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触摸屏函数坐标基于TQ2440和Linux的触摸屏的驱动研究

天嵌公司生产的TQ2440开发板,微处理器采用Samsung S3C2440AL,板载64 MB SDRAM、256 MB Nand Flash、2 MB Nor Flash,板载5线异步串行口(UART0)、100 Mb/s DM9000网卡、USB HOST接口、USB Device接口和一个SD卡接口,集成了4线电阻式触摸屏接口和JTAG接口等,音频接口采用芯片UDA1341,立体声音频输出,可录音。
1.2 S3C2440处理器简介
S3C2440是由三星公司推出的16/32 bit RISC微处理器,最高主频可达533 MHz,为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。处理器内部集成SDRAM控制器、LCD控制器、4通道DMA、3通道UART、I2C总线、I2S总线、SD接口、PWMtimer、触摸屏接口、8通道10 bit A/D控制器和camera接口等,很便于一般开发。
1.3 触摸屏
按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质一般可分为4种,分别为电阻式、红外线式、电容感应式以及表面声波式。本次设计采用的是东华3.5英寸触摸屏,为4线电阻式触摸屏。具体参数为:型号: WXCAT35-TG3#001F;尺寸:103 mm×83 mm;显示面积:70.08 mm(H)×52.56 mm(V);显示颜色:16.7兆色分辨率;对比度:300:1;亮度:320 cd/m2;电源:5 V电压供电。
电阻式触摸屏利用压力感应进行控制,由触摸检测部件和触摸屏控制器组成。触摸检测部件安装在显示器屏幕前面,用于检测用户触摸位置,并将触摸位置信息送到触摸屏控制器;触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息,并将它转换成触点坐标,再送给CPU,它同时能接收来自CPU的命令并加以执行。触摸屏的屏体部分是一块与显示器表面非常配合的多层复合薄膜,由一层玻璃或有机玻璃作为基层,表面涂有一层透明的导电层氧化铟(OTI),上面再覆盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料层,它的内表面也涂有一层OTI,在两层导电层之间有许多细小(小于1/1 000)的透明隔离点把它们隔开绝缘。当手指接触屏幕时,两层OTI导电层将出现一个接触点,因其中一面导电层接通Y轴方向的5 V均匀电压场,使得侦测层的电压由零变为非零,控制器侦测到这个接通数据后,进行 A/D转换,并将得到的电压值与5 V相比较,即可得出触摸点的Y轴坐标。同理可得出X轴的坐标。
S3C2440的触摸屏接口包括触摸触点控制逻辑和有中断产生逻辑的ADC接口逻辑,可以控制或选择触摸屏触点用于XY坐标的转换。触摸屏接口为了完成相应的工作,具有4种工作模式[2]:
(1)正常转换模式:此模式与通用的AD转换模式相似,可以在ADCCON(ADC控制寄存器)中设置,在ADCDAT0(ADC数据寄存器0)中完成数据读写。
(2)X/Y坐标各自转换:触摸屏控制器支持两种转换模式,X/Y坐标各自转换与X/Y坐标自动转换。各自转换是在X模式下,将X坐标写入ADCDAT0后产生中断;在Y模式下,将Y坐标写入ADCDAT1后产生中断。
(3)X/Y坐标自动转换:在此模式下,触摸屏控制器先后转换触摸点的X坐标与Y坐标。当X坐标与Y坐标都转换完成时,中断控制器产生中断。
(4)等待中断模式:当触摸笔按下时,触摸屏产生中断(INT_TC)。等待中断模式必须将寄存器rADCTSC设置为0xd3;在触摸屏控制器产生中断以后,必须将此模式清除。
如果GCLK是50 MHz且预分频器的分频值设置为49 MHz,10 bit的转换时间按下式计算:
A/D转换频率=50 MHz/(49+1)MHz=1 MHz
转换时间=1/(1 MHz/5个周期)=1/200 kHz=5 ?滋s,可见转换时间很短。
2 触摸屏驱动程序
2.1 建立嵌入式Linux系统开发环境

建立此开发环境的步骤为:
(1)在Windows XP SP3系统下安装虚拟机vmware5.5.3,在虚拟机里安装Redhat9.0系统。在Redhat9.0系统下编译开发板所需的镜像和文件,使用虚拟机工具实现了Windows和Redhat的文件共享,在Windows系统下可以直接下载镜像和文件到开发板上。
(2)使用Windows XP SP3自带的超级终端,并使用串口线连接PC和开发板。这样就可以在PC上对开发板进行相关的操作。
(3)本次实验开发板使用的是Linux2.6.30.4内核,而Redhat9.0系统是2.4.20.8内核,所以需要下载适合开发板的编译器。下载最新版本的支持EABI技术的交叉编译器(本次实验使用的是EABI_4.3.3_2009版本),复制到Redhat9.0系统目录/opt/EABI_4.3.3_2009/下,打开系统文件/etc/profile(可在终端使用命令vim /etc/profile),添加相应语句(本次实验使用vim命令打开profile文件,在第20行添加语句pathmunge/opt/EABI_4.3.3_2009/4.3.3/bin)让编译器生效,这样就可以在PC上交叉编译开发板所需要的文件。至此开发环境已经建立。
2.2 Linux内核的移植
本次实验使用的boatload是天嵌公司自己开发的u-boot,用J-TAG烧写方式写入NOR Flash,然后便可以使用u-boot自带的USB下载(需要在Windows下安装USB下载驱动程序)功能下载开发板上需要的Linux内核镜像了,这样方便而且高效。下载Linux2.6.30.4内核源代码,复制到Redhat9.0系统目录/opt下,并解压。在目录/opt/linux2.6.30.4/目录下便可以进行修改和编译开发板上需要的内核镜像。在移植触摸屏驱动之前,需要移植板载256 MB NAND Flash的驱动、yaffs文件系统,这样便完善了串口驱动程序,最后移植LCD屏的驱动。

2.3 触摸屏驱动程序
Linux系统将存储器和外设分为字符设备、块设备、网络设备三大类。触摸屏属于字符设备,以串行顺序依次进行访问。在Linux系统中,以文件名的形式在/dev目录下建立触摸屏设备文件, 应用程序可以通过系统调用函数open()打开此文件,建立起与设备的连接,然后通过函数read()、write()、release()、ioctl()等常规的文件操作对目标设备进行操作。Linux为了把所有的设备当作文件系统进行管理,为所有的文件及设备文件定义了统一的操作函数接口file_operations,每个文件都通过指向file_operations结构的指针字段与它自己的函数集相关联。file_operations中成员为一系列指向各操作函数的指针,这些操作函数主要负责系统调用的实现,不同类型的设备文件系统有不同类型的file_operations结构[4]。触摸屏的 file_operations 结构定义为:
static struct file_operation s3c2410_fops=
{
owner: THIS_MODULE,
open: s3c2410_ts_open, //打开
read: s3c2410_ts_read, //读坐标
release:
s3c2410_ts_release,
#ifdef USE_ASYNC
Fasync:s3c2410_ts_fasync,//fasync()函数
#endif
poll:s3c2410_ts_poll,//轮询
}
结构中s3c2410_ts_open函数为file_operations中函数指针open所指向的函数,即打开触摸屏设备时 open操作即为调用s3c2410_ts_open函数,完成触摸屏初始状态参数的设置、消息队列初始化等。read所指向s3c2410_ts_
read函数主要是向消息队列提供触摸屏坐标采集数据,以供应用程序调用。s3c2410_ts_poll为查询设备的可读写状态,s3c2410_ts_release则在释放设备时调用。
在触摸屏驱动程序中定义了一组宏,用于控制触摸屏和ADC进入不同的工作模式,如等待中断、X/Y位置转换等。定义了触摸屏结构体TS_DEV包含一个缓冲区、自旋锁、等待队列和fasync_struct指针,结构为:
typedef struct
{
unsigned int penStatus;
TS_RET buf[MAX_TS_BUF]; /*缓冲区*/
unsigned int head,tail; /*缓冲区头和尾*/
wait_queue_head_t wq; /*等待队列*/
spinlock_t lock;
#ifdef USE_ASYNC
struct fasync_struct *aq;
#endif
struct cdev cdev;
}TS_DEV;
触摸屏结构体中的TS_RET包含屏幕的X、Y坐标和触摸状态信息(PEN_DOWN、PEN_UP),这个信息会在用户读取触摸屏信息时复制到用户空间,结构为:
typedef struct
{
unsigned short pressure;
unsigned short x;//X坐标
unsigned shorty;//Y坐标
unsigned short pad;
}TS_RET;
触摸屏工作时会产生两类中断:一类是触点中断(INT_TC),一类是X/Y位置转换中断(INT_ADC)。使用函数s3c2410_isr_tc用来处理触摸屏的触点/抬起中断,在触点中断发生后,若之前处于PEN_UP状态,则应该启动X/Y位置转换;当处于PEN_DOWN状态时,则调用函数tsEvent完成缓冲区的填充、等待队列的唤醒和异步通知信号的释放。使用函数s3c2410_isr_adc来处理X/Y位置转换中断,当X/Y位置转换中断发生后,读取X、Y的坐标值,填入缓冲区。在函数s3c2410_isr_adc中通过调用函数s3c2410_get_XY来获取X、Y坐标的。最后由函数s3c2410_ts_poll实现轮询接口,将等待队列添加到结构体poll_table中,当缓冲区有数据时,返回资源可读取标志,否则返回0。函数s3c2410_ts_fasync完成触摸屏对应用程序的异步通知。在程序的最后,由函数__init s3c2410_ts_init和__exit s3c2410_ts_exit完成从内核中加载和卸载触摸屏驱动程序,加载函数__init s3c2410_ts_init还需要完成申请设备号、添加cdev、申请中断、设置触摸屏控制引脚等多项工作,卸载函数_exit s3c2410_ts_exit完成释放设备号、删除cdev、释放中断等工作[3]。

2.4 实验操作过程
将编写好的触摸屏驱动ts.c文件拷贝到内核源码目录“drivers/input/touchsreen/”下,并修改同目录下的“Kconfig”和“Makefile”文件。在内核配置单中添加触摸屏编译配置选项,修改Kconfig文件的第468行,添加如下内容:
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 calledts.
在目录的Makefile文件中添加触摸屏的编译条目,添加内容如下:
obj-$(CONFIG_TOUCHSCREEN) += ts.o
内核配置单的选择:
Device Drivers --->
Input device support --->
[*] Touchscreens --->
<*> TouchScreen input driver
配置完毕后,保存配置单,然后编译内核,再将编译好的镜像下载到开发板中运行。
2.5 触摸屏的校准
TQ2440出厂时使用的是Linux2.6.25.8内核,触摸屏已经完成校准,但本次实验重新使用了最新的Linux2.6.30.4内核,所以需要重新校准。移植好内核之后,下载了天嵌公司已经做好的QT图形界面到开发板,并重启开发板,校准时只需要将触摸笔点中十字架的中心,然后进行5点校准,完毕后触摸屏就可以正常使用。如图1所示。

触摸屏因其使用方便、快捷,而得到广泛应用。Linux系统因其源代码公开、成本低廉、裁减性好、高效、灵活等特点,在嵌入式领域得到了很好的发展和应用。本文介绍了触摸屏的工作原理,对嵌入式Linux系统内核源码的触摸屏驱动做了深入探讨,编译和下载Linux内核到开发板上运行,并且移植了QT图形界面,触摸屏校准之后,使用情况良好。

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