基于ARM处理器S3C2440和Linux系统的I2C触摸屏设计

0  引言

随着计算机相关技术的发展，ARM嵌入式系统受到越来越广泛的应用，与人们生活的结合也越来越紧密。触摸屏设备因其友善的人机交互性，操作方便灵活，输入速度快，被广泛的应用于这种嵌入式领域中。嵌入式Linux系统具有开发源代码、内核稳定、可裁减性等特点，吸引着众多商业公司和自由软件开发者的目光，成为嵌入式系统领域不可或缺的操作系统之一。触摸屏是一种输入设备，操作简单易学，可靠性高，不占额外的空间，是最常用的便携式系统的输入设备。特别是电阻式触摸屏，它结构简单，成本低，透光效果好，工作环境和外界完全隔离，不怕灰尘和水气，同时具有高解析度、高速传输反应、一次校正、稳定性高、不漂移等特点，因而被广泛用于工业控制领域。

1  电阻式触摸屏的工作原理

触摸屏安装在显示屏的前端，主要由触摸屏检测部件和触摸屏控制器两部分组成。按照工作原理和传输信息的介质不同，触摸屏可分为电阻式、电容感应式、红外线式以及表面声波式。其中的电阻式触摸屏是在表面保护层和基层之间覆着2层透明导电层氧化铟，而这2个导电层分别对应x、y轴，它们之间有细微透明绝缘颗粒绝缘。当物品按在触摸屏上时，会产生压力，从而使触摸屏两导电层接通，一旦触摸屏检测部件监测到用户的触摸位置，就将获得的位置信息送入触摸屏控制器TSC2007，并对该写信号进行处理，将电压信号转换成数字信号，同时以中断的方式送至S3C2440处理器，计算出触点坐标。

2硬件结构

TSC2007是美国德州仪器(TI)公司推出的新一代4线制触摸屏控制器，它在与触摸屏配合使用时，一旦检测到笔或手指点触摸在屏上，可迅速得到该点的位置信号，从而达到在触摸屏表面上寻址的目的。

TSC2007是典型的逐步逼近式A／D变换器，其结构以电容再分布为基础，包含了取样／保持功能。TSC2007的引脚与TPSC2003的引脚完全兼容，具有片内温度测量、触摸压力测量和预处理三个功能。TSC2007的I2C接口，以标准模式、高速模式和超高速模式进行数据传输与通讯。为了与其他ARM芯片兼容，设计中没有使用S3C2440内置的A／D通道，而是采用了外扩控制器TSC2007的方法，通过I2C总线方式与S3C2440通信。由于在嵌入式系统I2C总线中，S3C2440是总线上的主机，TSC2007是从机，而I2C系统有2个引脚，分别是串行数据线SDA和串行时钟线SCL。因此，设计中S3C2440的GPE14和GPE15分别作为I2C总线的SCL和SDA线，其触摸屏控制器接口电路如图1所示，图中的SDA和SCL线都是双向的。

3触摸屏的驱动

在Linux系统中，设备驱动程序是一组相关函数的集合，它包括设备服务子程序和中断处理程序。其中的设备服务子程序包含了所有与设备相关的代码，每个设备服务子程序只处理一种设备或者紧密相关的设备，从设备无关的软件中接受抽象的命令并执行它。当执行一条请求时，具体操作是根据控制器对驱动程序提供的接口，并利用中断机制去调用中断服务子程序配合设备来完成这个请求。设备驱动程序利用结构file_operations与文件系统联系起来，设备的各种操作的入口函数放在结构file_operations中，其中包括open()、release()、read()和write()等接口，从而简化了驱动程序的编写工作。这样，应用程序根本不必考虑操作的是设备还是普通文件，可一律视为文件来处理，具有非常清晰统一的I／O接口。其触摸屏的file_operations结构定义如下：


本结构的主要作用是为不同的设备提供一致的接口。如在应用程序中，对不同设备进行读操作都使用read函数，写操作则都使用write函数。因此，编写触摸屏驱动的实际工作并不复杂。

3.1驱动工作流程

首先初始化触摸屏控制器，然后初始化脉宽调制计时器(PWM TIMER)，可以选择计时器4为时钟，定义10 ms中断1次，以提供触摸屏采样时间基准，即10 ms触摸屏采样1次。而后映射触摸屏中断向量和定时器中断向量到响应程序，触摸屏中断处理程序是判断触摸屏是否被按下了，若触摸屏被按下，则给全局变量Flag_Trouch赋值为Touch_Down，否则赋值为Touch_Up。若计时器中断处理程序判断Flag_Touch被赋值为Touch_Down，则给全局变量StartSample置位，以控制触摸屏采样。然后系统通过S3C2440_get_xy()获得采样值，对得到的触摸屏的数据进行处理。接下来是对触摸屏的校准，最后是中断的释放和注册模块的卸载。其具体的触摸屏驱动工作流程图如图2所示。
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3.2设备初始化模块

设备初始化模块的主要功能是：初始化设备、向内核注册设备等。具体实现函数如下：

初始化模块利用内核提供的request_irq函数，将触摸笔的按下与弹起的中断号进行登记，从而将中断号与中断服务函数联系起来；利用devfs_register_chrdev函数，向系统注册一个字符型设备；最后注册定时器中断，用来控制触摸屏的数据采样。

3.3采样值的获得

首先启动TSC2007的A／D转换。等待一段时间后，调用S3C2440_get_xy ()函数，这个函数的功能是获得触摸屏的位置，首先从TSC2007的一个通道获得x的坐标值，然后在从另一个通道获得y的坐标值，判断返回触摸点坐标值是否在有效范围内，如果在有效范围内则采样标志ts_pressure=1，如果不在有效范围之内，其采样标志ts_pressure=0。read函数中通过调用copy_to_user(buffer，dbuf，length)，可将内核空间数据拷贝到用户空间。

3.4采样值的处理

函数Touch_Coordinate Conversion完成触摸屏采样值转换成显示坐标，其中TOUCH_MAX_Y和TOUCH_MIN_Y是触摸屏X坐标采样值的最大和最小值；X坐标同理。若使用的是320×240的TFT屏，则Y坐标的转换程序如下：

3.5触摸屏的校准

在实际的应用中，通常触摸屏是作为与显示屏配合使用的输入设备，需要从触摸屏采样得到的坐标与屏幕的显示坐标做一个映射。文中触摸屏设计采用的是三点校准的方法，与两点校准相比，三点校准的模型考虑到变相和旋转，更接近实际情况。应用中首先选取3个相距较远且不在一条线上的3个作为校准输人的独立采样点，它们相应的触摸屏采样坐标是P0(x0，y0)、P1(x1，y1)、P2(x2，y2)，显示坐标是PD0(xD0，yD0)、PD1(xDl，yD1)、PD2(xD2，yD2)。直角坐标平面的两个点P和PD，定义P为触摸屏空间的坐标点，PD为显示屏空间的坐标点，P可以经过旋转、比例和平移得到PD坐标。PD和P点之间存在一次线性关系满足：xD=Ax+By+C，yD=Dx+Ey+F。对于同一个设备，其中的A、B、C、D、E、F为常数，称为校准常数，故只需在触摸屏校准时，解出这6个常数，就可以实现触摸屏空间
到显示空间的转换。

3.6中断释放和注册模块的卸载

设计中通过调用s3c2440_ts_cleanup_module0来实现中断的释放和设备的卸载，分别将它们释放在初始化过程中，其申请的IRQ_TIMER4、IRQ_ADC_DONE、IRQ_TC的中断和字符设备的接口函数devfs_register_chrdev ()具体如下：



4结束语

文中基于S3C2440的触摸屏驱动开发，考虑到与其他的ARM芯片兼容性，并没有使用ARM自带的A／D通道，而是外扩了触摸屏控制器TSC2007。对TSC2007的初始化，主要是初始化TSC2007与S3C2440的I2C接口连接，在驱动流程中，如果触摸笔按下就进人中断处理程序，读取x，y坐标，在采样函数中设置了一个copy_to_user(buffer，dbuf，length)函数，将从触摸屏连续测的数据，送入存储区。

结合实际的硬件平台，这个基于嵌入式Linux操作系统下I2C总线接口触摸屏设计，采用的是处理采样数据的方法，同时运用了改进的校准方法，从而使该触摸屏驱动更能满足实际的要求。