第11章 触摸屏电路设计及驱动开发

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·如果用到设备的EV_ABS事件，则要设定结构体的 absmin[ABS_X]、absmax[ABS_X]、absmin[ABS_Y]和 absmax[ABS_Y]域。它们用来确定从设备接收数据的允 许取值范围。 ·设备注册之前必须设定好结构体的name、 Id.product、Id.vendor和Id.version等域。这些成员 变量用于存储设备的产品信息。 ·调用_set_bit()函数设置evbit域的对应位，告 诉内核的输入设备子系统该设备会产生哪些类型的事 件；设置absbit域的对应位，告诉内核设备会产生哪 些类型的绝对值；设置keybit域的对应位，告诉内核 设备会产生哪些类型的按键值。 ·编写好驱动程序的open()操作接口函数和close() 操作接口函数，并把它们的函数指针赋给dev.open和 dev.close成员变量。
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11.4.2 硬件操控原理
硬件操控层属于驱动程序的最底层，主要的功能是 判断设备的状态、控制设备工作以及实现设备原始数据 的读/写。设备所有的硬件细节基本由这层的程序处理。 编写硬件操控层的程序要考虑器件的物理电气特性和数 字逻辑特性，以准确实现对设备的各种基本操作。在模 块化程序设计中，根据实现功能的独立性一般将对硬件 的基本操作编写为若干函数。例如可以将设备状态的判 断写成一个函数，设备运转的控制写成一个函数，对设 备数据的读/写又写成另外一个函数。这样将所有硬件的 底层特性利用模块化的方法封装起来。 触摸屏驱动程序硬件操控层要处理的关键问题有: 设备的初始化、触笔状态的判断和触点原始坐标数据的 读/写。
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ADS7843的各引脚定义如P259表11-1所列。
芯片包含一个多路模拟开关组成的供电-测量电路 网络和一个12位的A／D转换器(参见图11-3)。 ADS7843 根据处理器发来的不同命令导通不同的模拟开关，向一 个工作面电极对提供参考电压，并把另一个工作面测量 电极上的代表触点坐标位置的电压模拟量引入A／D转换 器。 ADS7843的电压的测量方式有单端方式和差分方式 两种，这两种测量方式可以通过命令控制字选择。当通 过命令控制字，将Vcc设置为参考电压时，ADS7843工作 在单端方式；当将Y+/Y-或者X+/X-电极对设置为参考电 压时，ADS7843就工作在差分方式。
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2. 状态判断函数
状态判断函数程序如下：
这个函数用于探测触笔的状态。若触笔按下，则函数返回1； 若触笔没按下，则函数返回O。函数中的GPLR0是个宏定义，它读 取GPLR0寄存器的值，它的值反映0～31号GPIO口的电平状态。由 前面的硬件描述可知，当触笔没有按下时，ADS7843的PENIRQ引 脚为高电平，只有当触笔按下时其引脚电平才变低。从图ll-5可 知，PENIRQ与GPIO5相连，因此， GPLR0&GPIO_bit(ADS784_PENIRQ))的值就能反映触笔的状态。
触摸屏驱动的初始化的源代码如P266。
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2. 硬件输入数据的报告
驱动接收到用户输入的数据后，须使用事 件报告函数将数据发送到输入设备子系统。根 据事件类型的不同，使用到的事件报告函数也 略有不同。这些事件共有3种基本类型，下面对 它们及相应的事件报告函数分别给予说明：
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·EV_KEY事件。主要由按键和按钮等设备 触发，通过input_report_key(struet input 利用等待队列实现阻塞型 I／o dev *dev，int code，int value)函数把发生 的事件通报给内核。 ·EV_REL事件。主要由鼠标等设备触发， 通过input_report_rel(struct input_dev *dev，int code，int value)函数把发生的事 件通报给内核。 ·EV_ABS事件。主要由触摸屏这类能产生 绝对值数据的设备触发，通过input_report_ abs(struct input_dev *dev，int code，int value)函数把产生的数据报给内核。
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11.3 处理器与ADS7843的接口设计 11.3.1 电路接口设计
PXA255处理器与ADS7843的接口电路涉及PXA255 的GPIO口以及地址总线和数据总线，它的电路设计如 图11-5所示。
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ADS7843具体外围电路设计，参见图11-6
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11.3.2 Microwire数据帧结构
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11.4 触摸屏软件驱动原理
11.4.1 Linux内核输入设备子系统驱动架构
Linux内核的输入(Input)设备子系统为按键、鼠 标、游戏控制杆、触摸屏等设备提供了设备驱动接口。 采用这个接口可简化设备驱动的设计，它的分层结构 如图11-8所示。其中硬件操控层负责处理设备所有的 底层硬件细节，这也是输入设备驱动须实现的部分； 输入设备接口负责接收硬件操控层获取的原始数据并 对其进行处理后送人输入设备子系统，输入设备 子系统通过Input-Event编程接口向用户程序提供设 备的输入信息。 触摸屏的驱动采用输入设备驱动接口设计，需要 完成的就是硬件操控层的编写。
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1. 设备初始化
设备初始化程序如下：
触摸屏设备初始化所作的工作很简单，就是对相关硬件寄存 器的设置。这里用到的GPDR0是PXA255 GPIO口的控制寄存器，用 于控制GPIO0～GPIO31口的输入/输出模式。若GPDR0某位为O，则 对应的GPIO口设为输入，反之设为输出。GPIO_bit(ADS7843-BUSY) 用于取得ADS7843的BUSY脚在32位GPDR0寄存器中的对应位 (0x00000002)。ADS7843_Enable_IRQ()函数通过向ADS7843发送命 令控制字0X00使该触屏控制器中断使能(参见表11-1)。
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触摸屏按其技术原理可分为矢量压力传感式、电阻式、 电容式、红外线式和表面声波式类，其中电阻式触摸屏在 嵌入式系统中使用较多。 如图11-2所示，电阻式 触摸屏由4层透明的复合薄膜 组成。最上面一层是外表面 经过硬化处理、光滑防刮的 塑料层；最下面一层是玻璃 或有机玻璃构成的基层；在 基层之上和塑料层内表面中 间是两层金属导电层，两导 电层之间有许多细小的透明 隔离点把这两层隔开。当手 指触摸屏幕时，两导电层在 触摸点处接触。
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11.2 ADS7843触摸屏控制器简介
如前所述，触摸屏产生的是模拟信号，将这个模 拟信号转换为计算机能处理的数字信号需要通过触摸 屏控制器完成。 本章所用的触摸屏控制器ADS7843是BB公司生产 一款专用的触摸屏控制芯片，它采用16引脚小型薄型 封装。该芯片有一个12位的A/D转换器，它作为触摸 屏与CPU之间通信的桥梁，能将触摸屏上触点的模拟 电压转换成数字信号，从而准确判断出触点的坐标位 置。ADS7843的供电电压Vcc为2.7～5V，参考电压VREF， 为1V～+Vcc，转换电压的输入范围为0～ VREF。它支 持单端和差分两种测量方式，最高转换速率可达到 125kHz。
第十一章 触摸屏电路设计与驱动开发
本章要点
● 触摸屏的工作原理
● ADS7843触摸屏控制芯片的工作原理 ● 基于Linux输入设备子系统框架的驱动设计 ● 触摸屏硬件的软件操控原理 ● Linux内核线程的作用
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11.1 触摸屏的工作原理
触摸屏是一种简单、方便的输入设备，它的应用 随着信息社会的发展越来越普遍。为了操作方便，人 们用触摸屏代替鼠标或键盘，根据触笔点击的位置来 定位选择信息输入。目前在高档PDA上，绝大部分都 使用触摸屏作为输入设备。触摸屏附着在显示器的表 面，检测用户点击的位置。触摸屏在用户输入时产生 一个反映用户点击位置的信号。这个信号通常是模拟 信号，它需要通过触摸屏控制器将模拟信号转换为数 字信号(也就是用户点击的坐标)，再送给处理器进行 处理。图11-1所示的是触摸屏、触摸屏控制器与处理 器连接的示意图。本章采用BB公司生产的ADS7843触 摸屏控制器进行硬件电路设计，将触摸屏与处理器连 接起来。
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触摸屏的两个金属导电层是触摸屏的两个工作面(通 常分别称为X工作面和Y工作面)，在每个工作面的两端各 涂有一条银胶，称为该工作面的一对电极。若对一个工 作面的电极对施加电压，则该在工作面上会产生均匀、 连续的平行电压分布。
四线式触摸屏的X工作面和Y工作面共有4根引出线， 分别连到触摸屏的X电极对和Y电极对上。结合图11-1， 当在X方向的电极对施加一个确定的电压，而Y方向电极 对不加电压时，在X平行电压场中，触点处的电压值可以 在Y+(或Y-)电极上反映出来，通过测量Y+电极对地的电 压大小，便可得知触点的X坐标值。同理，当在Y电极对 加电压，而X电极对不加电压时，通过测量X+电极的电压， 便可得知触点的Y坐标。
微处理PXA255与ADS7843的数字接口通过 Microwire的数据帧进行通信。芯片完成一次 A/D转换要24个时钟周期，前8个时钟周期从DIN 引脚输入8位命令控制字，然后等待一个时钟的 BUSY周期(此时BUSY引脚会变高)，最后用15个 时钟周期从高位到低位从DOUT引脚逐位输出A/D 转换结果。具体时序如图11-7所示。
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3. 触点坐标读取函数
触点坐标读取函数程序如P264：
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11.4.3 输入设备驱动接口的使用 1．接口的初始化
使用输入设备驱动接口之前要做一些接口的初始 化工作，设定该接口的工作模式并告之对应设备的事 件类型，此外还要设定整个驱动的open()函数和 close()函数。这些工作是通过对struct input_dev类 型的结构体的成员变量的设置实现的。 具体的工作如下：
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Microwire数据传输可以分两个阶段： ①处理器向ADS7843发送命令控制字。该阶段将决 定ADS7843的工作方式和状态。该命令控制字一共8位， 每一位都有特定的作用和含义，它们分别决定ADC输入 通道、A/D转换精度、参考电压输人模式、省电模式、 中断允许等，具体含义如P262表11-2所列。 ②处理器接收从ADS7843发送过来的A/D转换结果。 该结果是个12位数据，它反映了触摸屏X方向或Y方向 的逻辑坐标值。这两个逻辑坐标经过处理后可转成屏 幕坐标。 触笔坐标的读取要经过2次A/D转换。微处理器前 后要通过发送不同命令字,分别选通触摸屏控制器片内 A/D转换器(ADC)模块的X输入通道和Y输入通道，分别 读取触笔的X坐标值和Y坐标值。
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利用等待队列实现阻塞型I／o
驱动程序报告的数据用结构体封装后放到
一个先人先出队列(FIFO)中，内核对ห้องสมุดไป่ตู้入这个
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本书所使用的工 作方式是差分方式。 这主要是因为采用单 端方式时，Vcc的波动 会引起参考电压的波 动，这将引起测量的 误差。而在差分方式 下，即使Vcc发生波动， 测量点电压(X+电压) 和参考电压(Y+、Y-引 脚之间的电压)的比例 也依然保持不变，测 量结果不会发生波动， 这样可以大大提高测 量的精度。
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以测量触摸点的Y坐标为例，首先通过 命令控制字控制ADS7843内部的模拟开关， 将Y+、Y-引脚置为参考电压，X+引脚置为芯 片内部A/D模拟输入。此时测量到的电压和 参考电压的比例反映了Y轴坐标的大小。图 11-4所示的就是测量触摸点的Y坐标的等效 电路。 同理，若要测量触点X轴坐标值，只要 将X+、X-引脚置为与参考电压，Y+引脚置为 芯片内部A/D的模拟输入即可。
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做完这些工作之后就可以调用 input_device_register(struet input_dev dev) 向内核注册设备。这个注册函数除了实现通用的 设备注册功能外，还会将内核中特定的设备文件 操作接口函数(如read()，write()等函数)映射 到驱动程序中去。这样就简化了驱动的设计，不 用在驱动程序中编写这些操作接口函数。