觸摸屏的硬件原理
按照觸摸屏的工作原理和傳輸信息的介質(zhì)，我們把觸摸屏分為4種：電阻式、電容感應(yīng)式、紅外線式以及表面聲波式。
電阻式觸摸屏利用壓力感應(yīng)進(jìn)行控制，包含上下疊合的兩個(gè)透明層，通常還要用一種彈性材料來(lái)將兩層隔開(kāi)。在觸摸某點(diǎn)時(shí)，兩層會(huì)在此點(diǎn)接通。四線和八線觸摸屏由兩層具有相同表面電阻的透明阻性材料組成，五線和七線觸摸屏由一個(gè)阻性層和一個(gè)導(dǎo)電層組成。
所有的電阻式觸摸屏都采用分壓器原理來(lái)產(chǎn)生代表X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的電壓。如圖1所示，分壓器是通過(guò)將兩個(gè)電阻進(jìn)行串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電阻R1連接正參考電壓VREF，電阻R2接地。兩個(gè)電阻連接點(diǎn)處的電壓測(cè)量值與R2的阻值成正比。
圖1 電阻觸摸屏分壓
為了在電阻式觸摸屏上的特定方向測(cè)量一個(gè)坐標(biāo)，需要對(duì)一個(gè)阻性層進(jìn)行偏置：將它的一邊接VREF，另一邊接地。同時(shí)，將未偏置的那一層連接到一個(gè)ADC的高阻抗輸入端。當(dāng)觸摸屏上的壓力足夠大，兩層之間發(fā)生接觸時(shí)，電阻性表面被分隔為兩個(gè)電阻。它們的阻值與觸摸點(diǎn)到偏置邊緣的距離成正比。觸摸點(diǎn)與接地邊之間的電阻相當(dāng)于分壓器中下面的那個(gè)電阻。因此，在未偏置層上測(cè)得的電壓與觸摸點(diǎn)到接地邊之間的距離成正比。
四線觸摸屏包含兩個(gè)阻性層。其中一層在屏幕的左右邊緣各有一條垂直總線，另一層在屏幕的底部和頂部各有一條水平總線，如圖2所示。為了在X軸方向進(jìn)行測(cè)量，將左側(cè)總線偏置為0V，右側(cè)總線偏置為VREF。將頂部或底部總線連接到ADC，當(dāng)頂層和底層相接觸時(shí)即可作一次測(cè)量。為了在Y軸方向進(jìn)行測(cè)量，將頂部總線偏置為VREF，底部總線偏置為0V。將ADC輸入端接左側(cè)總線或右側(cè)總線，當(dāng)頂層與底層相接觸時(shí)即可對(duì)電壓進(jìn)行測(cè)量。
圖2 四線電阻式觸摸屏
S3C2410接4線電阻式觸摸屏的電路原理如圖3所示。S3C2410提供了nYMON、YMON、nXPON和XMON直接作為觸摸屏的控制信號(hào)，它通過(guò)連接FDC6321場(chǎng)效應(yīng)管觸摸屏驅(qū)動(dòng)器控制觸摸屏。輸入信號(hào)在經(jīng)過(guò)阻容式低通濾器濾除坐標(biāo)信號(hào)噪聲后被接入S3C2410內(nèi)集成的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）的模擬信號(hào)輸入通道AIN5、AIN7。
S3C2410內(nèi)置了一個(gè)8信道的10位ADC，該ADC能以500KS/S的采樣速率將外部的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為10位分辨率的數(shù)字量。因此，ADC能與觸摸屏控制器協(xié)同工作，完成對(duì)觸摸屏絕對(duì)地址的測(cè)量。
S3C2410的ADC和觸摸屏接口可工作于5種模式，分別如下：
1.普通轉(zhuǎn)換模式（Normal Converson Mode）
普通轉(zhuǎn)換模式（AUTO_PST = 0，XY_PST = 0）用來(lái)進(jìn)行一般的ADC轉(zhuǎn)換，例如通過(guò)ADC測(cè)量電池電壓等。
2.獨(dú)立X/Y位置轉(zhuǎn)換模式（Separate X/Y Position Conversion Mode）
獨(dú)立X/Y軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式其實(shí)包含了X軸模式和Y軸模式。為獲得X、Y坐標(biāo)，需首先進(jìn)行X軸的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（AUTO_PST = 0，XY_PST = 1），X軸的轉(zhuǎn)換資料會(huì)寫到ADCDAT0寄存器的XPDAT中，等待轉(zhuǎn)換完成后，觸摸屏控制器會(huì)產(chǎn)生INT_ADC中斷。然后，進(jìn)行Y軸的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（AUTO_PST = 0，XY_PST = 2），Y軸的轉(zhuǎn)換資料會(huì)寫到ADCDAT1寄存器的YPDAT中，等待轉(zhuǎn)換完成后，觸摸屏控制器也會(huì)產(chǎn)生INT_ADC中斷。
3.自動(dòng)（連續(xù)）X/Y位置轉(zhuǎn)換模式（Auto X/Y Position Conversion Mode）
自動(dòng)（連續(xù)）X/Y位置轉(zhuǎn)換模式（AUTO_PST = 1，XY_PST = 0）運(yùn)行方式是觸摸屏控制自動(dòng)轉(zhuǎn)換X位置和Y位置。觸摸屏控制器在ADCDAT0的XPDATA位寫入X測(cè)定數(shù)據(jù)，在ADCDAT1的YPADATA位寫入Y測(cè)定數(shù)據(jù)。自動(dòng)（連續(xù)）位置轉(zhuǎn)換后，觸摸屏控制器產(chǎn)生INT_ADC中斷。
4．等待中斷模式（Wait for Interrupt Mode）
當(dāng)觸摸屏控制器等待中斷模式時(shí)，它等待觸摸屏觸點(diǎn)信號(hào)的到來(lái)。當(dāng)觸點(diǎn)信號(hào)到來(lái)時(shí)，控制器產(chǎn)生INT_TC中斷信號(hào)。然后，X位置和Y位置能被適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)換模式（獨(dú)立X/Y位置轉(zhuǎn)換模式或自動(dòng)X/Y位置轉(zhuǎn)換模式）讀取到。
5.待機(jī)模式（Standby Mode）
當(dāng)ADCCON寄存器的STDBM位置1時(shí)，待機(jī)模式被激活。在這種模式下，A/D轉(zhuǎn)換動(dòng)作被禁止，ADCDAT0的XPDATA位和ADXDATA1的YPDAT保留以前被轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。
觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
觸摸屏設(shè)備結(jié)構(gòu)體的成員與按鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)體的成員類似，也包含一個(gè)緩沖區(qū)，同時(shí)包括自旋鎖、等待隊(duì)列和fasync_struct指針，如代碼清單12.12所示。
代碼清單12.12 觸摸屏設(shè)備結(jié)構(gòu)體
1 typedef struct
2 {
3 unsigned int penStatus; /* PEN_UP, PEN_DOWN, PEN_SAMPLE */
4 TS_RET buf[MAX_TS_BUF]; /* 緩沖區(qū) */
5 unsigned int head, tail; /* 緩沖區(qū)頭和尾 */
6 wait_queue_head_t wq; /*等待隊(duì)列*/
7 spinlock_t lock;
8 #ifdef USE_ASYNC
9 struct fasync_struct *aq;
10 #endif
11 struct cdev cdev;
12 } TS_DEV;
觸摸屏結(jié)構(gòu)體中包含的TS_RET值的類型定義如代碼清單12.13所示，包含X、Y坐標(biāo)和狀態(tài)（PEN_DOWN、PEN_UP）等信息，這個(gè)信息會(huì)在用戶讀取觸摸信息時(shí)復(fù)制到用戶空間。
代碼清單12.13 TS_RET結(jié)構(gòu)體
1 typedef struct
2 {
3 unsigned short pressure;//PEN_DOWN、PEN_UP
4 unsigned short x;//x坐標(biāo)
5 unsigned short y;//y坐標(biāo)
6 unsigned short pad;
7 } TS_RET;
在觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)中，將實(shí)現(xiàn)open()、release()、read()、fasync()和poll()函數(shù)，因此，其文件操作結(jié)構(gòu)體定義如代碼清單12.14所示。
代碼清單12.14 觸摸屏驅(qū)動(dòng)文件操作結(jié)構(gòu)體
1 static struct file_operations s3c2410_fops =
2 {
3 owner: THIS_MODULE,
4 open: s3c2410_ts_open, //打開(kāi)
5 read: s3c2410_ts_read, //讀坐標(biāo)
6 release:
7 s3c2410_ts_release,
8 #ifdef USE_ASYNC
9 fasync: s3c2410_ts_fasync, // fasync()函數(shù)
10 #endif
11 poll: s3c2410_ts_poll,//輪詢
12 };
觸摸屏驅(qū)動(dòng)中的硬件控制
代碼清單12.15中的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。
代碼清單12.15 觸摸屏和ADC硬件控制
1 #define wait_down_int(){ ADCTSC = DOWN_INT | XP_PULL_UP_EN |\
2 XP_AIN | XM_HIZ | YP_AIN | YM_GND | \
3 XP_PST(WAIT_INT_MODE); }
4 #define wait_up_int(){ ADCTSC = UP_INT | XP_PULL_UP_EN | XP_AIN |\
5 XM_HIZ |YP_AIN | YM_GND | XP_PST(WAIT_INT_MODE); }
6 #define mode_x_axis(){ ADCTSC = XP_EXTVLT | XM_GND | YP_AIN \
7 | YM_HIZ |XP_PULL_UP_DIS | XP_PST(X_AXIS_MODE); }
8 #define mode_x_axis_n(){ ADCTSC = XP_EXTVLT | XM_GND | YP_AIN | \
9 YM_HIZ |XP_PULL_UP_DIS | XP_PST(NOP_MODE); }
10 #define mode_y_axis(){ ADCTSC = XP_AIN | XM_HIZ | YP_EXTVLT \
11 | YM_GND |XP_PULL_UP_DIS | XP_PST(Y_AXIS_MODE); }
12 #define start_adc_x(){ ADCCON = PRESCALE_EN | PRSCVL(49) | \
13 ADC_INPUT(ADC_IN5) | ADC_START_BY_RD_EN | \
14 ADC_NORMAL_MODE; \
15 ADCDAT0; }
16 #define start_adc_y(){ ADCCON = PRESCALE_EN | PRSCVL(49) | \
17 ADC_INPUT(ADC_IN7) | ADC_START_BY_RD_EN | \
18 ADC_NORMAL_MODE; \
19 ADCDAT1; }
20 #define disable_ts_adc(){ ADCCON &= ~(ADCCON_READ_START); }
觸摸屏驅(qū)動(dòng)模塊加載和卸載函數(shù)
在觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)的模塊加載函數(shù)中，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（YPON、YMON、XPON、XMON）等多項(xiàng)工作，如代碼清單12.16所示。
代碼清單12.16 觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)的模塊加載函數(shù)
1 static int __init s3c2410_ts_init(void)
2 {
3 int ret;
4 tsEvent = tsEvent_dummy;
5 ...//申請(qǐng)?jiān)O(shè)備號(hào)，添加cdev
6
7 /* 設(shè)置XP、YM、YP和YM對(duì)應(yīng)引腳 */
8 set_gpio_ctrl(GPIO_YPON);
9 set_gpio_ctrl(GPIO_YMON);
10 set_gpio_ctrl(GPIO_XPON);
11 set_gpio_ctrl(GPIO_XMON);
12
13 /* 使能觸摸屏中斷 */
14 ret = request_irq(IRQ_ADC_DONE, s3c2410_isr_adc,
15 SA_INTERRUPT, DEVICE_NAME,s3c2410_isr_adc);
16 if (ret)
17 goto adc_failed;
18 ret = request_irq(IRQ_TC, s3c2410_isr_tc, SA_INTERRUPT,
19 DEVICE_NAME,s3c2410_isr_tc);
20 if (ret)
21 goto tc_failed;
22
23 /*置于等待觸點(diǎn)中斷模式*/
24 wait_down_int();
25
26 printk(DEVICE_NAME " initialized\n");
27
28 return 0;
29 tc_failed:
30 free_irq(IRQ_ADC_DONE, s3c2410_isr_adc);
31 adc_failed:
32 return ret;
33 }
在觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)的模塊卸載函數(shù)中，要完成釋放設(shè)備號(hào)、刪除cdev、釋放中斷等工作，如代碼清單12.17所示。
代碼清單12.17 觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊卸載函數(shù)
1 static void __exit s3c2410_ts_exit(void)
2 {
3 ...//釋放設(shè)備號(hào)，刪除cdev
4 free_irq(IRQ_ADC_DONE, s3c2410_isr_adc);
5 free_irq(IRQ_TC, s3c2410_isr_tc);
6 }
觸摸屏驅(qū)動(dòng)中斷、定時(shí)器處理程序
由文章開(kāi)頭對(duì)觸摸屏和ADC模式的分析，可知觸摸屏驅(qū)動(dòng)中會(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）。在前一類中斷發(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。另外，將抬起中斷也放在INT-TC處理程序中，它會(huì)調(diào)用tsEvent()完成等待隊(duì)列和信號(hào)的釋放，如代碼清單12.18所示。
代碼清單12.18 觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)的觸點(diǎn)/抬起中斷處理程序
1 static void s3c2410_isr_tc(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *reg)
2 {
3 spin_lock_irq(&(tsdev.lock));
4 if (tsdev.penStatus == PEN_UP)
5 {
6 start_ts_adc(); //開(kāi)始X/Y位置轉(zhuǎn)換
7 }
8 else
9 {
10 tsdev.penStatus = PEN_UP;
11 DPRINTK("PEN UP: x: %08d, y: %08d\n", x, y);
12 wait_down_int();//置于等待觸點(diǎn)中斷模式
13 tsEvent();
14 }
15 spin_unlock_irq(&(tsdev.lock));
16 }
當(dāng)X/Y位置轉(zhuǎn)換中斷發(fā)生后，應(yīng)讀取X、Y的坐標(biāo)值，填入緩沖區(qū)，如代碼清單12.19所示。
代碼清單12.19 觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)X/Y位置轉(zhuǎn)換中斷處理程序
1 static void s3c2410_isr_adc(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *reg)
2 {
3 spin_lock_irq(&(tsdev.lock));
4 if (tsdev.penStatus == PEN_UP)
5 s3c2410_get_XY(); //讀取坐標(biāo)
6 #ifdef HOOK_FOR_DRAG
7 else
8 s3c2410_get_XY();
9 #endif
10 spin_unlock_irq(&(tsdev.lock));
11 }
上述程序中調(diào)用的s3c2410_get_XY()用于獲得X、Y坐標(biāo)，它使用代碼清單12.15的硬件操作宏實(shí)現(xiàn)，如代碼清單12.20所示。
代碼清單12.20 觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)中獲得X、Y坐標(biāo)
1 static inline void s3c2410_get_XY(void)
2 {
3 if (adc_state == 0)
4 {
5 adc_state = 1;
6 disable_ts_adc(); //禁止INT-ADC
7 y = (ADCDAT0 &0x3ff); //讀取坐標(biāo)值
8 mode_y_axis();
9 start_adc_y(); //開(kāi)始y位置轉(zhuǎn)換
10 }
11 else if (adc_state == 1)
12 {
13 adc_state = 0;
14 disable_ts_adc(); //禁止INT-ADC
15 x = (ADCDAT1 &0x3ff); //讀取坐標(biāo)值
16 tsdev.penStatus = PEN_DOWN;
17 DPRINTK("PEN DOWN: x: %08d, y: %08d\n", x, y);
18 wait_up_int(); //置于等待抬起中斷模式
19 tsEvent();
20 }
21 }
代碼清單12.18、12.20中調(diào)用的tsEvent最終為tsEvent_raw()，這個(gè)函數(shù)很關(guān)鍵，當(dāng)處于PEN_DOWN狀態(tài)時(shí)調(diào)用該函數(shù)，它會(huì)完成緩沖區(qū)的填充、等待隊(duì)列的喚醒以及異步通知信號(hào)的釋放；否則（處于PEN_UP狀態(tài)），將緩沖區(qū)頭清0，也喚醒等待隊(duì)列并釋放信號(hào)，如代碼清單12.21所示。
代碼清單12.21 觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)的tsEvent_raw()函數(shù)
1 static void tsEvent_raw(void)
2 {
3 if (tsdev.penStatus == PEN_DOWN)
4 {
5 /*填充緩沖區(qū)*/
6 BUF_HEAD.x = x;
7 BUF_HEAD.y = y;
8 BUF_HEAD.pressure = PEN_DOWN;
9
10 #ifdef HOOK_FOR_DRAG
11 ts_timer.expires = jiffies + TS_TIMER_DELAY;
12 add_timer(&ts_timer);//啟動(dòng)定時(shí)器
13 #endif
14 }
15 else
16 {
17 #ifdef HOOK_FOR_DRAG
18 del_timer(&ts_timer);
19 #endif
20
21 /*填充緩沖區(qū)*/
22 BUF_HEAD.x = 0;
23 BUF_HEAD.y = 0;
24 BUF_HEAD.pressure = PEN_UP;
25 }
26
27 tsdev.head = INCBUF(tsdev.head, MAX_TS_BUF);
28 wake_up_interruptible(&(tsdev.wq)); //喚醒等待隊(duì)列
29
30 #ifdef USE_ASYNC
31 if (tsdev.aq)
32 kill_fasync(&(tsdev.aq), SIGIO, POLL_IN);//異步通知
33 #endif
34 }
在包含了對(duì)拖動(dòng)軌跡支持的情況下，定時(shí)器會(huì)被啟用，周期為10ms，在每次定時(shí)器處理函數(shù)被引發(fā)時(shí)，調(diào)用start_ts_adc()開(kāi)始X/Y位置轉(zhuǎn)換過(guò)程，如代碼清單12.22所示。
代碼清單12.22 觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)的定時(shí)器處理函數(shù)
1 #ifdef HOOK_FOR_DRAG
2 static void ts_timer_handler(unsigned long data)
3 {
4 spin_lock_irq(&(tsdev.lock));
5 if (tsdev.penStatus == PEN_DOWN)
6 {
7 start_ts_adc(); //開(kāi)始X/Y位置轉(zhuǎn)換
8 }
9 spin_unlock_irq(&(tsdev.lock));
10 }
11 #endif
觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)的打開(kāi)、釋放函數(shù)
在觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)的打開(kāi)函數(shù)中，應(yīng)初始化緩沖區(qū)、penStatus和定期器、等待隊(duì)列及tsEvent時(shí)間處理函數(shù)指針，如代碼清單12.23所示。
代碼清單12.23 觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)的打開(kāi)函數(shù)
1 static int s3c2410_ts_open(struct inode *inode, struct file *filp)
2 {
3 tsdev.head = tsdev.tail = 0;
4 tsdev.penStatus = PEN_UP;//初始化觸摸屏狀態(tài)為PEN_UP
5 #ifdef HOOK_FOR_DRAG //如果定義了拖動(dòng)鉤子函數(shù)
6 init_timer(&ts_timer);//初始化定時(shí)器
7 ts_timer.function = ts_timer_handler;
8 #endif
9 tsEvent = tsEvent_raw;
10 init_waitqueue_head(&(tsdev.wq));//初始化等待隊(duì)列
11
12 return 0;
13 }
觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)的釋放函數(shù)非常簡(jiǎn)單，刪除為用于拖動(dòng)軌跡所使用的定時(shí)器即可，如代碼清單12.24所示。
代碼清單12.24 觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)的釋放函數(shù)
1 static int s3c2410_ts_release(struct inode *inode, struct file *filp)
2 {
3 #ifdef HOOK_FOR_DRAG
4 del_timer(&ts_timer);//刪除定時(shí)器
5 #endif
6 return 0;
7 }
觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)的讀函數(shù)
觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)的讀函數(shù)實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)中信息向用戶空間的復(fù)制，當(dāng)緩沖區(qū)有內(nèi)容時(shí)，直接復(fù)制；否則，如果用戶阻塞訪問(wèn)觸摸屏，則進(jìn)程在等待隊(duì)列上睡眠，否則，立即返回-EAGAIN，如代碼清單12.25所示。
代碼清單12.25 觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)的讀函數(shù)
1 static ssize_t s3c2410_ts_read(struct file *filp, char *buffer, size_t count,
2 loff_t *ppos)
3 {
4 TS_RET ts_ret;
5
6 retry:
7 if (tsdev.head != tsdev.tail) //緩沖區(qū)有信息
8 {
9 int count;
10 count = tsRead(&ts_ret);
11 if (count)
12 copy_to_user(buffer, (char*) &ts_ret, count);//復(fù)制到用戶空間
13 return count;
14 }
15 else
16 {
17 if (filp->f_flags &O_NONBLOCK) //非阻塞讀
18 return - EAGAIN;
19 interruptible_sleep_on(&(tsdev.wq)); //在等待隊(duì)列上睡眠
20 if (signal_pending(current))
21 return - ERESTARTSYS;
22 goto retry;
23 }
24
25 return sizeof(TS_RET);
26 }
觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)的輪詢與異步通知
在觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)中，通過(guò)s3c2410_ts_poll()函數(shù)實(shí)現(xiàn)了輪詢接口，這個(gè)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單。它將等待隊(duì)列添加到poll_table，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，如代碼清單12.26所示。
代碼清單12.26 觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)的poll()函數(shù)
1 static unsigned int s3c2410_ts_poll(struct file *filp, struct poll_table_struct *wait)
2 {
3 poll_wait(filp, &(tsdev.wq), wait);//添加等待隊(duì)列到poll_table
4 return (tsdev.head == tsdev.tail) ? 0 : (POLLIN | POLLRDNORM);
5 }
而為了實(shí)現(xiàn)觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)用程序的異步通知，設(shè)備驅(qū)動(dòng)中要實(shí)現(xiàn)s3c2410_ts_fasync()函數(shù)，這個(gè)函數(shù)與第9章給出的模板完全一樣，如代碼清單12.27所示。
代碼清單12.27 觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)的fasync()函數(shù)
1 #ifdef USE_ASYNC
2 static int s3c2410_ts_fasync(int fd, struct file *filp, int mode)
3 {
4 return fasync_helper(fd, filp, mode, &(tsdev.aq));
5 }
6 #endif
