩層隔開。兩個金屬導電層是觸摸屏的工作面，其兩端各涂有一條銀膠，稱為觸摸屏工作面的一對電極。四線式觸摸屏的X 工作面和Y 工作面分別加在兩個導電層上，共有4根引出線，分別連到觸摸屏的X 電極對和Y 電極對上。在觸筆觸摸屏幕時，兩導電層在接觸點處接觸。電阻式觸摸屏作為輸入設備與顯示屏配合使用時，其工作的實質就是通過測量X、Y兩個方向電阻的分壓，確定觸摸屏的觸點坐標，并將該坐標映射到顯示屏坐標上，從而實現人機交互。由于電阻式觸摸屏工作面與外界完全隔離，受環境影響小，所以具有不怕灰塵和水汽、穩定性高、不漂移等優點，特別適合工業現場使用。

　　圖1 電阻式觸摸屏結構

　　在設計過程中，選用ADS7843 作為觸摸屏接口的AD轉換芯片，它具有12 位的轉換精度，最大支持4 096 ×4 096點陣的LCD, 滿足儀器設計要求。

　　儀器系統處理器選用Intel Xscale架構的PXA255處理器，用其GPIO口模擬SPI接口與ads7843進行通信。其接口原理如圖2所示。ADS7843完成采集通道的切換和接觸點處電壓的采集，其操作時序主要由控制字輸入、電壓采集和模數轉換組成，詳見參考文獻。只要在驅動程序中根據時序要求向D IN口發送控制字，即可從DOUT處得到相應通道的采集結果。

　　圖2 ADS7843與PXA255的接口電路

　　2 觸摸屏接口驅動程序

　　Linux驅動程序是系統內核的一部分，它把軟件和硬件分離開來，并向上提供應用程序訪問硬件的通信接口，向下管理保護系統硬件。觸摸屏在Linux下被定義為字符設備，其驅動主要完成觸點電壓的采集，并向用戶空間傳遞X 坐標、Y坐標和筆動作(按下、抬起或拖拽) 數據。當觸筆按下時， ADS7843的11腳輸出低電平，觸發PXA255通用IO口的12腳產生外部中斷，開啟定時器，實現觸摸屏的動作。觸摸屏的驅動流程如圖3所示。

　　圖3 觸摸屏驅動程序結構流程

　　2.1 驅動的編寫

　　觸摸屏驅動在Linux框架下屬于字符設備驅動。

　　驅動的入口函數為ads7843 _ ts_ init ( ) , 在該函數中，初始化I/O口，注冊筆中斷和設備節點，完成設備文件系統創建標準字符設備的初始化工作[ 8 - 10 ].觸摸屏設備操作的結構通過ads7843_ts_fop s定義。

　　static struct file_operations ads7843_ts_fop s = {

　　read: ads7843_ts_read,

　　poll: ads7843_ts_poll,

　　ioctl: ads7843_ts_ioctl,

　　fasync: ads7843_ts_fasync,

　　open: ads7843_ts_open,

　　release: ads7843_ts_release,

　　};

　　這樣，只需根據實際需要正確定義該結構中的幾個函數過程，就可完成設備驅動的開發。

　　當觸摸屏設備被打開時，首先執行到ads7843_ts_open ( )函數，并在該函數中，初始化一個緩沖區，用于存儲坐標數據。在觸摸屏被按下后，系統首先觸發中斷，在ads7843_ts_interrup t ( )中斷程序中，判斷in_timehandle全局變量的狀態， in_ timehandle在定時器函數中被改變，也就是說進入中斷后，先經過定時器延時20ms, 完成觸摸屏的軟件去抖，再判斷觸摸屏是否被按下。然后通過read_xy ( )函數分別切換至X和Y 通道，完成觸點電壓的AD轉換，并讀取12 位坐標值。

　　static void ads7843_ ts_ interrup t ( int irq, void 3 dev_ id,

　　struct p t_regs3 regs)

　　{

　　sp in_lock_irq (&tsdevlock) ;

　　if ( in_timehandle > 0)

　　{

　　sp in_unlock_irq (&tsdevlock) ;

　　return;

　　}

　　disable_irq ( IRQ_GPIO_ADS7843) ;

　　ads7843_ts_starttimer ( ) ;

　　sp in_unlock_irq (&tsdevlock) ;

　　}

　　應用程序調用read ( ) 函數時，進入驅動的ads7843_ts_read ( )接口函數。在該接口函數中獲取采樣結果，判斷是否要對坐標進行校準，將最終結果寫入到緩沖區中，并通過copy_to_user ( )函數將其從內核空間復制到用戶空間，以使應用程序能夠使用。在ads7843_ts_read ( )函數中采用了非阻塞型操作，使得在沒有數據到達的時候立即返回，然后用異步觸發fasync ( )來通知數據的到來。ads7843 _ ts_poll ( )函數用于驅動程序的非阻塞操作， ads7843_ts_fasync ( )函數用于驅動異步觸發。ads7843_ts_ioctl ( )函數中，提供了可從用戶態控制的參數，如觸摸屏是否在驅動中校準、屏幕的最大最小坐標值等。ads7843_ts_release( )函數用來關閉觸摸屏設備。

　　2.2 觸摸屏的校準

　　在儀器開發過程中，觸摸屏作為輸入設備與LCD配合使用。為了能使從觸摸屏采樣得到坐標與屏幕的顯示坐標對應，還需要做一個映射，也就是要對觸摸屏進行校準。如圖4所示，所用的觸摸屏和液晶屏都是標準的矩形，只要安裝合理，可以認為觸摸屏的X 方向坐標只與顯示屏X 方向相關， Y方向坐標只與顯示屏的Y方向相關。假設顯示屏的分辨率是W ×H, 顯示區域的左上角對應的觸摸屏采樣坐標是( x1 , y1 ) ,右下角對應的坐標是( x2 , y2 ) , 那么觸摸屏上任意一點采樣坐標( x, y) 與顯示屏坐標( xd , yd ) 的對應關系可以按照如下公式計算：

　　這樣，在測得( x1 , y1 ) 和( x2 , y2 ) 點觸摸屏的采樣值后，利用上述公式編制校準函數，在觸摸屏工作的過程中，計算出實際觸摸點對應的顯示坐標，完成觸摸屏的校準。

　　圖4　觸摸屏的校準

　　3 觸摸屏用戶應用程序

　　創建的Linux設備文件系統觸摸屏節點為/dev/ts.在應用程序中，可以像打開文件一樣用open函數打開設備文件，然后用read ( )函數讀取由驅動傳遞到用戶空間的數據。儀器應用程序的開發采用MiniGU I進行， MiniGU I是由北京飛漫公司開發，可應用于實時嵌入式系統中的輕量級圖形用戶界面支持系統。其函數接口與Windows SDK類似，開發方便。

　　MiniGU I的輸入抽象層( IAL: Input Abstract Layer)提供了對觸摸屏、鼠標等輸入設備的豐富支持，并支持PXA255處理器平臺。只要經過簡單的設置就可以在應用程序中使用觸摸屏。配置安裝MiniGU I時，使用22enable2px255bial項，由于在安裝MiniGU I時采用了內嵌資源的靜態編譯方式，所以在編譯之前，需在MiniGU I的src / sysres/目錄下建立mgetc2pxa1c 文件，并在其中用下面語句設置系統參數，將觸摸屏設為輸入設備。

　　static char * SYSTEM_VALUES[ ] = { " fbcon" ," PX255B" , " /dev/ ts" , " none" };

　　MiniGU I對觸摸屏輸入的處理方式如圖5 所示。