《電子技術(shù)應(yīng)用》
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Linux下基于MCU的觸摸傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2015年微型機(jī)與應(yīng)用第8期
常孟芝1,,白雪飛1,,方 毅2
(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)系,安徽 合肥230027,;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心,安徽 合肥230027)
摘要: 給出一種在三星S5PV210處理器的Linux系統(tǒng)下基于PIC24F單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的觸摸傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,。利用PIC24F充電時間測量單元(CTMU)和ADC實(shí)現(xiàn)觸摸信息采集,,S5PV210通過I2C總線與觸摸傳感器通信,讀取傳感器觸摸狀態(tài)信息,;設(shè)計(jì)了PIC24F固件程序和其在主控S5PV210處理器Linux系統(tǒng)下的I2C設(shè)備驅(qū)動程序,。測試結(jié)果表明,在主控Linux系統(tǒng)下可以精確獲得觸摸狀態(tài)信息,。
關(guān)鍵詞: 觸摸傳感 CTMU I2C Linux驅(qū)動
Abstract:
Key words :

  摘  要: 給出一種在三星S5PV210處理器的Linux系統(tǒng)下基于PIC24F單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的觸摸傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,。利用PIC24F充電時間測量單元(CTMU)和ADC實(shí)現(xiàn)觸摸信息采集,,S5PV210通過I2C總線與觸摸傳感器通信,讀取傳感器觸摸狀態(tài)信息,;設(shè)計(jì)了PIC24F固件程序和其在主控S5PV210處理器Linux系統(tǒng)下的I2C設(shè)備驅(qū)動程序,。測試結(jié)果表明,在主控Linux系統(tǒng)下可以精確獲得觸摸狀態(tài)信息,。
  關(guān)鍵詞: 觸摸傳感,;CTMU;I2C,;Linux驅(qū)動
0 引言
  隨著科技的進(jìn)步,,各種形式的觸摸傳感器被應(yīng)用于機(jī)器人、家電,、便攜式消費(fèi)電子等領(lǐng)域,。
  常用觸摸傳感器主要有電阻式和電容式兩種,電容式以靈敏度高,、抗損性好的特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用,。一般電容傳感器由專用ASIC實(shí)現(xiàn),本文基于PIC24F MCU(微控制器)實(shí)現(xiàn)電容觸摸傳感器,,由于傳感器只是MCU外接的金屬片,,具有成本低、形狀靈活,、外圍電路簡單的特點(diǎn),,主控端可在嵌入式Linux下通過I2C總線獲得多個傳感器狀態(tài)。
1 系統(tǒng)組成
  如圖1所示,,觸摸傳感系統(tǒng)由多個電容觸摸傳感器端(由PIC24F MCU實(shí)現(xiàn))和S5PV210主控端(運(yùn)行Linux系統(tǒng))兩部分組成,。電容傳感器端處理觸摸信息,主控端通過I2C總線與傳感器通信,,得到其處理好的傳感器數(shù)據(jù)(包含傳感器ID和是否觸摸狀態(tài)),。一片PIC24F最多可實(shí)現(xiàn)16個觸摸傳感器。

Image 001.png

2 功能實(shí)現(xiàn)
  2.1 基于PIC24F CTMU方式實(shí)現(xiàn)觸摸檢測
  圖2為PIC24F CTMU框圖,。

Image 002.png

  PIC24F的CTMU是由一個可調(diào)節(jié)恒流源和邏輯控制塊構(gòu)成的可配置模擬單元,。觸摸檢測采用CTMU恒流源與A/D轉(zhuǎn)換器的連接[1]如圖3所示。

Image 003.png

  通過CTMU在傳感器上施加恒流源實(shí)現(xiàn)觸摸檢測,。
  I×T=C×V(1)
  其中,,I是CTMU恒流源電流,T是CTMU充電的固定周期,,C是觸摸電路的電容,,V是充電完成后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器讀取的電壓值。
  由于CTMU恒流源I是恒定的,設(shè)置充電周期T保持恒定,,則電路中電容C的變化將表現(xiàn)為電壓V的變化,,當(dāng)人手指接觸到傳感器時,總電容將增加,,A/D轉(zhuǎn)換器讀取的電壓減小,。
  圖4為傳感器電壓采集子程序,它由CTMU單元和ADC單元配合完成[2],。傳感器電容與ADC的保持電容并聯(lián),,每次測量電壓前使兩個電容接地放電至0 V,隨后控制CTMU的恒流源對兩個電容注入一定量的電荷,,再通過ADC讀取電壓,。可以計(jì)算觸摸前后電壓差值ST5I`A3_Y%$7}L@UX(~F@%D.jpg為:V@KOM8JOG~S5L)V8P`JKQ_P.png

  其中,,CF是手指電容,,CB是金屬片基礎(chǔ)電容,CA/D是ADC保持電容,,I是CTMU恒流源的電流,,t是充電時間。

Image 004.png

  實(shí)際中由手指電容引起的電容增量為pF量級,,為獲得較高的靈敏度,,需增大ΔCTMU,由式(2)可知,,減小基礎(chǔ)電容CB和適當(dāng)增加注入電荷(It)為有效方式,。傳感器面積會影響CB,形狀不是主要影響因素,,本文設(shè)計(jì)的傳感器尺寸為15 mm×15 mm的正方形,,配置CTMU恒流源為最大55 μA(CTMUICON=0x0300)以提高充電速度和電量。
  2.2 S5PV210與觸摸傳感器I2C通信
  I2C總線(Inter Integrated Circuit)是主從結(jié)構(gòu)的兩線式(數(shù)據(jù)線SDA,,時鐘線SCL)串行總線,。它接口簡單、互聯(lián)成本低,,數(shù)據(jù)的傳輸和時鐘頻率均由主機(jī)控制,,因此各種傳感器芯片大都采用I2C通信,。
  開始通信時,,由主機(jī)端S5PV210發(fā)送S,接著發(fā)送Addr(從機(jī)地址7 bit),、R/W(讀寫位1 bit)給PIC24F,,PIC24F收到8 bit(Addr+R/W)確認(rèn)是本機(jī)后,將SDA線拉低作為ACK,主機(jī)在第9個SCL采集到低電平ACK后,,確認(rèn)連接到從機(jī),,接著主從將根據(jù)R/W位接收或者發(fā)送1 B傳感器數(shù)據(jù)。本文為2個傳感器(一片PIC24F最多可實(shí)現(xiàn)16個傳感器,,多于16個時可通過I2C總線進(jìn)行擴(kuò)展),,設(shè)置傳感器1被觸摸則發(fā)送0x01,傳感器2被觸摸發(fā)送0x02,,沒有觸摸為0x00,。單片機(jī)PORTE口接有LED將接收數(shù)據(jù)賦給PORTE做為接收測試(0-亮,1-滅),。圖5為總線時序圖,。

Image 005.png  

       2.3 從機(jī)端電容觸摸傳感器固件設(shè)計(jì)
  PIC24F固件程序流程如圖6所示。

Image 006.png

  系統(tǒng)初始化使能Time1,、ADC,、CTMU和I2C(slave模式),Time1中斷用于觸發(fā)讀取傳感器1和傳感器2經(jīng)CTMU和ADC處理的電壓值,,并將有無觸摸(電壓降低)狀態(tài)保存到I2C的發(fā)送緩存里,,隨后利用主機(jī)端發(fā)起通信引起的中斷發(fā)送觸摸狀態(tài)或接收數(shù)據(jù)。
  2.4 主機(jī)端Linux I2C設(shè)備驅(qū)動設(shè)計(jì)
  S5PV210 Linux下I2C驅(qū)動層次結(jié)構(gòu)如圖7所示,。

Image 007.png

  Linux系統(tǒng)分為用戶層和內(nèi)核層,,系統(tǒng)下應(yīng)用程序訪問硬件設(shè)備需要位于內(nèi)核層的設(shè)備驅(qū)動提供的接口支持[3]。
  整個I2C驅(qū)動程序由I2C設(shè)備驅(qū)動和總線驅(qū)動兩部分組成,,Linux下對S5PV210 I2C控制器驅(qū)動即總線驅(qū)動已經(jīng)支持,,要做的是針對觸摸傳感器設(shè)計(jì)I2C設(shè)備驅(qū)動。I2C設(shè)備驅(qū)動在Linux中屬于字符設(shè)備,,字符設(shè)備可以以設(shè)備文件形式存在,,由應(yīng)用程序打開并進(jìn)行讀寫操作,從而實(shí)現(xiàn)控制硬件的目的,。
  S5PV210有3個I2C主控制器,,觸摸傳感器驅(qū)動采用第一個主控制器。Linux下設(shè)備驅(qū)動可以直接編譯到內(nèi)核,,也可以在外部編譯好生成.ko文件,,然后使用insmod命令動態(tài)加載到運(yùn)行的內(nèi)核中,為了方便開發(fā)采用動態(tài)加載方式,。
  I2C設(shè)備驅(qū)動程序可分為兩部分[4]:首先定義和注冊I2C設(shè)備即i2c_client,;然后定義和注冊I2C設(shè)備驅(qū)動即i2c_driver。i2c_client即是PIC24F模塊,,所以要在i2c_client中設(shè)置PIC24F的設(shè)備名和地址信息,,i2c_client里關(guān)鍵代碼及結(jié)構(gòu)有:
  struct i2c_board_info pic_touch_info={
  i2c_board_info("pic_touch",,0x40),
  //注意PIC實(shí)際地址0x80,,這里要右移1位:0x80>>1=0x40
  },;//設(shè)置i2c_board_info結(jié)構(gòu)體保存設(shè)備名和設(shè)備地址
  structi2c_adapter*i2c_adap;
  i2c_adap=i2c_get_adapter(0),;
  //使用S5PV210第一個控制器
  pic_touch_client=i2c_new_device(i2c_adap,,&pic_touch_info);
  //調(diào)用i2c_new_device創(chuàng)建并注冊I2C
  //設(shè)備對應(yīng)的i2c_client結(jié)構(gòu)體
  第二部分定義和注冊I2C設(shè)備驅(qū)動,,其中i2c_driver為核心結(jié)構(gòu)體,,設(shè)置驅(qū)動所能支持的設(shè)備列表pic_touch_id_table[],提供探測函數(shù)pic_touch_probe(),,當(dāng)總線驅(qū)動發(fā)現(xiàn)i2c_client設(shè)備名與id_table中相同時,,會自動發(fā)出設(shè)備地址,如果收到ACK,,則確定設(shè)備存在,,總線驅(qū)動會把設(shè)備掛接到此驅(qū)動并調(diào)用pic_touch_probe(),在此函數(shù)中注冊字符設(shè)備創(chuàng)建設(shè)備訪問節(jié)點(diǎn),,構(gòu)造file_openration結(jié)構(gòu)體,,在此結(jié)構(gòu)體中編寫實(shí)際操作硬件的讀寫函數(shù)。
  i2c_driver關(guān)鍵代碼及結(jié)構(gòu):
  struct i2c_device_id pic_touch_id_table
  []={{"pic_touch",,0},,{}};//填充與i2c_client相同的
  //設(shè)備名pic_touch,,使此驅(qū)動適用于傳感器設(shè)備
  //創(chuàng)建i2c_driver結(jié)構(gòu)體對象
  struct i2c_driver pic_touch_driver={
  .driver={
  .name="pic_touchdrv",,
  .owner=THIS_MODULE,
  },,
  .probe=pic_touch_probe,,//設(shè)置探測函數(shù),此函數(shù)在驅(qū)動
  //與i2c_client匹配時調(diào)用,,在此函數(shù)中完成字符設(shè)備的注冊
  .remove=__devexit_p(pic_touch_remove),,
  //去除驅(qū)動時調(diào)用
  .id_table=pic_touch_id_table,
  //在此id_table中查找本驅(qū)動支持的設(shè)備
  },;
  探測函數(shù)pic_touch_probe()中關(guān)鍵段:
  major=register_chrdev(0,,"pic_touch",
  &pic_touch_fops),;//注冊字符設(shè)備
  class=class_create(THIS_MODULE,,"pic_touch");
  device_create(class,,NULL,,MKDEV(major,0),,NULL,,"pic_touch");
  //生成設(shè)備訪問節(jié)點(diǎn)/dev/pic_touch
  構(gòu)造file_operations結(jié)構(gòu)體填充讀寫函數(shù)
  file_operations pic_touch_fops={
  .owner=THIS_MODULE,,
  .read=pic_touch_read,,
  .write=pic_touch_write,
  },;
  pic_touch_read()和pic_touch_write()是實(shí)際操作硬件的函數(shù),。需要根據(jù)從機(jī)端觸摸傳感器I2C固件需求的時序設(shè)計(jì)。
  本文采用Linux內(nèi)核提供的SMBus讀寫函數(shù)實(shí)現(xiàn),,SMBus(System Management Bus)是I2C的子集,。
  讀函數(shù)pic_touch_read()關(guān)鍵程序段:
  data=i2c_smbus_read_byte(pic_touch_client);
  //從傳感器讀數(shù)據(jù)存在內(nèi)核緩沖data
  copy_to_user(buf,,&data,,1);
  //將讀取的傳感器數(shù)據(jù)data拷貝到用戶buf空間
  寫函數(shù)pic_touch_write()關(guān)鍵程序段:
  copy_from_user(&data,,buf,,1);
  //從用戶空間buf拷貝1 B數(shù)據(jù)到內(nèi)核緩沖區(qū)data
  i2c_smbus_write_byte(pic_touch_client,,data)
  //將數(shù)據(jù)發(fā)送給傳感器設(shè)備
3 測試
  無觸摸ADC取值穩(wěn)定,,觸摸后因每次觸摸面積不同使得讀取ADC值差別較大,本設(shè)計(jì)根據(jù)表1測試結(jié)果設(shè)置觸發(fā)閾值為0x0200,,實(shí)際中需根據(jù)靈敏度要求和測試結(jié)果合理設(shè)置閾值,,利用Time1中斷定時掃描讀取2個觸摸傳感器值,設(shè)置的中斷時間為480 OVM6}M)IBR%54@(X)_BM%19.jpg,,CTMU充電時間為1.25OVM6}M)IBR%54@(X)_BM%19.jpg ,。
  主控端Linux下讀取傳感器狀態(tài),先insmod加載驅(qū)動,,生成設(shè)備節(jié)點(diǎn)/dev/pic_touch:
  #insmod pic_touch_dev.ko
  #insmod pic_touch_drv.ko
  打印調(diào)試信息:
  pic_touch_pad is probed,, make chdev node:/dev/pic_touch
  #ls/dev/pic_touch
  /dev/pic_touch
  無觸摸時,Linux下運(yùn)行如下測試程序:
  #./pic_touch_testrw r
  readdata=0x00 touch state is:0x00
  成功返回?zé)o觸摸狀態(tài)0x00,。
  分別觸摸傳感器1和傳感器2,,運(yùn)行測試程序:
  #./pic_touch_testrw r
  readdata=0x01 touch state is:0x01
  #./pic_touch_testrw r
  readdata=0x02 touch state is:0x02
  成功讀取傳感器1和2被觸摸狀態(tài)0x01,0x02,。
  發(fā)送數(shù)據(jù)0xaa給傳感器接收測試LED:
  #./pic_touch_testrw w 0xaa
  cmmd=0xaa write success!,,cmd=0xaa
  發(fā)送成功,LED狀態(tài)正確,。
  為檢測傳感器性能,,實(shí)測時傳感器表面蓋一層1 mm厚的透明塑料,,LED同時指示傳感器狀態(tài)。測試結(jié)果表明,,設(shè)置的觸摸傳感器掃描頻率和觸發(fā)閾值有很好的靈敏度和穩(wěn)定性,,在主控端Linux I2C速率為100 kb/s下可實(shí)時精確地獲取傳感器觸摸狀態(tài)信息,達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo),。本文在Linux下基于MCU實(shí)現(xiàn)觸摸傳感系統(tǒng)也便于后續(xù)利用MCU擴(kuò)展傳感器功能,。
  參考文獻(xiàn)
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  [2] Microchip Technology Inc.Microchip CTMU for Capacitive Touch Applications[Z]. 2009.
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  [4] 韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊[M].北京:人民郵電出版社,,2008.

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