在便攜式的電子類產(chǎn)品中,觸摸屏由于其便、靈活、占用空間少等優(yōu)點,已經(jīng)逐漸取代鍵盤成為嵌入式計算機系統(tǒng)常選用的人機交互輸入設(shè)備。觸摸屏輸入系統(tǒng)由觸摸屏、觸摸屏控制器、微控制器及其相應(yīng)的驅(qū)動程序構(gòu)成。本文從觸摸屏控制器的驅(qū)動程序設(shè)計著手,介紹觸摸屏控制器ADS7843的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理和在嵌入式Linux操作系統(tǒng)中基于PXA255微處理器的ADS7843驅(qū)動程序設(shè)計。

1　觸摸屏控制器ADS7843的介紹
1.1　ADS7843的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
　　ADS7843內(nèi)駐一個多路低導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)組成的供電-測量電路網(wǎng)絡(luò)、12bit逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器和異步串行數(shù)據(jù)輸入輸出,ADS7843根據(jù)微控制器發(fā)來的不同測量命令導(dǎo)通相應(yīng)的模擬開關(guān),以便向觸摸屏電極對提供電壓,并把相應(yīng)電極上的觸點坐標(biāo)位置所對應(yīng)的電壓模擬量引入A/D轉(zhuǎn)換器,圖1為ADS7843內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。X+、Y+、X-、Y-為觸摸屏電極模擬電壓輸入;CS為ADS7843的片選輸入信號,低電平有效;DCLK接外部時鐘輸入,為芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和異步串行數(shù)據(jù)輸入/輸出提供時鐘;DIN串行數(shù)據(jù)輸入端,當(dāng)CS低電平時,輸入數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿將串行數(shù)據(jù)鎖存;DOUT串行數(shù)據(jù)輸出端,在時鐘下降沿數(shù)據(jù)由此移位輸出,當(dāng)CS為高電平時,DOUT呈高阻態(tài)。BUSY為系統(tǒng)忙標(biāo)志端,當(dāng)CS為低電平,且BUSY為高電平時,表示ADS7843正在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;V_REF參考電壓輸入端,電壓值在+1V到+V_CC之間變化;PENIRQ為筆觸中斷,低電平有效;IN3、IN4為輔助ADC轉(zhuǎn)換輸入通道;+V_CC為電源輸入。

圖1　ADS7843內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2　ADS7843的轉(zhuǎn)換時序
　　ADS7843完成一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需要與微控制器進(jìn)行3次通信,第一次微處理器通過異步數(shù)據(jù)傳送向ADS843發(fā)送控制字,其中包括起始位、通道選擇、8/12位模式、差分/單端選擇和掉電模式選擇,其后的兩次數(shù)據(jù)傳送則是微控制器從ADS7843取出16bitA/D轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)(最后四位自動補零),每次通信需要8個時鐘周期,完成一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換共需24個時鐘周期,圖2為ADS7843轉(zhuǎn)換時序。

圖2　ADS7843轉(zhuǎn)換時序

2　ADS7843與PXA255硬件接口
　　PXA255微處理器是Intel公司生產(chǎn)的第二代基于32位XScale微架構(gòu)的集成系統(tǒng)芯片(ISOC),PXA255具有高性能、低功耗等優(yōu)點,它除了XScale微內(nèi)核外,還集成了許多適用于手持設(shè)備市場需要的外圍設(shè)備。圖3為ADS7843觸摸屏控制器與PXA255微處理器的硬件連線示意圖。當(dāng)屏觸發(fā)生時ADS7843向PXA255發(fā)出中斷請求,由PXA255響應(yīng)該中斷請求,啟動通信過程,讀取ADS7843的轉(zhuǎn)換結(jié)果,從而得到觸摸點的坐標(biāo)。ADS7843各信號的時序受外部輸入時鐘信號頻率的影響,一旦外部輸入時鐘頻率固定,各信號的時序便完全確定,因此需要配置PXA255的接口信號時序,使之完全符合ADS7843的時序。

圖3　ADS7843觸摸屏控制器與PXA255微處理器的連線示意圖

3　ADS7843驅(qū)動程序的設(shè)計
　　Linux作為一個宏內(nèi)核操作系統(tǒng),其設(shè)備驅(qū)動都在內(nèi)核,即系統(tǒng)空間實現(xiàn),實現(xiàn)方式有兩種,一種是將有關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)靜態(tài)地連接在內(nèi)核映像中;另一種是將具體的設(shè)備驅(qū)動程序和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)獨立加以編譯,成為可安裝的模塊,需要時由應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用動態(tài)地予以安裝或拆卸。設(shè)備驅(qū)動的實現(xiàn)方法也有兩種,一種是輪詢(polling)方式,另一種是中斷(inter-rupt)方式,輪詢方式對設(shè)備的操作完全由CPU掌握,外部設(shè)備則完全處于被動狀態(tài)。中斷方式是由外部設(shè)備主動提出申請,CPU響應(yīng)申請后對外部設(shè)備進(jìn)行處理,是現(xiàn)在常用的設(shè)備驅(qū)動方式。Linux的設(shè)備驅(qū)動具有兩個顯著的特點,其一是把所有的設(shè)備視為一種設(shè)備文件,每個設(shè)備都呈現(xiàn)于文件系統(tǒng)的/dev目錄下,設(shè)備驅(qū)動與文件操作具有相同的界面和語義,并通過同一組系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行操作;另一個顯著特點是Linux的設(shè)備驅(qū)動有著分明的層次和結(jié)構(gòu)。

　　Linux內(nèi)核的新近版本為設(shè)備入口提供了一種特殊的文件系統(tǒng),即設(shè)備文件系統(tǒng)devfs(device file system)。新的devfs機制的優(yōu)點在于:①各種設(shè)備驅(qū)動模塊動態(tài)地向系統(tǒng)登記,設(shè)備初始化時在/dev目錄下創(chuàng)建設(shè)備入口點,移除設(shè)備時將其刪除。②設(shè)備驅(qū)動程序可以指定設(shè)備名、所有者和權(quán)限位。③不需要為設(shè)備驅(qū)動程序分配主設(shè)備號以及次設(shè)備號。④當(dāng)裝載和卸載模塊時,不再需要運行腳本來創(chuàng)建設(shè)備文件,驅(qū)動程序自主地管理其設(shè)備文件。采用devfs機制的設(shè)備驅(qū)動程序調(diào)用下面的函數(shù)來處理設(shè)備的創(chuàng)建和刪除工作。

devf s_hander_t devf s_mk_dir ( devf s_ han2 der_t dir ,const char 3 name ,void 3 info)
devf s_hander_t devf s_register ( devf s_ han2 der_t dir ,const char 3 NAME ,unsigned int flags , unsigned int major ,unsigned int minor ,umode_t mode ,void 3 op s ,void 3 info)
void devf s_unregister (devf s_hander_t de)

　　在Linux操作系統(tǒng)編寫設(shè)備驅(qū)動程序時有幾個固定的功能模塊:向Linux內(nèi)核注冊該設(shè)備時的初始化設(shè)備驅(qū)動程序模塊;用于系統(tǒng)卸載模塊時刪除設(shè)備驅(qū)動程序的模塊;提供用戶使用該設(shè)備驅(qū)動程序的文件操作接口模塊。對于各類具體設(shè)備編寫驅(qū)動程序時還應(yīng)具有對該設(shè)備進(jìn)行操作的應(yīng)用函數(shù)。下面就以ADS7843驅(qū)動程序設(shè)計為例分析以上幾個功能模塊。

1) ADS7843 向Linux 內(nèi)核注冊設(shè)備時的初始化函數(shù)
int __init ads7843_t s_init (void) 　　/ / 設(shè)備初始化函數(shù)
{int ret ;
if ( ( ret = devf s _ register _ chrdev ( TS _ MAJOR , TS _ NAME , &ads7843_t s_fops) ) ! = 0)
{ print k (" registering of " TS_NAME " is failed n" ) ; return ret ;}
devf s_t s_dir = devf s_mk_dir (NULL , " touchscreen" , NULL) ; 　　　/ / 建立觸摸屏設(shè)備目錄
devf s_handle = devf s_register ( devf s_t s_dir , " t s" ,DEVFS_ FL_ DEFAUL T , TS _ MAJOR , 0 , S _ IFCHR | S _ IRUSR | S _ IWUSR , &ads7843_t s_fops , NULL) ; 　　　/ / 注冊設(shè)備
if ( ( ret = request_irq( IRQ_ GPIO_ADS7843 , ads7843_t s_inter-rupt ,
　　　　　　SA_SHIRQ| SA_INTERRUPT , TS_NAME , dev_ id) ) ) / / 申請中斷
{ print k ("ads7843_t s_init : failed to register IRQ n" ) ;
　f ree_irq( IRQ_GPIO_ADS7843 , dev_id) ; return ret ;}
if ( ( ret = ads7843_init () ) ! = 0) 　　　　/ / 初始化觸摸屏
{f ree_irq( IRQ_GPIO_ADS7843 , dev_id) ; return ret ;}
GPDR0 & = ～GPIO_bit (ADS7843_BUSY) ;
GPDR0 & = ～GPIO_bit (ADS7843_DOU T) ;
Ads7843_Enable_IRQ() ;/ / 開啟中斷
print k ("ads7843 touch screen driver initialized n" ) ;
return 0 ;}

2) 系統(tǒng)卸載ADS7843 驅(qū)動程序功能函數(shù)
void __exit ads7843_t s_cleanup (void) / / 卸載驅(qū)動程序函數(shù)
{ 　　if (in_timehandle)
　　del_timer ( &timer) ;
f ree_irq( IRQ_GPIO_ADS7843 , dev_id) ; 　　　/ / 釋放中斷
devf s_unregister_chrdev( TS_MAJOR , TS_NAME) ;/ / 從系統(tǒng)中刪除設(shè)備驅(qū)動程序
print k (" ads7843 touch screen driver removed n" ) ;}

3) 在驅(qū)動程序最后用于模塊初始化和刪除驅(qū)動的功能函數(shù)
module_init (ads7843_t s_init) ;/ / 初始化驅(qū)動模塊函數(shù)
module_exit (ads7843_t s_cleanup) ;/ / 刪除驅(qū)動模塊函數(shù)

4) ADS7843 設(shè)備文件操作結(jié)構(gòu)體
static st ruct file_operations ads7843_t s_fops = {
read :ads7843_t s_read , 　　　　/ / 從設(shè)備中讀數(shù)據(jù)操作
poll :ads7843_t s_poll , / / 查詢設(shè)備操作
ioctl : 　ads7843_t s_ioctl , 　　/ / 設(shè)備IO 控制操作
fasync : ads7843_t s_fasync , / / 異步通知操作
open : ads7843_t s_open , / / 打開設(shè)備操作
release : ads7843_t s_release , } ; / / 當(dāng)文件結(jié)構(gòu)被釋放時,調(diào)用釋放操作

由于文章篇幅所限,對設(shè)備文件操作的功能函數(shù)不再一一列出。

5) ADS7843 具體操作函數(shù)
①ADS7843 串行輸出控制字函數(shù)
void ADS7843_din (char command)
udelay(DELA Y) ; / / 延時
for (int i = 0 ; i < 8 ; i + + ) / / 從串行輸入端輸入8 位控制字
{ 　ADS7843_ClearBit (0 , ADS7843_CL K) ; / / 時鐘變低,下降沿輸出
　if ( (command > > i) &0x1)
　　ADS7843_SetBit (0 , ADS7843_DIN) ; / / 數(shù)據(jù)位為1
　el se
　　ADS7843_ClearBit (0 , ADS7843_DIN) ; / / 數(shù)據(jù)位為0
　udelay (DELA Y) ;
　ADS7843_SetBit (0 , ADS7843_CL K) ;}} / / 時鐘變高

②微處理器讀取X 坐標(biāo)值函數(shù)(讀取Y坐標(biāo)值函數(shù)相類似,控制字為0x90)
int ADS7843_t s_measure_x (void)
{ char i , int touch_data = 0 ;
ADS7843_ClearBit (0 , ADS7843_CS) ; / / 片選端置低電平
udelay(DELA Y) ;
ADS7843_din (0xD0) ; 　　　/ / 向ADS7843 發(fā)送讀X 坐標(biāo)控制字0xD0
ADS7843_ClearBit (0 , ADS7843_CL K) ;
udelay(DELA Y) ;
while ( ! ( GPLR0 & GPIO_ bit (ADS7843 _BUSY) ) ) print k ( "BUSY1 n" ) ;
ADS7843_ClearBit (0 , ADS7843_CL K) ;
for (i = 0 ; i < 15 ; i + + ) 　　　/ / 讀取坐標(biāo)值
{ touch_data < < = 1 ;
if ( GPLR0 & GPIO_bit (ADS7843_DOU T) )
　　touch_data | = 0x01 ;
else
　　touch_data & = 0xffffe ;
ADS7843_SetBit (0 , ADS7843_CL K) ;
udelay(DELA Y) ;
ADS7843_ClearBit (0 , ADS7843_CL K) ;}
touch_data > > = 3 ;/ / 對最后4 位自動置0 處理
return (touch_data & 0xfff) ;}

4　驅(qū)動模塊的安裝
　　在Linux操作系統(tǒng)中,對于已編好的設(shè)備驅(qū)動程序,利用編譯工具將驅(qū)動程序編譯成驅(qū)動模塊。對于驅(qū)動模塊的安裝,一種方法是重新編譯Linux內(nèi)核將驅(qū)動程序加載到系統(tǒng)內(nèi)核,另一種方法就是利用inmod和rmmod函數(shù)動態(tài)地裝載和卸載設(shè)備驅(qū)動模塊。我們在IntelXscalePXA255評估板上利用重新編譯Linux內(nèi)核的方法將觸摸屏控制器ADS7843的驅(qū)動模塊加載到系統(tǒng)內(nèi)核。運行后取得了理想的效果。

5　結(jié)束語
　　觸摸屏已成為現(xiàn)代嵌入式設(shè)備人機交互的首選輸入設(shè)備,觸摸屏控制器的驅(qū)動程序設(shè)計當(dāng)然也就成為嵌入式設(shè)備研發(fā)的必需工作。本文以ADS7843為例介紹了在嵌入式Linux操作系統(tǒng)中觸摸屏控制器驅(qū)動程序設(shè)計的編程方法。對于在嵌入式Linux操作系統(tǒng)下進(jìn)行其它設(shè)備的驅(qū)動開發(fā)具有一定的啟示作用。