嵌入式Linux系统中触摸屏驱动的研究

引言

随着计算机相关技术的发展，嵌入式系统的应用越来越广泛，与人们生活紧密结合。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，不占额外的空间，可靠性高，是最常用的便携式系统的输入设备。特别是电阻式触摸屏结构简单，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，因而广泛用于工业控制领域及在室内使用。

1 硬件平台

S3C2410是Samsung公司基于ARM 920T核心的一款MCU，集成了众多的外围设备，其中包括4线电阻式触摸屏控制器、8路模拟输入通道。在8路A/D转换通道中，A[5]和A[7]作为触摸屏的X、Y坐标的采集通道。S3C2410与4线电阻式触摸屏连接的电路原理图见图1。

在采样过程中，只需要通过读写一系列的特殊寄存器，S3C2410的触摸屏控制器就会自动控制触摸屏接口打开或关闭各MOS管，按顺序完成触摸屏X、Y坐标数据的采集。

图1  S3C2410连接4线电阻式触摸屏电路原理图

2 Linux设备驱动程序简介

设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口，由一组函数和一些私有数据组成，是应用程序和硬件设备之间的桥梁。在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内核的一部分，主要完成以下功能：对设备的初始化和释放；把数据从内核传送到硬件设备和从硬件设备读取数据；读取应用程序数据传送给设备文件和回送应用程序请求的数据；检测和处理硬件设备出现的错误。

Linux操作系统的设备有字符设备、块设备和网络设备等。字符设备是以单个字节为单位进行顺序读写操作，通常不使用缓存技术，例如鼠标、键盘等。块设备的读写都使用缓存技术来支持，并且必须能够进行随机存取，主要是针对磁盘等慢速设备设计的。网络设备主要基于BSD的Socket机制，为发送数据和接收数据提供缓存技术，提供对多协议的支持，例如以太网卡等。

3 Linux触摸屏驱动程序实现

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。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。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，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，可一律看作文件处理，具有非常清晰统一的I/O接口。触摸屏的 file_operations结构定义如下：

static struct file_operations s3c2410_ts_fops = {

    owner:      THIS_MODULE,             

    read:       s3c2410_ts_read,          

    poll:       s3c2410_ts_poll,              

    ioctl:      s3c2410_ts_ioctl,             

    open:       s3c2410_ts_open,

    release:    s3c2410_ts_release,

    fasync:     s3c2410_ts_fasync,};[page]

在触摸屏设备驱动程序的开发中，全局变量struct s3c2410_ts_device global_ts是很重要的，用来保存触摸屏的相关参数、等待处理的消息队列、当前采样数据、上一次采样数据等信息，数据结构struct s3c2410_ts_device的定义如下：

struct s3c2410_ts_device {                          //管理触摸屏类

    struct s3c2410_ts_general  d;                   //触摸屏设置参数

    struct s3c2410_ts_calibration cal;              //校正触摸屏参数

    struct s3c2410_ts_event   buf[MOUSEBUF_SIZE];   //等待处理缓冲队列

    struct s3c2410_ts_event   cur_data, samples[3],last_data; };

                        //当前采样数据，采样原始数据，上次采样数据

在了解上面概念之后，编写触摸屏驱动的实际工作并不复杂，需要做如下工作：

3．1模块初始化函数

是调用s3c2410_touchscreen_moudle_init（）来实现的，主要完成触摸屏设备的内核模块加载、初始化、中断注册、设备注册等工作，主要涉及到的过程如下：

ADCTSC=(0<<8)|(1<<7)|(1<<6)|(0<<5)|(1<<4)|(0<<3)|(0<<2)|(3);

//触摸屏ADCTSC的设置

ADCDLY=ADC_DELAY_TIME;      //触摸屏开始和间隔延时

ADCCON = (1<<14)|( PreScale_n<<6)|(7<<3)|(0<<2)|(0<<1)|(0);

                            //触摸屏控制器设置

request_irq(IRQ_ADC_DONE,ts_down_interrupt,SA_INTERRUPT,g_ts_id,ts_down_interrupt);              //申请IRQ_ADC_DONE中断

request_irq(IRQ_TC,ts_up_interrupt,SA_INTERRUPT,g_ts_id,ts_up_interrupt);  

  //申请IRQ_TC中断

devfs_register_chrdev(0,S3C2410_TS_MODULE_NAME,&s3c2410_ts_fops);

//注册file_operations结构

request_irq(IRQ_TIMER1,touch_timer_irq,SA_INTERRUPT,g_ts_timer_id,NULL);               //申请IRQ_TIMER1中断

touch_timer_irq(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)

                     //根据状态调用触摸中断，控制数据采样

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。

3．2 设置触摸笔的状态及对应的处理

触摸屏的中断服务函数ts_down_interrupt和ts_up_interrupt是根据ADCDAT1和ADCDAT0的设置来选择触摸笔的状态，之后调用触摸屏坐标的数据采样处理函数s3c2410_ts_handler()进行处理。部分代码如下：

static void ts_down_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)

{

if ( (ADCDAT1&0x8000)|| (ADCDAT0&0x8000) ) {

                 pen_data.state = PEN_UP;

        }

        else {

                 pen_data.state = PEN_DOWN;

        }

        s3c2410_ts_handler();}

3．3 获得采样值

触摸笔具有三种工作状态：PEN_UP，PEN_DOWN，PEN_SAMPLE。在采样处理函数中，依据触摸笔的状态，调用 ts_timer_operation（）来启动或停止采样定时器，然后调用s3c2410_ts_handler()根据不同的状态进行不同的设置和处理，之后得到不同的采样值。[page]

3．4 对得到的触摸屏的数据进行处理

是调用data_processing()函数来实现的。根据采用下面介绍的中值滤波法来对采样数据进行处理。针对坐标点采样过程中产生的噪声，一般是采用平均法来去除噪声，但是这种方法对于采样数较少，并且个别噪声采样点比较大的时候，取平均值会使最后的结果误差较大，达不到数据处理的要求。故本文采用中值滤波法滤除干扰噪声，进一步地提高采样精度。

中值滤波法的原理如下：首先取奇数个触摸采样数据；之后根据采样数据的大小按照从小到大的顺序进行排列；最后取中间位置的值。此种方法一般在采样点不多，个别采样数据误差又较大的情况下，可以有效地减少误差。具体的过程见图2。

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。触摸屏和显示屏都是标准的矩形，见3所示。触摸屏的X方向坐标只与显示屏的X方向有关，Y方向只与显示屏的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），那么触摸屏上的任意一点采用坐标（x,y）与显示屏坐标（xd,yd）的对应关系可按照如下公式计算：

根据上述的公式计算出实际触摸屏对应的显示坐标，之后就是一个触摸屏的校准过程，本文采用三点校准的方法，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。首先选取3个相距较远的3个作为校准输入的采样点，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（xD1,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。化简得：

通过上式可以说明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 中断的释放和注册模块的卸载

是调用s3c2410_ts_cleanup_module()来实现的，分别释放在初始化过程中，申请的IRQ_TIMER1、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：

    free_irq(IRQ_TIMER1,g_ts_id);

     free_irq(IRQ_ADC_DONE,g_ts_id);

 free_irq(IRQ_TC,g_ts_timer_id);

     devfs_unregister_chrdev(gMajor, H3600_TS_MODULE_NAME);  //卸载字符设备

4结束语

本文作者创新点: 结合实际的硬件平台，详细地介绍基于嵌入式Linux操作系统下触摸屏驱动程序的开发过程，改进了处理采样数据的方法，最后改进了常用的校准方法。使该触摸屏驱动更能满足实际的要求，该触摸屏驱动程序已用于实际的嵌入式产品中，运行稳定可靠，具有很好的发展前景和社会经济效益。

参考文献：

[1]刘淼.嵌入式系统接口设计与Linux驱动程序开发[M].北京航空航天大学出版社.2006.5

[2]魏永明等译.LINUX设备驱动程序[M].中国电力出版社.2006

[3]张晓林等.嵌入式系统设计与实践[M]. 北京航空航天大学出版社.2006

[4]周红波.基于嵌入式操作系统的开发方法[J].微计算机信息.2006年 第7-2期；55-57

[5]Samsung Electronics.S3C2410X 32-Bit RISC Microprocessor User’s manual.2003