0 引言
在現(xiàn)代化生產(chǎn)中,，為了確保機械設備安全可靠地運行，通常要采用適宜的儀器儀表,，利用故障診斷技術及時發(fā)現(xiàn)故障,，并采取合理的維修或保護措施來排除故障，預防和避免事故的發(fā)生,?；趯x器尺寸、便攜性和操作方便性的考慮,，在工業(yè)領域如煤炭,、鋼鐵、冶金,、電力,、化工等行業(yè)中大量的儀器儀表和設備，都逐漸選用觸摸屏作為系統(tǒng)的輸入設備,。
針對這一情況,，作者在開發(fā)面向機械故障診斷的智能儀表過程中,，對觸摸屏輸入接口進行了研究。設計了四線電阻式觸摸屏與PXA255 處理器的接口電路,，分析了Linux框架下的字符設備驅動程序設計原理,，完成了觸摸屏的接口驅動程序開發(fā)，并設計了用觸摸屏作為輸入設備的MiniGUI用戶程序,。觸摸屏作為儀器的輸入設備,，人機交互直截了當，大大方便了現(xiàn)場操作人員的使用,。
1 硬件結構和工作原理
依據(jù)工作原理和傳輸介質的不同,，觸摸屏主要分電阻式、電容式,、紅外線式以及表面聲波式等多種類型,。電阻式觸摸屏是一塊4層透明的復合薄膜屏，如圖1所示,。下面是玻璃或有機玻璃構成的基層,；上面是一層外表面經(jīng)過硬化處理從而光滑防刮的塑料層；中間是兩層金屬導電層,，在導電層之間有許多細小的透明隔離點把兩層隔開,。兩個金屬導電層是觸摸屏的工作面，其兩端各涂有一條銀膠,，稱為觸摸屏工作面的一對電極,。四線式觸摸屏的X工作面和Y工作面分別加在兩個導電層上，共有4根引出線,，分別連到觸摸屏的X 電極對和Y 電極對上,。在觸筆觸摸屏幕時，兩導電層在接觸點處接觸,。電阻式觸摸屏作為輸入設備與顯示屏配合使用時,，其工作的實質就是通過測量X、Y兩個方向電阻的分壓,， 確定觸摸屏的觸點坐標,， 并將該坐標映射到顯示屏坐標上，從而實現(xiàn)人機交互,。由于電阻式觸摸屏工作面與外界完全隔離,， 受環(huán)境影響小， 所以具有不怕灰塵和水汽,、穩(wěn)定性高,、不漂移等優(yōu)點， 特別適合工業(yè)現(xiàn)場使用,。
圖1 電阻式觸摸屏結構
在設計過程中,， 選用ADS7843 作為觸摸屏接口的AD轉換芯片,，它具有12 位的轉換精度， 最大支持4 096 ×4 096點陣的LCD,， 滿足儀器設計要求,。
儀器系統(tǒng)處理器選用Intel Xscale架構的PXA255處理器，用其GPIO口模擬SPI接口與ads7843進行通信,。其接口原理如圖2所示,。ADS7843完成采集通道的切換和接觸點處電壓的采集， 其操作時序主要由控制字輸入,、電壓采集和模數(shù)轉換組成,， 詳見參考文獻。只要在驅動程序中根據(jù)時序要求向D IN口發(fā)送控制字,， 即可從DOUT處得到相應通道的采集結果,。
圖2 ADS7843與PXA255的接口電路
2 觸摸屏接口驅動程序
Linux驅動程序是系統(tǒng)內核的一部分， 它把軟件和硬件分離開來,， 并向上提供應用程序訪問硬件的通信接口,， 向下管理保護系統(tǒng)硬件。觸摸屏在Linux下被定義為字符設備,， 其驅動主要完成觸點電壓的采集,， 并向用戶空間傳遞X 坐標、Y坐標和筆動作（按下,、抬起或拖拽） 數(shù)據(jù)。當觸筆按下時,， ADS7843的11腳輸出低電平,， 觸發(fā)PXA255通用IO口的12腳產(chǎn)生外部中斷， 開啟定時器,， 實現(xiàn)觸摸屏的動作,。觸摸屏的驅動流程如圖3所示。
圖3 觸摸屏驅動程序結構流程
2.1 驅動的編寫
觸摸屏驅動在Linux框架下屬于字符設備驅動,。
驅動的入口函數(shù)為ads7843 _ ts_ init （ ） ,， 在該函數(shù)中，初始化I/O口,， 注冊筆中斷和設備節(jié)點,， 完成設備文件系統(tǒng)創(chuàng)建標準字符設備的初始化工作［ 8 - 10 ］。觸摸屏設備操作的結構通過ads7843_ts_fop s定義,。
STatic struct file_operatiONs ads7843_ts_fop s = {
read： ads7843_ts_read,，
poll： ads7843_ts_poll，
ioctl： ads7843_ts_ioctl,，
fasync： ads7843_ts_fasync,，
open： ads7843_ts_open,，
release： ads7843_ts_release，
};
這樣,， 只需根據(jù)實際需要正確定義該結構中的幾個函數(shù)過程,， 就可完成設備驅動的開發(fā)。
當觸摸屏設備被打開時,， 首先執(zhí)行到ads7843_ts_open （ ）函數(shù),，并在該函數(shù)中， 初始化一個緩沖區(qū),， 用于存儲坐標數(shù)據(jù),。在觸摸屏被按下后， 系統(tǒng)首先觸發(fā)中斷,， 在ads7843_ts_interrup t （ ）中斷程序中,， 判斷in_timehandle全局變量的狀態(tài)， in_ timehandle在定時器函數(shù)中被改變,， 也就是說進入中斷后,， 先經(jīng)過定時器延時20ms， 完成觸摸屏的軟件去抖,， 再判斷觸摸屏是否被按下,。然后通過read_xy （）函數(shù)分別切換至X和Y 通道， 完成觸點電壓的AD轉換,， 并讀取12 位坐標值,。
static void ads7843_ ts_ interrup t （ int IRq， void 3 dev_ id,，
struct p t_regs3 regs）
{
sp in_lock_irq （&tsdevlock） ;
if （ in_timehandle 》 0）
{
sp in_unlock_irq （&tsdevlock） ;
return;
}
disable_irq （ IRQ_GPIO_ADS7843） ;
ads7843_ts_starttimer （ ） ;
sp in_unlock_irq （&tsdevlock） ;
}
應用程序調用read （ ） 函數(shù)時,， 進入驅動的ads7843_ts_read （ ）接口函數(shù)。在該接口函數(shù)中獲取采樣結果,， 判斷是否要對坐標進行校準,， 將最終結果寫入到緩沖區(qū)中，并通過copy_to_user （ ）函數(shù)將其從內核空間復制到用戶空間,， 以使應用程序能夠使用,。在ads7843_ts_read （ ）函數(shù)中采用了非阻塞型操作， 使得在沒有數(shù)據(jù)到達的時候立即返回,， 然后用異步觸發(fā)fasync （ ）來通知數(shù)據(jù)的到來,。ads7843 _ ts_poll （）函數(shù)用于驅動程序的非阻塞操作， ads7843_ts_fasync （ ）函數(shù)用于驅動異步觸發(fā),。ads7843_ts_ioctl （ ）函數(shù)中,， 提供了可從用戶態(tài)控制的參數(shù)， 如觸摸屏是否在驅動中校準、屏幕的最大最小坐標值等,。ads7843_ts_release（ ）函數(shù)用來關閉觸摸屏設備,。
2.2 觸摸屏的校準
在儀器開發(fā)過程中，觸摸屏作為輸入設備與LCD配合使用,。為了能使從觸摸屏采樣得到坐標與屏幕的顯示坐標對應,，還需要做一個映射， 也就是要對觸摸屏進行校準,。如圖4所示,， 所用的觸摸屏和液晶屏都是標準的矩形， 只要安裝合理,，可以認為觸摸屏的X 方向坐標只與顯示屏X 方向相關,， Y方向坐標只與顯示屏的Y方向相關。假設顯示屏的分辨率是W ×H,， 顯示區(qū)域的左上角對應的觸摸屏采樣坐標是（ x1 ,， y1 ） ，右下角對應的坐標是（ x2 ,， y2 ） ,， 那么觸摸屏上任意一點采樣坐標（ x， y） 與顯示屏坐標（ xd ,， yd ）的對應關系可以按照如下公式計算：
這樣,， 在測得（ x1 ， y1 ）和（ x2 ,， y2 ） 點觸摸屏的采樣值后,， 利用上述公式編制校準函數(shù)，在觸摸屏工作的過程中,， 計算出實際觸摸點對應的顯示坐標,，完成觸摸屏的校準。
圖4 觸摸屏的校準
3 觸摸屏用戶應用程序
創(chuàng)建的Linux設備文件系統(tǒng)觸摸屏節(jié)點為/dev/ts.在應用程序中,，可以像打開文件一樣用open函數(shù)打開設備文件， 然后用read （）函數(shù)讀取由驅動傳遞到用戶空間的數(shù)據(jù),。儀器應用程序的開發(fā)采用MiniGU I進行,， MiniGU I是由北京飛漫公司開發(fā)， 可應用于實時嵌入式系統(tǒng)中的輕量級圖形用戶界面支持系統(tǒng),。其函數(shù)接口與Windows SDK類似,， 開發(fā)方便。
MiniGU I的輸入抽象層（ IAL： Input Abstract Layer）提供了對觸摸屏,、鼠標等輸入設備的豐富支持,， 并支持PXA255處理器平臺。只要經(jīng)過簡單的設置就可以在應用程序中使用觸摸屏。配置安裝MiniGU I時,， 使用22enable2px255bial項,， 由于在安裝MiniGU I時采用了內嵌資源的靜態(tài)編譯方式， 所以在編譯之前,， 需在MiniGU I的src / sysres/目錄下建立mgetc2pxa1c 文件,，并在其中用下面語句設置系統(tǒng)參數(shù)， 將觸摸屏設為輸入設備,。
static char * SYSTEM_VALUES［ ］ = { “ fbcon” ,，“ PX255B” ， “ /dev/ ts” ,， “ none” };
MiniGU I對觸摸屏輸入的處理方式如圖5 所示,。
圖5 MiniGUI 中的觸摸屏輸入
MiniGUI 通過觸摸屏設備驅動程序接收原始的輸入數(shù)據(jù)， 把它轉換為MiniGUI 抽象的觸摸屏事件和數(shù)據(jù),。
相關的底層事件處理例程把這些觸摸事件轉換為上層的觸摸消息,， 放到相應的消息隊列中。應用程序通過消息循環(huán)獲取這些消息,， 交由窗口過程處理,。編制針對觸摸屏的應用程序時，需要做的只是在窗口接收到諸如MSG _LBUTTONDOWN 等觸屏消息時,， 調用相應的語句,， 完成預期操作。
4 結論
嵌入式智能儀器觸摸屏接口增強了儀器系統(tǒng)的人機交互功能,，方便了操作人員的使用,； 接口電路和驅動程序的模塊化方便了儀器的后續(xù)改進和新產(chǎn)品的開發(fā)，并可根據(jù)需要移植應用到各種不同場合,。設計的觸摸屏接口已經(jīng)成功應用在故障診斷巡檢儀器中,，其工作穩(wěn)定，運行可靠,，具有很好的實用價值,。