基于S3C2410微处理器的触摸屏设计

    触控屏（Touch panel）又称为触控面板，是个可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。

    随着多媒体信息查询的与日俱增，人们越来越多地谈到触摸屏，因为触摸屏不仅适用于中国多媒体信息查询的国情，而且触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。利用这种技术，我们用户只要用手指轻轻地碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，从而使人机交互更为直截了当，这种技术大大方便了那些不懂电脑操作的用户。

　　触摸屏作为一种的电脑输入设备，它是目前简单、方便、自然的一种人机交互方式。

    如何在系统中集成触摸屏模块以及在嵌入式操作系统中实现其驱动程序，都成为嵌入式系统设计者需要考虑的问题。本文主要介绍在三星S3C2410X微处理器的硬件平台上进行基于嵌入式Linux的触摸屏驱动程序设计。

　　硬件实现方案

　　SPI（Serial Peripheral Interface--串行外设接口）总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。

　　SPI接口是在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输，在主器件的移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后，为全双工通信，数据传输速度总体来说比I2C总线要快，速度可达到几Mbps。SPI接口采用全双工、四线通信系统，S3C2410X是三星推出的自带触摸屏接口的ARM920T内核芯片，ADS7843是一款性能优异的触摸屏控制器。

　　S3C2410X微处理器时一款由samsung公司为手持设备设计的低功耗、高集成度的基于ARM920T核的微处理器，为了降低系统总成本和减少外围器件，这款芯片还集成了以下部件：16KB指令Cache、16KB数据Cache、MMU、外部存储器控制器、LCD控制器、NAND FLASH控制器、4个DMA通道、3个UART通道、1个IIC总线控制器、1个IIS总线控制器、4个PWM定时器、1个内部定时器、通用IO口、实时时钟、8通道10位ADC和触摸屏接口、USB主、USB从、SD/MMC卡接口等，现在它广泛应用于PDA、移动通信、路由器、工业控制等领域。ADS7843是一个内置12位模数转换、低导通电阻模拟开关的串行接口芯片。供电电压2.7~5 V，参考电压VREF为1 V~+VCC，转换电压的输入范围为0~ VREF，转换速率为125 kHz。

　　本文采用SPI接口的触摸屏控制器ADS7843外接四线电阻式触摸屏，这种方式显著的特点就是响应速度更快、灵敏度更高，微处理器与触摸屏控制器间的通讯时间大大减少，提高了微处理器的效率。鉴于ADS7843差分工作模式的优点，在硬件电路中将其配置为差分模式。

　　ADS7843与S3C2410的硬件连接如所示。

触摸屏输入系统示意图

　　嵌入式Linux系统下的驱动程序

　　设备驱动程序是Linux内核的重要组成部分，控制了操作系统和硬件设备之间的交互。Linux的设备管理是和文件系统紧密结合的，各种设备都以文件的形式存放在/dev目录下，成为设备文件。应用程序可以打开、关闭、读写这些设备文件，对设备的操作就像操作普通的数据文件一样简便。为开发便利、提高效率，本设计采用可安装模块方式开发调试触摸屏驱动程序。

　　设备驱动在加载时首先需要调用入口函数init_module（），该函数完成设备驱动的初始化工作。其中重要的工作就是向内核注册该设备，对于字符设备调用register_chrdev（）完成注册，对于块设备需要调用register_blkdev（）完成注册。

　　注册成功后，该设备获得了系统分配的主设备号、自定义的次设备号，并建立起与文件系统的关联。字符设备驱动程序向Linux内核注册登记时，在字符设备向量表chrdevs中增加一个device_struct数据结构条目，这个设备的主设备标识符用作这个向量表的索引。向量表中的每一个条目，即一个device_struct数据结构包括两个元素：一个登记的设备驱动程序的名称的指针和一个指向一组文件操作的指针。这块文件操作本身位于这个设备的字符设备驱动程序中，每一个都处理特定的文件操作，比如打开、读写和关闭。

　　所谓登记，就是将由模块提供的file_operations结构指针填入device_struct数据结构数组的某个表项。登记以后，位于上层的模块（内核）可以“看见”这个模块了。但是，应用程序却还不能“看见”它，因而还不能通过系统调用它。要使应用程序能“看见”这个模块或者它所驱动的设备，就要在文件系统中为其创建一个代表它的节点。通过系统调用mknod（）创建代表此项设备的文件节点——设备入口点，就可使一项设备在系统中可见，成为应用程序可以访问的设备。另外，设备驱动在卸载时需要回收相应的资源，令设备的相应寄存器值复位并从系统中注销该设备。

　　Linux操作系统通过系统调用和硬件中断完成从用户空间到内核空间的控制转移。设备驱动模块的功能就是扩展内核的功能，主要完成两部分任务：一个是系统调用，另一个是处理中断。

设备驱动在内核中的挂接、卸载和系统调用过程

　　是一个设备驱动模块动态挂接、卸载和系统调用的全过程。系统调用部分则是对设备的操作过程，比如open，read，write，ioctl等操作，设备驱动程序所提供的这组入口点由几个结构向系统进行说明，分别是file_operations数据结构、inode数据结构和file 数据结构。内核内部通过file结构识别设备，通过file_operations数据结构提供文件系统的入口点函数，也就是访问设备驱动的函数，结构中的每一个成员都对应着一个系统调用。在嵌入式系统的开发中，我们一般仅仅实现其中几个接口函数：read、write、open、ioctl及release就可以完成应用系统需要的功能。写驱动程序的任务之一就是完成file_operations中的函数指针。

　　触摸屏驱动程序设计

　　触摸屏驱动程序中重要数据结构

　　typedef struct

    {

　　unsigned short pressure;

　　unsigned short x;

　　unsigned short y;

　　unsigned short pad;

　　} TS_RET;

　　typedef struct

    {

　　unsigned int PenStatus;

　　TS_RET buf[MAX_TS_BUF];

　　unsigned int head, tail;

　　wait_queue_head_t wq;

　　spinlock_t lock;

　　} TS_DEV;

　　static struct file_operations s3c2410_fops = {

　　owner: THIS_MODULE,

　　open: s3c2410_ts_open,

　　read: s3c2410_ts_read,

    release: s3c2410_ts_release,

　　poll: s3c2410_ts_poll,

    };

　　在程序中有三个重要的数据结构：用于表示笔触点数据信息的结构TS_RET，表示ADS7843中有关触摸屏控制器信息的结构TS_DEV，以及驱动程序与应用程序的接口file_operations结构的s3c2410_fops。

　　TS_RET结构体中的信息就是驱动程序提供给上层应用程序使用的信息，用来存储触摸屏的返回值。上层应用程序通过读接口，从底层驱动中读取信息，并根据得到的值进行其他方面的操作。

　　TS_DEV结构用于记录触摸屏运行的各种状态，PenStatus包括PEN_UP、PEN_DOWN和PEN_FLEETING。buf[MAX_TS_BUF]是用来存放数据信息的事件队列，head、tail分别指向事件队列的头和尾。程序中的笔事件队列是一个环形结构，当有事件加入时，队列头加一，当有事件被取走时，队列尾加一，当头尾位置指针一致时读取笔事件的信息，进程会被安排进入睡眠。wq等待队列，包含一个锁变量和一个正在睡眠进程链表。当有好几个进程都在等待某件事时，Linux会把这些进程记录到这个等待队列。它的作用是当没有笔触事件发生时，阻塞上层的读操作，直到有笔触事件发生。lock使用自旋锁，自旋锁是基于共享变量来工作的，函数可以通过给某个变量设置一个特殊值来获得锁。而其他需要锁的函数则会循环查询锁是否可用。MAX_TS_BUF的值为16，即在没有被读取之前，系统缓冲区中多可以存放16个笔触数据信息。

　　s3c2410_fops就是内核对驱动的调用接口，完成了将驱动函数映射为标准接口。上面的这种特殊表示方法不是标准C的语法，而是GNU编译器的一种特殊扩展，它使用名字进行结构字段的初始化，它的好处体现在结构清晰，易于理解，并且避免了结构发生变化带来的许多问题。

　　接口函数s3c2410_ts_read（ ）

　　这个函数实现的任务是将事件队列从设备缓存中读到用户空间的数据缓存中。实现的过程主要是通过一个循环，只有在事件队列的头、尾指针不重合时，才能成功的从tsdev.tail指向的队列尾部读取到一组触摸信息数据，并退出循环。否则调用读取函数的进程就要进入睡眠。

　　坐标读取函数s3c2410_get_XY（）

　　在定时器中断处理程序中，当查询到与相连的EINT5/GPF5为低电平时，即表示有有效事件，应该调用s3c2410_get_XY（）函数采集笔触信息。

　　module_exit（）

　　该函数调用s3c2410_ts_exit（），主要任务是撤销驱动程序向内核的登记以及释放申请的中断资源。

　　init_module函数

　　在函数内部通过s3c2410_ts_init（ ）实现模块的初始化工作。在本设计中设备与系统之间以中断方式进行数据交换。整个触摸屏的驱动程序处理比较复杂，而且耗时较长，因而触摸屏驱动程序不可能在中断服务程序中完成。在Linux操作系统中一般把中断处理切为两个部分或两半。中断处理程序是上半部——接收到一个中断，它就立即开始执行，但只做有严格时限的工作，例如对接收的中断进行应答或复位硬件。这些工作都是在所有中断被禁止的情况下完成的，能够被允许稍后完成的工作会推迟到下半部去。在Linux中下半部的实现有多种机制。

　　当按触摸屏时，ADS7843输出的数值会有一个抖动过程，即从ADS7846输出的数值有一个不稳定时期，这个过程大约为10ms。所以中断处理程序的下半部处理函数采用内核定时器机制，使下半部在中断发生50ms后再作处理。这样有效地避开了ADS7843输出值的不稳定时期，使中断服务程序和中断处理任务串行化，达到了处理时间较长的触摸屏事件的目的。驱动程序通过request_irq函数注册并激活一个中断处理程序，以便处理中断。

　　int reguest_irq（unsigned int irq, void（*handler）（int, void *, struct pt_regs *）， unsigned long irq_flags, const char *dev_name, void *dev_id）

　　上面的程序中，handler为向系统登记的中断处理子程序，中断产生时由系统来调用；参数irq表示所要申请的中断号；dev_id为申请时告诉系统的设备标识符；dev_name为设备名；irq_flags是申请时的选项，它决定中断处理程序的一些特性，其中重要的是中断处理程序是快速处理程序还是慢速处理程序。

　　本设计中触摸屏控制器ADS7843的中断输出通过外部中断5接在中断控制器上，当触摸屏上有触摸事件发生时，会引发中断号为IRQ_EINT5的中断服务程序s3c2410_isr_tc（）。

　　所示为该中断处理程序的流程图。

触摸屏硬件中断处理程序流程图

　　在s3c2410_isr_tc（）中设定了定时器的定时时间为50ms，并立即激活。因此有触摸屏硬件中断的情况下50ms后就会引发定时中断，中断服务程序为ts_timer_handler（），这个程序实现了触摸屏中断的下半部，即在过了抖动时间之后如果触摸屏确实有有效事件发生则采集触摸屏坐标，并将定时器的时间重新设为100ms并重新激活，这样做的目的是如果触摸笔是拖动的情况，以后每100ms采集坐标值，并存入缓冲区，如果不是拖动在采集坐标值之后，在第二次进入ts_timer_handler（）时，查询管脚的状态值，则变为高电平，就将触摸屏状态tsdev.PenStatus设为PEN_UP，并释放定时器，为下次触摸屏事件做好准备。

　　定时中断服务程序流程图如所示。

定时中断服务程序流程图

　　在s3c2410_ts_init（）中的另一个重要任务是执行接口函数s3c2410_ts_open（），在这个函数中初始化缓冲区的头尾指针、触摸屏状态变量及触摸屏事件等待队列。

　　ADS7843有多种转换时序，时序规定了芯片与设备及CPU间是如何配合工作的。设计中采用16个时钟周期启动转换的坐标转换方式。

　　ADS7843的操作时序如所示。

　　坐标的读取是通过多次采集取平均值的方法，以X坐标的读取为例，其读取过程如所示。循环过程中的每一步都在8个时钟周期内完成，数据的处理严格按照时序进行，Y坐标的采集与X坐标类似。

ADS7843操作时序

X坐标采集流程

　　在本文触摸屏的设计中，抗干扰设计无疑是个难点和重点，且直接关系到触摸屏的工作性能。实验发现坐标采集时，丢弃次采集值读取的坐标转换值效果较好。

　　本文所介绍的驱动程序已经在博创公司的教学实验设备UP-NETARM2410-S平台上经过实际验证，从数据稳定性和系统负载的角度看，效果良好。同时通过修改程序内部的定时器时钟频率可以改变笔在屏上移动所产生的数据量。

　　触摸屏发展趋势

　　目前触摸屏的应用范围从以往的银行自动柜员机、工控计算机等小众商用市场，迅速扩展到手机、PDA、 GPS（定位系统）、PMP（MP3，MP4等），甚至平板电脑（Tablet PC）等大众消费电子领域。展望未来，触控操作简单、便捷，人性化的触摸屏有望成为人机互动的界面而迅速普及。 　　目前的触控技术尚存在屏幕所使用的材源透光较差影响显示画面的清晰度，或者长期使用后出现坐标漂移、影响使用等问题。而且，主要触摸屏生产大厂多集中在日、美、韩等国家以及我国台湾地区；主要技术、关键零组件和原材料更是基本掌握在日、美厂商手中，中国大陆的触摸屏/触控面板产业还基本处于起步阶段。但正因如此，整个触控行业未来的上升空间还非常大，它也有望成为我国电子企业今后创新发展、大有作为的重要领域。触摸屏目前主要还是集中在小尺寸上的应用，未来的发展将是一个触控和遥控的世界，所以大尺寸触摸屏的发展是目前触摸屏发展的趋势，创科恒远在大尺寸触摸屏的领域上发展有着先进的技术，尤其是多点触摸的应用领域，其在WINDOWS7下开发的多点触摸技术已经广发应用于市场，在市场的应用中给了民众耳目一新的感觉，深的广大民众的喜爱。所以未来的世界是个触控的世界，是个遥控的世界，大尺寸触摸屏的发展有着广泛的空间。

数据资料：ADS7843.PDF

 

  

参考文献:

[1]. S3C2410X datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/S3C2410X_589566.html.
[2]. ARM920T datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ARM920T_139814.html.
[3]. ADS7843 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ADS7843_1055179.html.
[4]. ADS7846 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ADS7846_1056189.html.