基于嵌入式技术的智能仪器触摸屏接口设计

分类：技术教程日期：2012-10-23 00:00:00 来源：西部工控网

　　在现代化生产中，为了确保机械设备安全可靠地运行，通常要采用适宜的仪器仪表，利用故障诊断技术及时发现故障，并采取合理的维修或保护措施来排除故障，预防和避免事故的发生。基于对仪器尺寸、便携性和操作方便性的考虑，在工业领域如煤炭、钢铁、冶金、电力、化工等行业中大量的仪器仪表和设备，都逐渐选用触摸屏作为系统的输入设备。

　　针对这一情况，作者在开发面向机械故障诊断的智能仪表过程中，对触摸屏输入接口进行了研究。设计了四线电阻式触摸屏与PXA255 处理器的接口电路，分析了Linux框架下的字符设备驱动程序设计原理，完成了触摸屏的接口驱动程序开发，并设计了用触摸屏作为输入设备的MiniGU I用户程序。触摸屏作为仪器的输入设备，人机交互直截了当，大大方便了现场操作人员的使用。

　　1 硬件结构和工作原理

　　依据工作原理和传输介质的不同，触摸屏主要分电阻式、电容式、红外线式以及表面声波式等多种类型。电阻式触摸屏是一块4层透明的复合薄膜屏，如图1所示。下面是玻璃或有机玻璃构成的基层; 上面是一层外表面经过硬化处理从而光滑防刮的塑料层; 中间是两层金属导电层，在导电层之间有许多细小的透明隔离点把两层隔开。两个金属导电层是触摸屏的工作面，其两端各涂有一条银胶，称为触摸屏工作面的一对电极。四线式触摸屏的X 工作面和Y 工作面分别加在两个导电层上，共有4根引出线，分别连到触摸屏的X 电极对和Y 电极对上。在触笔触摸屏幕时，两导电层在接触点处接触。电阻式触摸屏作为输入设备与显示屏配合使用时，其工作的实质就是通过测量X、Y两个方向电阻的分压，确定触摸屏的触点坐标，并将该坐标映射到显示屏坐标上，从而实现人机交互。由于电阻式触摸屏工作面与外界完全隔离，受环境影响小，所以具有不怕灰尘和水汽、稳定性高、不漂移等优点，特别适合工业现场使用。

　　图1 电阻式触摸屏结构

　　在设计过程中，选用ADS7843 作为触摸屏接口的AD转换芯片，它具有12 位的转换精度，最大支持4 096 ×4 096点阵的LCD, 满足仪器设计要求。

　　仪器系统处理器选用Intel Xscale架构的PXA255处理器，用其GPIO口模拟SPI接口与ads7843进行通信。其接口原理如图2所示。ADS7843完成采集通道的切换和接触点处电压的采集，其操作时序主要由控制字输入、电压采集和模数转换组成，详见参考文献。只要在驱动程序中根据时序要求向D IN口发送控制字，即可从DOUT处得到相应通道的采集结果。

　　图2 ADS7843与PXA255的接口电路

　　2 触摸屏接口驱动程序

　　Linux驱动程序是系统内核的一部分，它把软件和硬件分离开来，并向上提供应用程序访问硬件的通信接口，向下管理保护系统硬件。触摸屏在Linux下被定义为字符设备，其驱动主要完成触点电压的采集，并向用户空间传递X 坐标、Y坐标和笔动作(按下、抬起或拖拽) 数据。当触笔按下时， ADS7843的11脚输出低电平，触发PXA255通用IO口的12脚产生外部中断，开启定时器，实现触摸屏的动作。触摸屏的驱动流程如图3所示。

　　图3 触摸屏驱动程序结构流程

　　2.1 驱动的编写

　　触摸屏驱动在Linux框架下属于字符设备驱动。

　　驱动的入口函数为ads7843 _ ts_ init ( ) , 在该函数中，初始化I/O口，注册笔中断和设备节点，完成设备文件系统创建标准字符设备的初始化工作[ 8 - 10 ].触摸屏设备操作的结构通过ads7843_ts_fop s定义。

　　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,

　　};

　　这样，只需根据实际需要正确定义该结构中的几个函数过程，就可完成设备驱动的开发。

　　当触摸屏设备被打开时，首先执行到ads7843_ts_open ( )函数，并在该函数中，初始化一个缓冲区，用于存储坐标数据。在触摸屏被按下后，系统首先触发中断，在ads7843_ts_interrup t ( )中断程序中，判断in_timehandle全局变量的状态， in_ timehandle在定时器函数中被改变，也就是说进入中断后，先经过定时器延时20ms, 完成触摸屏的软件去抖，再判断触摸屏是否被按下。然后通过read_xy ( )函数分别切换至X和Y 通道，完成触点电压的AD转换，并读取12 位坐标值。

　　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) ;

　　}

　　应用程序调用read ( ) 函数时，进入驱动的ads7843_ts_read ( )接口函数。在该接口函数中获取采样结果，判断是否要对坐标进行校准，将最终结果写入到缓冲区中，并通过copy_to_user ( )函数将其从内核空间复制到用户空间，以使应用程序能够使用。在ads7843_ts_read ( )函数中采用了非阻塞型操作，使得在没有数据到达的时候立即返回，然后用异步触发fasync ( )来通知数据的到来。ads7843 _ ts_poll ( )函数用于驱动程序的非阻塞操作， ads7843_ts_fasync ( )函数用于驱动异步触发。ads7843_ts_ioctl ( )函数中，提供了可从用户态控制的参数，如触摸屏是否在驱动中校准、屏幕的最大最小坐标值等。ads7843_ts_release( )函数用来关闭触摸屏设备。

　　2.2 触摸屏的校准

　　在仪器开发过程中，触摸屏作为输入设备与LCD配合使用。为了能使从触摸屏采样得到坐标与屏幕的显示坐标对应，还需要做一个映射，也就是要对触摸屏进行校准。如图4所示，所用的触摸屏和液晶屏都是标准的矩形，只要安装合理，可以认为触摸屏的X 方向坐标只与显示屏X 方向相关， Y方向坐标只与显示屏的Y方向相关。假设显示屏的分辨率是W ×H, 显示区域的左上角对应的触摸屏采样坐标是( x1 , y1 ) ,右下角对应的坐标是( x2 , y2 ) , 那么触摸屏上任意一点采样坐标( x, y) 与显示屏坐标( xd , yd ) 的对应关系可以按照如下公式计算：

　　这样，在测得( x1 , y1 ) 和( x2 , y2 ) 点触摸屏的采样值后，利用上述公式编制校准函数，在触摸屏工作的过程中，计算出实际触摸点对应的显示坐标，完成触摸屏的校准。

　　图4　触摸屏的校准

　　3 触摸屏用户应用程序

　　创建的Linux设备文件系统触摸屏节点为/dev/ts.在应用程序中，可以像打开文件一样用open函数打开设备文件，然后用read ( )函数读取由驱动传递到用户空间的数据。仪器应用程序的开发采用MiniGU I进行， MiniGU I是由北京飞漫公司开发，可应用于实时嵌入式系统中的轻量级图形用户界面支持系统。其函数接口与Windows SDK类似，开发方便。

　　MiniGU I的输入抽象层( IAL: Input Abstract Layer)提供了对触摸屏、鼠标等输入设备的丰富支持，并支持PXA255处理器平台。只要经过简单的设置就可以在应用程序中使用触摸屏。配置安装MiniGU I时，使用22enable2px255bial项，由于在安装MiniGU I时采用了内嵌资源的静态编译方式，所以在编译之前，需在MiniGU I的src / sysres/目录下建立mgetc2pxa1c 文件，并在其中用下面语句设置系统参数，将触摸屏设为输入设备。

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

　　MiniGU I对触摸屏输入的处理方式如图5 所示。