摘  要： 嵌入式技術(shù)在工業(yè)和日常生活中變得越來(lái)越普及,，觸摸屏作為交互終端已經(jīng)逐漸取代鍵盤成為嵌入式系統(tǒng)的輸入設(shè)備。使用TQ2440開(kāi)發(fā)板,，通過(guò)對(duì)嵌入式Linux內(nèi)核中觸摸屏驅(qū)動(dòng)的研究,，編寫和移植了觸摸屏的驅(qū)動(dòng)程序，校準(zhǔn)之后觸摸屏可以正常使用,。
關(guān)鍵詞： TQ2440；Linux,；觸摸屏,；驅(qū)動(dòng)

    隨著信息查詢技術(shù)的發(fā)展，觸摸屏因具有堅(jiān)固耐用,、反應(yīng)速度快,、節(jié)省空間、易于交流等優(yōu)點(diǎn),，而得到了廣泛應(yīng)用[1],。觸摸屏作為一種新興的電腦輸入設(shè)備，是目前最簡(jiǎn)單,、方便的一種人機(jī)交互設(shè)備,。
1 硬件簡(jiǎn)介
1.1 TQ2440開(kāi)發(fā)板簡(jiǎn)介
    天嵌公司生產(chǎn)的TQ2440開(kāi)發(fā)板，微處理器采用Samsung S3C2440AL,，板載64 MB SDRAM,、256 MB Nand Flash、2 MB Nor Flash,，板載5線異步串行口(UART0),、100 Mb/s DM9000網(wǎng)卡、USB HOST接口,、USB Device接口和一個(gè)SD卡接口,，集成了4線電阻式觸摸屏接口和JTAG接口等，音頻接口采用芯片UDA1341,，立體聲音頻輸出,，可錄音。
1.2 S3C2440處理器簡(jiǎn)介
    S3C2440是由三星公司推出的16/32 bit RISC微處理器，最高主頻可達(dá)533 MHz,，為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了低價(jià)格,、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案,。處理器內(nèi)部集成SDRAM控制器,、LCD控制器、4通道DMA,、3通道UART,、I2C總線、I2S總線,、SD接口,、PWMtimer、觸摸屏接口,、8通道10 bit A/D控制器和camera接口等,，很便于一般開(kāi)發(fā)。
1.3 觸摸屏
    按照觸摸屏的工作原理和傳輸信息的介質(zhì)一般可分為4種,，分別為電阻式,、紅外線式、電容感應(yīng)式以及表面聲波式,。本次設(shè)計(jì)采用的是東華3.5英寸觸摸屏,，為4線電阻式觸摸屏。具體參數(shù)為:型號(hào): WXCAT35-TG3＃001F,；尺寸：103 mm×83 mm,；顯示面積：70.08 mm（H）×52.56 mm（V）；顯示顏色：16.7兆色分辨率,；對(duì)比度：300:1,；亮度：320 cd/m2；電源：5 V電壓供電,。
    電阻式觸摸屏利用壓力感應(yīng)進(jìn)行控制,，由觸摸檢測(cè)部件和觸摸屏控制器組成。觸摸檢測(cè)部件安裝在顯示器屏幕前面,，用于檢測(cè)用戶觸摸位置,，并將觸摸位置信息送到觸摸屏控制器；觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點(diǎn)檢測(cè)裝置上接收觸摸信息,，并將它轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo),，再送給CPU，它同時(shí)能接收來(lái)自CPU的命令并加以執(zhí)行,。觸摸屏的屏體部分是一塊與顯示器表面非常配合的多層復(fù)合薄膜,，由一層玻璃或有機(jī)玻璃作為基層，表面涂有一層透明的導(dǎo)電層氧化銦（OTI），上面再覆蓋有一層外表面硬化處理,、光滑防刮的塑料層,，它的內(nèi)表面也涂有一層OTI，在兩層導(dǎo)電層之間有許多細(xì)小(小于1/1 000)的透明隔離點(diǎn)把它們隔開(kāi)絕緣,。當(dāng)手指接觸屏幕時(shí),，兩層OTI導(dǎo)電層將出現(xiàn)一個(gè)接觸點(diǎn)，因其中一面導(dǎo)電層接通Y軸方向的5 V均勻電壓場(chǎng),，使得偵測(cè)層的電壓由零變?yōu)榉橇?，控制器偵測(cè)到這個(gè)接通數(shù)據(jù)后，進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換,，并將得到的電壓值與5 V相比較,，即可得出觸摸點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)。同理可得出X軸的坐標(biāo),。
    S3C2440的觸摸屏接口包括觸摸觸點(diǎn)控制邏輯和有中斷產(chǎn)生邏輯的ADC接口邏輯,，可以控制或選擇觸摸屏觸點(diǎn)用于XY坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。觸摸屏接口為了完成相應(yīng)的工作,，具有4種工作模式[2]：
    (1)正常轉(zhuǎn)換模式：此模式與通用的AD轉(zhuǎn)換模式相似,，可以在ADCCON(ADC控制寄存器)中設(shè)置，在ADCDAT0(ADC數(shù)據(jù)寄存器0)中完成數(shù)據(jù)讀寫,。
    (2)X/Y坐標(biāo)各自轉(zhuǎn)換：觸摸屏控制器支持兩種轉(zhuǎn)換模式，X/Y坐標(biāo)各自轉(zhuǎn)換與X/Y坐標(biāo)自動(dòng)轉(zhuǎn)換,。各自轉(zhuǎn)換是在X模式下,，將X坐標(biāo)寫入ADCDAT0后產(chǎn)生中斷；在Y模式下,，將Y坐標(biāo)寫入ADCDAT1后產(chǎn)生中斷,。
    (3)X/Y坐標(biāo)自動(dòng)轉(zhuǎn)換：在此模式下，觸摸屏控制器先后轉(zhuǎn)換觸摸點(diǎn)的X坐標(biāo)與Y坐標(biāo),。當(dāng)X坐標(biāo)與Y坐標(biāo)都轉(zhuǎn)換完成時(shí),，中斷控制器產(chǎn)生中斷。
    (4)等待中斷模式：當(dāng)觸摸筆按下時(shí),，觸摸屏產(chǎn)生中斷(INT_TC),。等待中斷模式必須將寄存器rADCTSC設(shè)置為0xd3；在觸摸屏控制器產(chǎn)生中斷以后,，必須將此模式清除,。
    如果GCLK是50 MHz且預(yù)分頻器的分頻值設(shè)置為49 MHz，10 bit的轉(zhuǎn)換時(shí)間按下式計(jì)算：
    A/D轉(zhuǎn)換頻率=50 MHz/(49+1)MHz=1 MHz
    轉(zhuǎn)換時(shí)間=1/(1 MHz/5個(gè)周期)=1/200 kHz=5 ?滋s,，可見(jiàn)轉(zhuǎn)換時(shí)間很短,。
2 觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序
2.1 建立嵌入式Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境
    建立此開(kāi)發(fā)環(huán)境的步驟為：
    (1)在Windows XP SP3系統(tǒng)下安裝虛擬機(jī)vmware5.5.3，在虛擬機(jī)里安裝Redhat9.0系統(tǒng)。在Redhat9.0系統(tǒng)下編譯開(kāi)發(fā)板所需的鏡像和文件,，使用虛擬機(jī)工具實(shí)現(xiàn)了Windows和Redhat的文件共享,，在Windows系統(tǒng)下可以直接下載鏡像和文件到開(kāi)發(fā)板上。
    (2)使用Windows XP SP3自帶的超級(jí)終端,，并使用串口線連接PC和開(kāi)發(fā)板,。這樣就可以在PC上對(duì)開(kāi)發(fā)板進(jìn)行相關(guān)的操作。
    (3)本次實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板使用的是Linux2.6.30.4內(nèi)核,，而Redhat9.0系統(tǒng)是2.4.20.8內(nèi)核,，所以需要下載適合開(kāi)發(fā)板的編譯器。下載最新版本的支持EABI技術(shù)的交叉編譯器(本次實(shí)驗(yàn)使用的是EABI_4.3.3_2009版本),，復(fù)制到Redhat9.0系統(tǒng)目錄/opt/EABI_4.3.3_2009/下,，打開(kāi)系統(tǒng)文件/etc/profile(可在終端使用命令vim /etc/profile)，添加相應(yīng)語(yǔ)句（本次實(shí)驗(yàn)使用vim命令打開(kāi)profile文件,，在第20行添加語(yǔ)句pathmunge/opt/EABI_4.3.3_2009/4.3.3/bin）讓編譯器生效,，這樣就可以在PC上交叉編譯開(kāi)發(fā)板所需要的文件。至此開(kāi)發(fā)環(huán)境已經(jīng)建立,。
2.2 Linux內(nèi)核的移植
    本次實(shí)驗(yàn)使用的boatload是天嵌公司自己開(kāi)發(fā)的u-boot,，用J-TAG燒寫方式寫入NOR Flash，然后便可以使用u-boot自帶的USB下載(需要在Windows下安裝USB下載驅(qū)動(dòng)程序)功能下載開(kāi)發(fā)板上需要的Linux內(nèi)核鏡像了,，這樣方便而且高效,。下載Linux2.6.30.4內(nèi)核源代碼，復(fù)制到Redhat9.0系統(tǒng)目錄/opt下,，并解壓,。在目錄/opt/linux2.6.30.4/目錄下便可以進(jìn)行修改和編譯開(kāi)發(fā)板上需要的內(nèi)核鏡像。在移植觸摸屏驅(qū)動(dòng)之前,，需要移植板載256 MB NAND Flash的驅(qū)動(dòng),、yaffs文件系統(tǒng)，這樣便完善了串口驅(qū)動(dòng)程序,，最后移植LCD屏的驅(qū)動(dòng),。
2.3 觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序
    Linux系統(tǒng)將存儲(chǔ)器和外設(shè)分為字符設(shè)備、塊設(shè)備,、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備三大類,。觸摸屏屬于字符設(shè)備，以串行順序依次進(jìn)行訪問(wèn),。在Linux系統(tǒng)中,，以文件名的形式在/dev目錄下建立觸摸屏設(shè)備文件, 應(yīng)用程序可以通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)open()打開(kāi)此文件，建立起與設(shè)備的連接,，然后通過(guò)函數(shù)read(),、write(),、release()、ioctl()等常規(guī)的文件操作對(duì)目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行操作,。Linux為了把所有的設(shè)備當(dāng)作文件系統(tǒng)進(jìn)行管理,，為所有的文件及設(shè)備文件定義了統(tǒng)一的操作函數(shù)接口file_operations，每個(gè)文件都通過(guò)指向file_operations結(jié)構(gòu)的指針字段與它自己的函數(shù)集相關(guān)聯(lián),。file_operations中成員為一系列指向各操作函數(shù)的指針,，這些操作函數(shù)主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)，不同類型的設(shè)備文件系統(tǒng)有不同類型的file_operations結(jié)構(gòu)[4],。觸摸屏的 file_operations 結(jié)構(gòu)定義為：
    static struct file_operation s3c2410_fops=
    {
      owner: THIS_MODULE,，
      open: s3c2410_ts_open，    //打開(kāi)
      read: s3c2410_ts_read,，    //讀坐標(biāo)
      release:
        s3c2410_ts_release,，
      #ifdef USE_ASYNC
        Fasync:s3c2410_ts_fasync，//fasync（）函數(shù)
      #endif
      poll:s3c2410_ts_poll,，//輪詢
    }
    結(jié)構(gòu)中s3c2410_ts_open函數(shù)為file_operations中函數(shù)指針open所指向的函數(shù),，即打開(kāi)觸摸屏設(shè)備時(shí) open操作即為調(diào)用s3c2410_ts_open函數(shù)，完成觸摸屏初始狀態(tài)參數(shù)的設(shè)置,、消息隊(duì)列初始化等,。read所指向s3c2410_ts_
read函數(shù)主要是向消息隊(duì)列提供觸摸屏坐標(biāo)采集數(shù)據(jù)，以供應(yīng)用程序調(diào)用,。s3c2410_ts_poll為查詢?cè)O(shè)備的可讀寫狀態(tài),，s3c2410_ts_release則在釋放設(shè)備時(shí)調(diào)用。
    在觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序中定義了一組宏,，用于控制觸摸屏和ADC進(jìn)入不同的工作模式,，如等待中斷、X/Y位置轉(zhuǎn)換等,。定義了觸摸屏結(jié)構(gòu)體TS_DEV包含一個(gè)緩沖區(qū)、自旋鎖,、等待隊(duì)列和fasync_struct指針,，結(jié)構(gòu)為：
    typedef struct
    {
      unsigned int penStatus；
      TS_RET buf[MAX_TS_BUF]; /*緩沖區(qū)*/
      unsigned int head,tail; /*緩沖區(qū)頭和尾*/
      wait_queue_head_t wq; /*等待隊(duì)列*/
      spinlock_t lock;
      #ifdef USE_ASYNC
        struct fasync_struct *aq;
      #endif
      struct cdev cdev;
    }TS_DEV;
    觸摸屏結(jié)構(gòu)體中的TS_RET包含屏幕的X,、Y坐標(biāo)和觸摸狀態(tài)信息（PEN_DOWN,、PEN_UP），這個(gè)信息會(huì)在用戶讀取觸摸屏信息時(shí)復(fù)制到用戶空間,，結(jié)構(gòu)為：
    typedef struct
    {
      unsigned short pressure;
      unsigned short x,；//X坐標(biāo)
      unsigned shorty；//Y坐標(biāo)
      unsigned short pad,；
    }TS_RET,；
    觸摸屏工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩類中斷：一類是觸點(diǎn)中斷（INT_TC）,，一類是X/Y位置轉(zhuǎn)換中斷（INT_ADC）。使用函數(shù)s3c2410_isr_tc用來(lái)處理觸摸屏的觸點(diǎn)/抬起中斷,，在觸點(diǎn)中斷發(fā)生后,，若之前處于PEN_UP狀態(tài)，則應(yīng)該啟動(dòng)X/Y位置轉(zhuǎn)換,；當(dāng)處于PEN_DOWN狀態(tài)時(shí),，則調(diào)用函數(shù)tsEvent完成緩沖區(qū)的填充、等待隊(duì)列的喚醒和異步通知信號(hào)的釋放,。使用函數(shù)s3c2410_isr_adc來(lái)處理X/Y位置轉(zhuǎn)換中斷,，當(dāng)X/Y位置轉(zhuǎn)換中斷發(fā)生后，讀取X,、Y的坐標(biāo)值,，填入緩沖區(qū)。在函數(shù)s3c2410_isr_adc中通過(guò)調(diào)用函數(shù)s3c2410_get_XY來(lái)獲取X,、Y坐標(biāo)的,。最后由函數(shù)s3c2410_ts_poll實(shí)現(xiàn)輪詢接口，將等待隊(duì)列添加到結(jié)構(gòu)體poll_table中,，當(dāng)緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時(shí),，返回資源可讀取標(biāo)志，否則返回0,。函數(shù)s3c2410_ts_fasync完成觸摸屏對(duì)應(yīng)用程序的異步通知,。在程序的最后，由函數(shù)__init s3c2410_ts_init和__exit s3c2410_ts_exit完成從內(nèi)核中加載和卸載觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序,加載函數(shù)__init s3c2410_ts_init還需要完成申請(qǐng)?jiān)O(shè)備號(hào),、添加cdev,、申請(qǐng)中斷、設(shè)置觸摸屏控制引腳等多項(xiàng)工作,，卸載函數(shù)_exit s3c2410_ts_exit完成釋放設(shè)備號(hào),、刪除cdev、釋放中斷等工作[3],。
2.4 實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程
    將編寫好的觸摸屏驅(qū)動(dòng)ts.c文件拷貝到內(nèi)核源碼目錄“drivers/input/touchsreen/”下,，并修改同目錄下的“Kconfig”和“Makefile”文件。在內(nèi)核配置單中添加觸摸屏編譯配置選項(xiàng),，修改Kconfig文件的第468行,，添加如下內(nèi)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 called ts.
    在目錄的Makefile文件中添加觸摸屏的編譯條目，添加內(nèi)容如下：
obj-$(CONFIG_TOUCHSCREEN) += ts.o
    內(nèi)核配置單的選擇：
Device Drivers --->
        Input device support --->
          [*]   Touchscreens --->
          <*>       TouchScreen input driver
    配置完畢后,，保存配置單,，然后編譯內(nèi)核，再將編譯好的鏡像下載到開(kāi)發(fā)板中運(yùn)行,。
2.5 觸摸屏的校準(zhǔn)
    TQ2440出廠時(shí)使用的是Linux2.6.25.8內(nèi)核,，觸摸屏已經(jīng)完成校準(zhǔn),，但本次實(shí)驗(yàn)重新使用了最新的Linux2.6.30.4內(nèi)核，所以需要重新校準(zhǔn),。移植好內(nèi)核之后,，下載了天嵌公司已經(jīng)做好的QT圖形界面到開(kāi)發(fā)板，并重啟開(kāi)發(fā)板,，校準(zhǔn)時(shí)只需要將觸摸筆點(diǎn)中十字架的中心,，然后進(jìn)行5點(diǎn)校準(zhǔn)，完畢后觸摸屏就可以正常使用,。如圖1所示,。

    觸摸屏因其使用方便、快捷,，而得到廣泛應(yīng)用,。Linux系統(tǒng)因其源代碼公開(kāi)、成本低廉,、裁減性好,、高效、靈活等特點(diǎn),，在嵌入式領(lǐng)域得到了很好的發(fā)展和應(yīng)用,。本文介紹了觸摸屏的工作原理，對(duì)嵌入式Linux系統(tǒng)內(nèi)核源碼的觸摸屏驅(qū)動(dòng)做了深入探討,，編譯和下載Linux內(nèi)核到開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行,，并且移植了QT圖形界面，觸摸屏校準(zhǔn)之后,，使用情況良好,。
參考文獻(xiàn)
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