嵌入式系統(tǒng)中觸摸屏交互功能模塊設(shè)計(jì)

摘要：本文以ARM920T內(nèi)核的S3C2410芯片GX開發(fā)板為硬件平臺(tái)，采用 Windows CE操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了嵌入式系統(tǒng)觸摸屏交互功能模塊。并對(duì)有關(guān)技術(shù)問(wèn)題做了分析與討論。
關(guān)鍵字：嵌入式;Windows CE;交互設(shè)計(jì)

1引言

嵌入式系統(tǒng)拉近了人與計(jì)算機(jī)的距離，形成一個(gè)人機(jī)和諧的工作與生活環(huán)境。從某一個(gè)角度來(lái)看，觸摸屏作為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中一體化的輸入輸出設(shè)備，在制造工業(yè)、過(guò)程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等方面均得到廣泛應(yīng)用，影響到人類工作與生活的各個(gè)領(lǐng)域并極具應(yīng)用前景，它與嵌入式系統(tǒng)的交互功能的程序設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文描述的這樣的設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)其中的技術(shù)問(wèn)題給出了詳細(xì)的解釋。功能設(shè)計(jì)基于ARM920T內(nèi)核的S3C2410芯片，以GX開發(fā)板為硬件平臺(tái)，是以 Windows CE為操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的圖文交互界面模塊。

2系統(tǒng)交互功能的設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)構(gòu)架

通常嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)架可以分成四個(gè)部分：處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出（I/O）和軟件部分。由于多數(shù)嵌入式設(shè)備的應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)都是緊密結(jié)合的，在這里我們對(duì)其不加區(qū)分，這也是嵌入式系統(tǒng)和通用PC 系統(tǒng)的最大區(qū)別。觸摸屏嵌入式設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖一。

2．2 Windows CE的主要功能

它是一個(gè)全新開發(fā)的模塊化的圖形用戶界面的多任務(wù)操作系統(tǒng)，是一個(gè)支持多種CPU，擁有良好通信能力的高性能、高效率的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。OEM廠家可以加入自己所需要的任何模塊，或者除去不需要的。系統(tǒng)中一個(gè)應(yīng)用程序的故障不會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)失效。

圖一  觸摸屏嵌入式設(shè)計(jì)框圖

2．3 操作系統(tǒng)對(duì)觸摸屏的支持

操作系統(tǒng)對(duì)觸摸屏的支持是按分層的思想進(jìn)行的。首先是應(yīng)用層，編寫的應(yīng)用程序調(diào)用觸摸屏/鼠標(biāo)事件API(在牽引層有相關(guān)的API函數(shù))；其次，在驅(qū)動(dòng)層有支持觸摸屏的驅(qū)動(dòng)程序。通過(guò)統(tǒng)一接口來(lái)調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核的觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成最終的設(shè)備控制。從中取出觸摸屏的實(shí)際坐標(biāo)值，把該值記錄在初始化程序中，當(dāng)下次有應(yīng)用程序需要調(diào)用觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序就會(huì)去檢查初始化程序，讀取其中的校正值，并把經(jīng)過(guò)校正，影射后相對(duì)坐標(biāo)值返回該應(yīng)用程序。

2．4  觸摸屏電路

GX開發(fā)板為硬件平臺(tái)，板載SHARP 3.5〞TFT 液晶屏LQ035Q7DB02，320×240，262,144 色，White LED 背光，帶觸摸屏。SHARP液晶自帶四線電阻式觸摸屏，可以直接和2410的觸摸屏驅(qū)動(dòng)電路連接，觸摸位置直接用CPU 內(nèi)置的ADC 電路采樣而得。

圖二  板載觸摸屏電路

2．5  觸摸屏的控制電路

觸摸屏的控制是使用FM7843芯片完成的。FM7843是4線電阻觸摸屏轉(zhuǎn)換接口芯片。它具有同步串行接口的12位取樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在125kHz吞吐速率和2.7V電壓下的功耗為750μW，而在關(guān)閉模式下的功耗僅為0.5μW。因此，ADS7843以其低功耗和高速率等特性，被廣泛應(yīng)用在采用電池供電的小型手持設(shè)備上。FM7843采用SSOP-16引腳封裝形式，溫度范圍是-40~85℃。為了完成一次電極電壓切換和A/D轉(zhuǎn)換，需要先通過(guò)串口往FM 7843發(fā)送控制字，轉(zhuǎn)換完成后再通過(guò)串口讀出電壓轉(zhuǎn)換值。標(biāo)準(zhǔn)的一次轉(zhuǎn)換需要24個(gè)時(shí)鐘周期。由于串口支持雙向同時(shí)進(jìn)行傳送，并且在一次讀數(shù)與下一次發(fā)控制字之間可以重疊，所以轉(zhuǎn)換速率可以提高到每次16個(gè)時(shí)鐘周期。如果條件允許，CPU可以產(chǎn)生15個(gè)CLK的話（比如FPGAs和ASICs）,轉(zhuǎn)換速率還可以提高到每次15個(gè)時(shí)鐘周期。FM 7843 通過(guò)同步串口與ARM 通訊，可通過(guò)SendSIOData（）函數(shù)（uhal.c）向FM 7843發(fā)送數(shù)據(jù)；通過(guò)ReadSIOData()函數(shù)（uhal.c）從FM 7843 讀出數(shù)據(jù)。將F 端口的第6 位置0和1，可以打開、關(guān)閉FM7843，F(xiàn) 端口的數(shù)據(jù)寄存器為PDATF（44b.h）。通過(guò)外部中斷5可以判斷是否有觸摸動(dòng)作,查詢方式通過(guò)宏TCHSCR_IsPenNotDown()（tchscr.h）判斷是否有觸摸動(dòng)作。

3．設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

3．1 定制Windows CE平臺(tái)

Windows CE是一個(gè)多平臺(tái)的、可裁減的32位嵌入式操作系統(tǒng)。他既適用于工業(yè)設(shè)備的嵌入式控智模塊，也適用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品的開發(fā)。針對(duì)不同的目標(biāo)設(shè)備硬件環(huán)境，在其內(nèi)核基礎(chǔ)上添加各種模塊，從而形成一個(gè)定制的嵌入式操作系統(tǒng)。它包括了定制設(shè)備所需的一切，例如：聯(lián)網(wǎng)能力、實(shí)時(shí)性和小內(nèi)存占用以及多媒體和Web瀏覽功能等。

3．2 Windows CE`的驅(qū)動(dòng)模式

Windows CE`設(shè)備的驅(qū)動(dòng)模型有兩種形式：流接口驅(qū)動(dòng)（Stream Interface Driver）和本地設(shè)備驅(qū)動(dòng)（Native Device Driver）從實(shí)現(xiàn)方式來(lái)看，無(wú)論那種驅(qū)動(dòng)都可以采用單層和分層兩種方式，多層設(shè)備驅(qū)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)的代碼分兩層：MDD(Model Device Driver，模型設(shè)備驅(qū)動(dòng))和PDD(Platform Dependent Driver,平臺(tái)相關(guān)驅(qū)動(dòng))。MDD層中向GWES模塊提供了DDI（Device Driver Interface,設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口）函數(shù)接口，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于同一類設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序所公用的功能，而PDD則實(shí)現(xiàn)了與平臺(tái)的具體硬件設(shè)備相關(guān)的代碼。MDD通過(guò)調(diào)用特殊的PDD函數(shù)來(lái)訪問(wèn)硬件。

3．3 觸摸屏與顯示器的配合算法

FM 7843 送回控制器的X 與Y 值僅是對(duì)當(dāng)前觸摸點(diǎn)的電壓值的A/D 轉(zhuǎn)換值，它不具有實(shí)用價(jià)值。這個(gè)值的大小不但與觸摸屏的分辨率有關(guān)，而且也與觸摸屏與LCD 貼合的情況有關(guān)。而且，LCD 分辨率與觸摸屏的分辨率一般來(lái)說(shuō)是不一樣，坐標(biāo)也不一樣，因此，如果想得到體現(xiàn)LCD 坐標(biāo)的觸摸屏位置，還需要在程序中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換公式如下:

x=(x-TchScr_Xmin)*LCDWIDTH/(TchScr_Xmax-TchScr_Xmin)

y=(y-TchScr_Ymin)*LCDHEIGHT/(TchScr_Ymax-TchScr_Ymin)

其中，TchScr_Xmax、TchScr_Xmin、TchScr_Ymax 和TchScr_Ymin 是觸摸屏返回電壓值x、y 軸的范圍, LCDWIDTH、LCDHEIGHT 是液晶屏的寬度與高度。

3．4 操作系統(tǒng)對(duì)觸摸屏的支持

操作系統(tǒng)對(duì)觸摸屏的支持是按分層的思想進(jìn)行的。首先是應(yīng)用層，編寫的應(yīng)用程序調(diào)用觸摸屏/鼠標(biāo)事件API(在牽引層有相關(guān)的API函數(shù))；其次，在驅(qū)動(dòng)層有支持觸摸屏的驅(qū)動(dòng)程序。通過(guò)統(tǒng)一接口來(lái)調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核的觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成最終的設(shè)備控制。從中取出觸摸屏的實(shí)際坐標(biāo)值，把該值記錄在初始化程序中，當(dāng)下次有應(yīng)用程序需要調(diào)用觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序就會(huì)去檢查初始化程序，讀取其中的校正值，并把經(jīng)過(guò)校正，影射后相對(duì)坐標(biāo)值返回該應(yīng)用程序。

3．5 觸摸屏的坐標(biāo)的確認(rèn)  

通過(guò)上述方式采集的坐標(biāo)是相對(duì)于觸摸屏的坐標(biāo)，需要轉(zhuǎn)換成為L(zhǎng)CD 坐標(biāo)，這個(gè)過(guò)程之前需要進(jìn)行兩種坐標(biāo)的校準(zhǔn)工作，這里采用取平均值法。首先從觸摸屏的4個(gè)頂角得到

2個(gè)最大值和2個(gè)最小值，分別計(jì)為x_min，y_min 和x_max，y_max。X，Y 方向的確定

如表1 所示。

表1    X，Y 方向的確定

當(dāng)系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時(shí)，Q1，Q3 和Q4 處于截止?fàn)顟B(tài)，Q2 導(dǎo)通。當(dāng)觸摸屏被按下時(shí)，首先導(dǎo)通MOS 管組Q1 和Q4，X+與X-回路加上+3.3V 電源，同時(shí)將MOS 管組Q2 和Q3 關(guān)閉，斷開Y+和Y-，再啟動(dòng)處理器的A/D 轉(zhuǎn)換通道1（AIN1），電路電阻與觸摸屏按下產(chǎn)生的電阻輸出分量電壓，并由A/D 轉(zhuǎn)換器將電壓值數(shù)字化，計(jì)算X 軸的坐標(biāo)。接著先導(dǎo)通MOS 管組Q2 和Q3，Y+與Y-回路加上+3.3V 電源，同時(shí)將MOS 管組Q1和Q4 關(guān)閉，斷開X+和X-，再啟動(dòng)處理器的A/D 轉(zhuǎn)換通道0（AIN0），電路電阻與觸摸屏按下產(chǎn)生的電阻輸出分量電壓，并由A/D 轉(zhuǎn)換器將電壓值數(shù)字化，計(jì)算Y 軸的坐標(biāo)。系統(tǒng)讀到坐標(biāo)值后，關(guān)閉Q1、Q3 和Q4，打開Q2，回到初始狀態(tài)，等待下一次筆觸。

確定X，Y 方向后，坐標(biāo)值的計(jì)算公式如下：

X=（x_max-Xa）×320 /（x_max - x_min）

Y=（y_max- Ya）×240 /（y_max- y_min）

式中：

Xa=（X1+X2+．．．+Xn）/ n

Ya=（Y1+Y2+．．．+Yn）/ n

一般觸摸屏將觸摸時(shí)的X、Y 方向的電壓值送到A/D 轉(zhuǎn)換接口，經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換后的X與Y 值僅是對(duì)當(dāng)前觸摸點(diǎn)的電壓值的A/D 轉(zhuǎn)換值，它不具有實(shí)用價(jià)值。這個(gè)值的大小不但與觸摸屏的分辨率有關(guān)，而且與觸摸屏與LCD 貼合的情況有關(guān)。如果想得到體現(xiàn)LCD 坐標(biāo)的觸摸屏位置，還需要在程序中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

4．結(jié)論

嵌入式系統(tǒng)的PDA越來(lái)越多的使用觸摸屏做輸入輸出設(shè)備。本文以ARM920T內(nèi)核的S3C2410芯片GX開發(fā)板為硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了嵌入式系統(tǒng)觸摸屏交互功能模塊，在全國(guó)大學(xué)生嵌入式系統(tǒng)競(jìng)賽的產(chǎn)品和作品中已多次應(yīng)用。文中并對(duì)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題做了詳細(xì)的分析與討論。軟件設(shè)計(jì)流程圖和源代碼及其它輔助程序等限于篇幅另文介紹。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：

1．在S3C2410芯片GX開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)了嵌入式系統(tǒng)觸摸屏交互功能模塊。
2．編制了嵌入式系統(tǒng)觸摸屏交互功能模塊程序及輔助接口程序并對(duì)有關(guān)技術(shù)問(wèn)題做了分析。

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