基于Linux系统和i.MX27芯片的电阻式触摸屏驱动系统设计

lilino · 发表于 2020-3-12 15:21

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　1 引言
　　随着计算机技术的发展和普及，触摸屏技术得到了越来越广泛应用，在各种手持设备中，如手机、MP4、掌上游戏机、掌上PDA 等，由于其方便、舒适，使其完全摆脱了键盘和鼠标的束缚，使人机交互更为直截了当。而在微软最新开发的windows 7操作系统中，就有其值得骄傲并加以推广的多点触摸技术，并成为一大卖点。可见，触摸屏技术引起了上到微软，下到普通老百姓的关注。而在我们的日常生活中，无论你是在商场购物，还是在银行存取款，触摸式的自动服务器将能为你提供了方便快捷的服务。这里通过对触摸屏原理的理解和分析，成功的设计出了CPU与触摸屏芯片之间的硬件连接，并依照硬件和驱动设计的原理，设计出了基于嵌入式Linux 和飞思卡尔i.MX27芯片以及AD7873触摸屏芯片的驱动程序，并成功移植到内核中，实现了家庭控制器系统的触摸技术。
　　2 硬件系统的构成
　　2.1 电阻式触摸屏原理
　　电阻式触摸屏是一种传感器，它将矩形区域中触摸点（X，Y）的物理位置转换为代表X 坐标和Y 坐标的电压。当触摸屏表面受到的压力（如通过笔尖或手指进行按压）足够大时，顶层与底层之间会产生接触。所有的电阻式触摸屏都采用分压器原理来产生代表X 坐标和Y 坐标的电压。如图1 所示，分压器是通过将两个电阻进行串联来实现的。上面的电阻（R1）连接正参考电压（VREF），下面的电阻（R2）接地。两个电阻连接点处的电压测量值与下面那个电阻的阻值成正比。为了在电阻式触摸屏上的特定方向测量一个坐标，需要对一个阻性层进行偏置：将它的一边接VREF，另一边接地。
　　同时，将未偏置的那一层连接到一个ADC 的高阻抗输入端。当触摸屏上的压力足够大，使两层之间发生接触时，电阻性表面被分隔为两个电阻。它们的阻值与触摸点到偏置边缘的距离成正比。触摸点与接地边缘之间的电阻相当于分压器中下面的那个电阻。因此，在未偏置层上测得的电压与触摸点到接地边之间的距离成正比。
　　图1 原理示意图
　　2.2 AD7873 介绍及与系统硬件原理
　　AD7873 是一款12 位逐次逼近型ADC，具有同步串行接口以及用于驱动触摸屏的低导通电阻开关，采用2.2 V 至5.25V 单电源供电，吞吐量大于125KBPS.
　　AD7873 可用于电池测量、温度测量和触摸压力测量，还具有一个2.5 V 片上基准电压源，可用于辅助输入、电池监控器和温度测量等模式。不使用时，可关断内部基准电压源以降低功耗。也可以使用外部基准电压，并可在1V 至VCC 范围内变化，模拟输入范围为0V 至VREF.这款器件具有关断模式，此模式下功耗不足1μA。
　　2.3 AD7873 与CPU 和触摸屏的硬件连接图
　　其硬件原理框图如下，其中的X+，Y+，X-，Y-与触摸屏的相应引脚相连，接受来自触摸屏的模拟信号，然后经过AD7873 芯片的内部处理成数字信号，通过SPI 总线将数据传送给CPU，请求处理。CS 为片选引脚，与CPU 的DTR_DCE1 相连，PENIRQ 为中断引脚，接CPU 的GPIO1_0.
　　基于Linux系统和i.MX27芯片的电阻式触摸屏驱动系统设计
　　图2 硬件连线图
　　基于Linux系统和i.MX27芯片的电阻式触摸屏驱动系统设计
　　图3 触摸系统框图
　　3 软件系统
　　3.1 Linux 设备驱动介绍
　　在Linux 系统中，为了简化对设备的管理，所有的外围设备被归结为3 类：字符设备、块设备、网络设备。Linux 对所有的物理设备进行了抽象，并定义了一个统一的概念：接口。AD7873 被定义为一个字符设备，采用spi 接口与CPU 通讯。
　　3.2 驱动部分重要函数的设计
　　（1）设备驱动程序中数据结构strcut driver 定义了一系列函数操作的接口，这个数据结构将整个驱动连为一体，由这个结构可以看出整个驱动的脉络。由于AD7873 与CPU 连接方式为SPI 总线连接，因此将此设备注册为SPI 设备，即要用到数据结构structspi_driver.
　　对应于AD7873 设备，设计编写的数据结构如下：
　　基于Linux系统和i.MX27芯片的电阻式触摸屏驱动系统设计
　　其中，driver 中定义了驱动名称、总线类型和驱动所有者。
　　probe 函数为探测设备的函数。其主要进行初始化设备数据结构、初始化中断、向设备发送控制字等。
　　remove 函数为设备移除函数。其主要进行移除设备文件、释放中断、释放设备。
　　suspend 为设备暂停函数。
　　resume 为设备恢复函数。
　　（2 设备初始化函数 static int __init ad7873_nit（void）即是注册上述数据结构，也即是注册一个驱动，其中主要的内容为：
　　return spi_register_driver（&ad7873_driver）；（3）还要设计一个重要的函数，就是中断函数，在触摸屏被按下的时候产生中断，在中断函数中的重要工作就是启动定时器，以判断触摸后的动作是触摸笔被提起还是继续按下。其函数原型设计为staticirqreturn_t ads7873_irq（int irq， void *handle）；（4）定时器函数设计的目的就是判断触摸屏是否被提起，被提起就立刻刷新设备的数据到应用层，仍然处于“按下”状态，则需要继续测量。其函数原型设计为：
　　static void ads7873_timer（unsigned longhandle）；
　　3.3 驱动的编译和加载
　　驱动程序加入内核有两种方式动态和静态，动态就是只是把驱动编译为模块，系统启动后执行insmod 后加载，静态是指直接编译进内核，系统启动后自动加载了。由于我们的驱动需要经过测试才能加入内核，因此采用动态的方式加载驱动。
　　在已经安装好开发平台的主机上执行make，就可以得到目标文件ad7873.ko，这就是我们需要的驱动。在platform_data 数据结构中设置好驱动需要的数据，如中断、触摸屏大小、触摸压力上下限等数值，并编译好内核下载到开发板中运行。然后将ad7873.ko 复制到开发板，在终端下执行insmodad7873.ko，得到如下提示：
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　　图4 驱动加载信息
　　显示驱动已经加载成功，中断号为126.
　　（注：“this sectence has been”，为调试驱动中断的测试语句）然后用应用广泛的tslib 触摸屏测试程序对驱动进行测试，测试结果显示，触摸屏工作正常。下图触摸屏上白色的字“桂林电子科技大学触摸屏”为在tslib 的测试程序下用触摸笔写的字，证明了触摸屏工作是正常的。
　　将此设计应用到家庭智能网关系统中，证明其工作稳定，响应很快。
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　　图5 触摸屏正常响应图
　　4 驱动程序出现的问题及解决方法
　　在调试驱动的过程中，出现了很多问题，主要有以下两个：
　　4.1 加载时报错
　　在执行insmod ad7873.ko 时，报错为：
　　ad7873： no version for “struct_module”found： kernel tainted.
　　经过检查，发现是因为platform_data 里面定义的。model=“7873”被写成了。model=“7883”，造成了系统无法识别这个驱动，产生了错误，修改后执行insmod ad7873.ko 成功。
　　4.2 使用tslib 测试软件测试的时候，屏幕无反应
　　原以为是中断程序出了问题，因此在中断里面设置打印信息，发现可以打印，于是确定了中断时正常响应了的。然后跟踪代码检查，发现定时器函数很可疑，于是在定时器函数设置打印信息，发现定时器函数没有正确执行，找到了问题的所在。于是顺藤摸瓜，终于发现原来是在这个函数中fn_get_pendown_state（void），也就是用来得到触摸屏状态的引脚设置不正确，导致定时器函数里面无法得到触摸屏的状态，所以无响应。修改了定时器的引脚定义使其指向正确的引脚便一切OK。
　　5 结论
　　本文从硬件到软件设计了整个触摸屏驱动系统。作为家庭无线智能控制器的一部分，触摸屏使整个系统使用更方便与高效。而未来随着对触摸技术的越来越高的要求，如多点触摸技术，需要驱动为上层应用提供更稳定的处理与更多的接口，以便上层应用可以更加高效的编写应用程序来应对复杂的机制。这就需要在内核驱动层改进驱动的结构与算法来应对。

wiwiwisju · 发表于 2020-3-12 16:37

将此设计应用到家庭智能网关系统中，证明其工作稳定，响应很快。

winushej · 发表于 2020-3-13 17:35

这里通过对触摸屏原理的理解和分析，成功的设计出了CPU与触摸屏芯片之间的硬件连接，并依照硬件和驱动设计的原理，设计出了基于嵌入式Linux 和飞思卡尔i.MX27芯片以及AD7873触摸屏芯片的驱动程序，并成功移植到内核中，实现了家庭控制器系统的触摸技术。

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