基于TQ2440和Linux的觸摸屏的驅(qū)動研究

嵌入式技術(shù)在工業(yè)和日常生活中變得越來越普及，觸摸屏作為交互終端已經(jīng)逐漸取代鍵盤成為嵌入式系統(tǒng)的輸入設(shè)備。使用TQ2440開發(fā)板，通過對嵌入式Linux內(nèi)核中觸摸屏驅(qū)動的研究，編寫和移植了觸摸屏的驅(qū)動程序，校準(zhǔn)之后觸摸屏可以正常使用。

隨著信息查詢技術(shù)的發(fā)展，觸摸屏因具有堅固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、易于交流等優(yōu)點，而得到了廣泛應(yīng)用[1]。觸摸屏作為一種新興的電腦輸入設(shè)備，是目前最簡單、方便的一種人機(jī)交互設(shè)備。

1 硬件簡介

1.1 TQ2440開發(fā)板簡介

天嵌公司生產(chǎn)的TQ2440開發(fā)板，微處理器采用Samsung S3C2440AL，板載64 MB SDRAM、256 MB Nand Flash、2 MB Nor Flash，板載5線異步串行口(UART0)、100 Mb/s DM9000網(wǎng)卡、USB HOST接口、USB Device接口和一個SD卡接口，集成了4線電阻式觸摸屏接口和JTAG接口等，音頻接口采用芯片UDA1341，立體聲音頻輸出，可錄音。

1.2 S3C2440處理器簡介

S3C2440是由三星公司推出的16/32 bit RISC微處理器，最高主頻可達(dá)533 MHz，為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了低價格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。處理器內(nèi)部集成SDRAM控制器、LCD控制器、4通道DMA、3通道UART、I2C總線、I2S總線、SD接口、PWMtimer、觸摸屏接口、8通道10 bit A/D控制器和camera接口等，很便于一般開發(fā)。

1.3 觸摸屏

按照觸摸屏的工作原理和傳輸信息的介質(zhì)一般可分為4種，分別為電阻式、紅外線式、電容感應(yīng)式以及表面聲波式。本次設(shè)計采用的是東華3.5英寸觸摸屏，為4線電阻式觸摸屏。具體參數(shù)為:型號: WXCAT35-TG3＃001F；尺寸：103 mm×83 mm；顯示面積：70.08 mm（H）×52.56 mm（V）；顯示顏色：16.7兆色分辨率；對比度：300:1；亮度：320 cd/m2；電源：5 V電壓供電。

電阻式觸摸屏利用壓力感應(yīng)進(jìn)行控制，由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成。觸摸檢測部件安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測用戶觸摸位置，并將觸摸位置信息送到觸摸屏控制器；觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成觸點坐標(biāo)，再送給CPU，它同時能接收來自CPU的命令并加以執(zhí)行。觸摸屏的屏體部分是一塊與顯示器表面非常配合的多層復(fù)合薄膜，由一層玻璃或有機(jī)玻璃作為基層，表面涂有一層透明的導(dǎo)電層氧化銦（OTI），上面再覆蓋有一層外表面硬化處理、光滑防刮的塑料層，它的內(nèi)表面也涂有一層OTI，在兩層導(dǎo)電層之間有許多細(xì)小(小于1/1 000)的透明隔離點把它們隔開絕緣。當(dāng)手指接觸屏幕時，兩層OTI導(dǎo)電層將出現(xiàn)一個接觸點，因其中一面導(dǎo)電層接通Y軸方向的5 V均勻電壓場，使得偵測層的電壓由零變?yōu)榉橇?，控制器偵測到這個接通數(shù)據(jù)后，進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，并將得到的電壓值與5 V相比較，即可得出觸摸點的Y軸坐標(biāo)。同理可得出X軸的坐標(biāo)。

S3C2440的觸摸屏接口包括觸摸觸點控制邏輯和有中斷產(chǎn)生邏輯的ADC接口邏輯，可以控制或選擇觸摸屏觸點用于XY坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。觸摸屏接口為了完成相應(yīng)的工作，具有4種工作模式[2]：

(1)正常轉(zhuǎn)換模式：此模式與通用的AD轉(zhuǎn)換模式相似，可以在ADCCON(ADC控制寄存器)中設(shè)置，在ADCDAT0(ADC數(shù)據(jù)寄存器0)中完成數(shù)據(jù)讀寫。

(2)X/Y坐標(biāo)各自轉(zhuǎn)換：觸摸屏控制器支持兩種轉(zhuǎn)換模式，X/Y坐標(biāo)各自轉(zhuǎn)換與X/Y坐標(biāo)自動轉(zhuǎn)換。各自轉(zhuǎn)換是在X模式下，將X坐標(biāo)寫入ADCDAT0后產(chǎn)生中斷；在Y模式下，將Y坐標(biāo)寫入ADCDAT1后產(chǎn)生中斷。

(3)X/Y坐標(biāo)自動轉(zhuǎn)換：在此模式下，觸摸屏控制器先后轉(zhuǎn)換觸摸點的X坐標(biāo)與Y坐標(biāo)。當(dāng)X坐標(biāo)與Y坐標(biāo)都轉(zhuǎn)換完成時，中斷控制器產(chǎn)生中斷。

(4)等待中斷模式：當(dāng)觸摸筆按下時，觸摸屏產(chǎn)生中斷(INT_TC)。等待中斷模式必須將寄存器rADCTSC設(shè)置為0xd3；在觸摸屏控制器產(chǎn)生中斷以后，必須將此模式清除。

如果GCLK是50 MHz且預(yù)分頻器的分頻值設(shè)置為49 MHz，10 bit的轉(zhuǎn)換時間按下式計算：

A/D轉(zhuǎn)換頻率=50 MHz/(49+1)MHz=1 MHz

轉(zhuǎn)換時間=1/(1 MHz/5個周期)=1/200 kHz="5" ?滋s，可見轉(zhuǎn)換時間很短。

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2 觸摸屏驅(qū)動程序

2.1 建立嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

建立此開發(fā)環(huán)境的步驟為：

(1)在Windows XP SP3系統(tǒng)下安裝虛擬機(jī)vmware5.5.3，在虛擬機(jī)里安裝Redhat9.0系統(tǒng)。在Redhat9.0系統(tǒng)下編譯開發(fā)板所需的鏡像和文件，使用虛擬機(jī)工具實現(xiàn)了Windows和Redhat的文件共享，在Windows系統(tǒng)下可以直接下載鏡像和文件到開發(fā)板上。

(2)使用Windows XP SP3自帶的超級終端，并使用串口線連接PC和開發(fā)板。這樣就可以在PC上對開發(fā)板進(jìn)行相關(guān)的操作。

(3)本次實驗開發(fā)板使用的是Linux2.6.30.4內(nèi)核，而Redhat9.0系統(tǒng)是2.4.20.8內(nèi)核，所以需要下載適合開發(fā)板的編譯器。下載最新版本的支持EABI技術(shù)的交叉編譯器(本次實驗使用的是EABI_4.3.3_2009版本)，復(fù)制到Redhat9.0系統(tǒng)目錄/opt/EABI_4.3.3_2009/下，打開系統(tǒng)文件/etc/profile(可在終端使用命令vim /etc/profile)，添加相應(yīng)語句（本次實驗使用vim命令打開profile文件，在第20行添加語句pathmunge/opt/EABI_4.3.3_2009/4.3.3/bin）讓編譯器生效，這樣就可以在PC上交叉編譯開發(fā)板所需要的文件。至此開發(fā)環(huán)境已經(jīng)建立。

2.2 Linux內(nèi)核的移植

本次實驗使用的boatload是天嵌公司自己開發(fā)的u-boot，用J-TAG燒寫方式寫入NOR Flash，然后便可以使用u-boot自帶的USB下載(需要在Windows下安裝USB下載驅(qū)動程序)功能下載開發(fā)板上需要的Linux內(nèi)核鏡像了，這樣方便而且高效。下載Linux2.6.30.4內(nèi)核源代碼，復(fù)制到Redhat9.0系統(tǒng)目錄/opt下，并解壓。在目錄/opt/linux2.6.30.4/目錄下便可以進(jìn)行修改和編譯開發(fā)板上需要的內(nèi)核鏡像。在移植觸摸屏驅(qū)動之前，需要移植板載256 MB NAND Flash的驅(qū)動、yaffs文件系統(tǒng)，這樣便完善了串口驅(qū)動程序，最后移植LCD屏的驅(qū)動。

2.3 觸摸屏驅(qū)動程序

Linux系統(tǒng)將存儲器和外設(shè)分為字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備三大類。觸摸屏屬于字符設(shè)備，以串行順序依次進(jìn)行訪問。在Linux系統(tǒng)中，以文件名的形式在/dev目錄下建立觸摸屏設(shè)備文件, 應(yīng)用程序可以通過系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)open()打開此文件，建立起與設(shè)備的連接，然后通過函數(shù)read()、write()、release()、ioctl()等常規(guī)的文件操作對目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行操作。Linux為了把所有的設(shè)備當(dāng)作文件系統(tǒng)進(jìn)行管理，為所有的文件及設(shè)備文件定義了統(tǒng)一的操作函數(shù)接口file_operations，每個文件都通過指向file_operations結(jié)構(gòu)的指針字段與它自己的函數(shù)集相關(guān)聯(lián)。file_operations中成員為一系列指向各操作函數(shù)的指針，這些操作函數(shù)主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)，不同類型的設(shè)備文件系統(tǒng)有不同類型的file_operations結(jié)構(gòu)[4]。觸摸屏的 file_operations 結(jié)構(gòu)定義為：
static struct file_operation s3c2410_fops=
{
  owner: THIS_MODULE，
  open: s3c2410_ts_open，//打開
  read: s3c2410_ts_read，//讀坐標(biāo)
  release:
s3c2410_ts_release，
  #ifdef USE_ASYNC
Fasync:s3c2410_ts_fasync，//fasync（）函數(shù)
  #endif
  poll:s3c2410_ts_poll，//輪詢
}

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結(jié)構(gòu)中s3c2410_ts_open函數(shù)為file_operations中函數(shù)指針open所指向的函數(shù)，即打開觸摸屏設(shè)備時 open操作即為調(diào)用s3c2410_ts_open函數(shù)，完成觸摸屏初始狀態(tài)參數(shù)的設(shè)置、消息隊列初始化等。read所指向s3c2410_ts_

read函數(shù)主要是向消息隊列提供觸摸屏坐標(biāo)采集數(shù)據(jù)，以供應(yīng)用程序調(diào)用。s3c2410_ts_poll為查詢設(shè)備的可讀寫狀態(tài)，s3c2410_ts_release則在釋放設(shè)備時調(diào)用。

在觸摸屏驅(qū)動程序中定義了一組宏，用于控制觸摸屏和ADC進(jìn)入不同的工作模式，如等待中斷、X/Y位置轉(zhuǎn)換等。定義了觸摸屏結(jié)構(gòu)體TS_DEV包含一個緩沖區(qū)、自旋鎖、等待隊列和fasync_struct指針，結(jié)構(gòu)為：
typedef struct
{
  unsigned int penStatus；
  TS_RET buf[MAX_TS_BUF]; /*緩沖區(qū)*/
  unsigned int head,tail; /*緩沖區(qū)頭和尾*/
  wait_queue_head_t wq; /*等待隊列*/
   spinlock_t lock;
  #ifdef USE_ASYNC
struct fasync_struct *aq;
#endif
  struct cdev cdev;
}TS_DEV;

觸摸屏結(jié)構(gòu)體中的TS_RET包含屏幕的X、Y坐標(biāo)和觸摸狀態(tài)信息（PEN_DOWN、PEN_UP），這個信息會在用戶讀取觸摸屏信息時復(fù)制到用戶空間，結(jié)構(gòu)為：
typedef struct
{
  unsigned short pressure;
  unsigned short x；//X坐標(biāo)
  unsigned shorty；//Y坐標(biāo)
  unsigned short pad；
}TS_RET；

觸摸屏工作時會產(chǎn)生兩類中斷：一類是觸點中斷（INT_TC），一類是X/Y位置轉(zhuǎn)換中斷（INT_ADC）。使用函數(shù)s3c2410_isr_tc用來處理觸摸屏的觸點/抬起中斷，在觸點中斷發(fā)生后，若之前處于PEN_UP狀態(tài)，則應(yīng)該啟動X/Y位置轉(zhuǎn)換；當(dāng)處于PEN_DOWN狀態(tài)時，則調(diào)用函數(shù)tsEvent完成緩沖區(qū)的填充、等待隊列的喚醒和異步通知信號的釋放。使用函數(shù)s3c2410_isr_adc來處理X/Y位置轉(zhuǎn)換中斷，當(dāng)X/Y位置轉(zhuǎn)換中斷發(fā)生后，讀取X、Y的坐標(biāo)值，填入緩沖區(qū)。在函數(shù)s3c2410_isr_adc中通過調(diào)用函數(shù)s3c2410_get_XY來獲取X、Y坐標(biāo)的。最后由函數(shù)s3c2410_ts_poll實現(xiàn)輪詢接口，將等待隊列添加到結(jié)構(gòu)體poll_table中，當(dāng)緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時，返回資源可讀取標(biāo)志，否則返回0。函數(shù)s3c2410_ts_fasync完成觸摸屏對應(yīng)用程序的異步通知。在程序的最后，由函數(shù)__init s3c2410_ts_init和__exit s3c2410_ts_exit完成從內(nèi)核中加載和卸載觸摸屏驅(qū)動程序,加載函數(shù)__init s3c2410_ts_init還需要完成申請設(shè)備號、添加cdev、申請中斷、設(shè)置觸摸屏控制引腳等多項工作，卸載函數(shù)_exit s3c2410_ts_exit完成釋放設(shè)備號、刪除cdev、釋放中斷等工作[3]。

2.4 實驗操作過程

將編寫好的觸摸屏驅(qū)動ts.c文件拷貝到內(nèi)核源碼目錄“drivers/input/touchsreen/”下，并修改同目錄下的“Kconfig”和“Makefile”文件。在內(nèi)核配置單中添加觸摸屏編譯配置選項，修改Kconfig文件的第468行，添加如下內(nèi)容：

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config TOUCHSCREEN
tristate "TouchScreen input driver"
depends on ARCH_S3C2410 && INPUT &&
INPUT_TOUCHSCREEN
help
Say Y here if you have the TouchScreen.
and depends on ADC
If unsure, say N.
To compile this driver as a module, choose M here: the
module will be calLED ts.
在目錄的Makefile文件中添加觸摸屏的編譯條目，添加內(nèi)容如下：
obj-$(CONFIG_TOUCHSCREEN) += ts.o
內(nèi)核配置單的選擇：
Device Drivers --->
Input device support --->
  [*]   Touchscreens --->
  <*>   TouchScreen input driver

配置完畢后，保存配置單，然后編譯內(nèi)核，再將編譯好的鏡像下載到開發(fā)板中運(yùn)行。

2.5 觸摸屏的校準(zhǔn)

TQ2440出廠時使用的是Linux2.6.25.8內(nèi)核，觸摸屏已經(jīng)完成校準(zhǔn)，但本次實驗重新使用了最新的Linux2.6.30.4內(nèi)核，所以需要重新校準(zhǔn)。移植好內(nèi)核之后，下載了天嵌公司已經(jīng)做好的QT圖形界面到開發(fā)板，并重啟開發(fā)板，校準(zhǔn)時只需要將觸摸筆點中十字架的中心，然后進(jìn)行5點校準(zhǔn)，完畢后觸摸屏就可以正常使用。如圖1所示。

觸摸屏因其使用方便、快捷，而得到廣泛應(yīng)用。Linux系統(tǒng)因其源代碼公開、成本低廉、裁減性好、高效、靈活等特點，在嵌入式領(lǐng)域得到了很好的發(fā)展和應(yīng)用。本文介紹了觸摸屏的工作原理，對嵌入式Linux系統(tǒng)內(nèi)核源碼的觸摸屏驅(qū)動做了深入探討，編譯和下載Linux內(nèi)核到開發(fā)板上運(yùn)行，并且移植了QT圖形界面，觸摸屏校準(zhǔn)之后，使用情況良好。

參考文獻(xiàn)
[1] 吳金宏.觸摸屏技術(shù)及其應(yīng)用[J].家庭電子，1998，9(4)：96-99.
[2] 王立鳳．觸摸屏技術(shù)及其應(yīng)用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2006，35(1)：63-66.
[3] 宋寶華.Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2008.