触摸屏的硬件原理.docx
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触摸屏的硬件原理
12.2.1触摸屏的硬件原理
按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，我们把触摸屏分为4种：
电阻式、电容感应式、红外线式以及表面声波式。
电阻式触摸屏利用压力感应进行控制，包含上下叠合的两个透明层，通常还要用一种弹性材料来将两层隔开。
在触摸某点时，两层会在此点接通。
四线和八线触摸屏由两层具有相同表面电阻的透明阻性材料组成，五线和七线触摸屏由一个阻性层和一个导电层组成。
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12.4所示，分压器是通过将两个电阻进行串联来实现的。
电阻R1连接正参考电压VREF，电阻R2接地。
两个电阻连接点处的电压测量值与R2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，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。
四线触摸屏包含两个阻性层。
其中一层在屏幕的左右边缘各有一条垂直总线，另一层在屏幕的底部和顶部各有一条水平总线，如图12.5所示。
为了在X轴方向进行测量，将左侧总线偏置为0V，右侧总线偏置为VREF。
将顶部或底部总线连接到ADC，当顶层和底层相接触时即可作一次测量。
为了在Y轴方向进行测量，将顶部总线偏置为VREF，底部总线偏置为0V。
将ADC输入端接左侧总线或右侧总线，当顶层与底层相接触时即可对电压进行测量。
图12.4电阻触摸屏分压图12.5四线电阻式触摸屏
S3C2410接4线电阻式触摸屏的电路原理如图12.6所示。
S3C2410提供了nYMON、YMON、nXPON和XMON直接作为触摸屏的控制信号，它通过连接FDC6321场效应管触摸屏驱动器控制触摸屏。
输入信号在经过阻容式低通滤器滤除坐标信号噪声后被接入S3C2410内集成的ADC（模数转换器）的模拟信号输入通道AIN5、AIN7。
图12.6S3C2410连接4线电阻式触摸屏
S3C2410内置了一个8信道的10位ADC，该ADC能以500KS/S的采样速率将外部的模拟信号转换为10位分辨率的数字量。
因此，ADC能与触摸屏控制器协同工作，完成对触摸屏绝对地址的测量。
S3C2410的ADC和触摸屏接口可工作于5种模式，分别如下。
1．普通转换模式（NormalConversonMode）
普通转换模式（AUTO_PST=0，XY_PST=0）用来进行一般的ADC转换，例如通过ADC测量电池电压等。
2．独立X/Y位置转换模式（SeparateX/YPositionConversionMode）
独立X/Y轴坐标转换模式其实包含了X轴模式和Y轴模式。
为获得X、Y坐标，需首先进行X轴的坐标转换（AUTO_PST=0，XY_PST=1），X轴的转换资料会写到ADCDAT0寄存器的XPDAT中，等待转换完成后，触摸屏控制器会产生INT_ADC中断。
然后，进行Y轴的坐标转换（AUTO_PST=0，XY_PST=2），Y轴的转换资料会写到ADCDAT1寄存器的YPDAT中，等待转换完成后，触摸屏控制器也会产生INT_ADC中断。
3．自动（连续）X/Y位置转换模式（AutoX/YPositionConversionMode）
自动（连续）X/Y位置转换模式（AUTO_PST=1，XY_PST=0）运行方式是触摸屏控制自动转换X位置和Y位置。
触摸屏控制器在ADCDAT0的XPDATA位写入X测定数据，在ADCDAT1的YPADATA位写入Y测定数据。
自动（连续）位置转换后，触摸屏控制器产生INT_ADC中断。
4．等待中断模式（WaitforInterruptMode）
当触摸屏控制器等待中断模式时，它等待触摸屏触点信号的到来。
当触点信号到来时，控制器产生INT_TC中断信号。
然后，X位置和Y位置能被适当地转换模式（独立X/Y位置转换模式或自动X/Y位置转换模式）读取到。
5．待机模式（StandbyMode）
当ADCCON寄存器的STDBM位置1时，待机模式被激活。
在这种模式下，A/D转换动作被禁止，ADCDAT0的XPDATA位和ADXDATA1的YPDAT保留以前被转换的数据。
12.2.2触摸屏设备驱动中数据结构
触摸屏设备结构体的成员与按键设备结构体的成员类似，也包含一个缓冲区，同时包括自旋锁、等待队列和fasync_struct指针，如代码清单12.12所示。
代码清单12.12触摸屏设备结构体
1typedefstruct
2{
3unsignedintpenStatus;/*PEN_UP,PEN_DOWN,PEN_SAMPLE*/
4TS_RETbuf[MAX_TS_BUF];/*缓冲区*/
5unsignedinthead,tail;/*缓冲区头和尾*/
6wait_queue_head_twq;/*等待队列*/
7spinlock_tlock;
8#ifdefUSE_ASYNC
9structfasync_struct*aq;
10#endif
11structcdevcdev;
12}TS_DEV;
触摸屏结构体中包含的TS_RET值的类型定义如代码清单12.13所示，包含X、Y坐标和状态（PEN_DOWN、PEN_UP）等信息，这个信息会在用户读取触摸信息时复制到用户空间。
代码清单12.13TS_RET结构体
1typedefstruct
2{
3unsignedshortpressure;//PEN_DOWN、PEN_UP
4unsignedshortx;//x坐标
5unsignedshorty;//y坐标
6unsignedshortpad;
7}TS_RET;
在触摸屏设备驱动中，将实现open（）、release（）、read（）、fasync（）和poll（）函数，因此，其文件操作结构体定义如代码清单12.14所示。
代码清单12.14触摸屏驱动文件操作结构体
1staticstructfile_operationss3c2410_fops=
2{
3owner:
THIS_MODULE,
4open:
s3c2410_ts_open,//打开
5read:
s3c2410_ts_read,//读坐标
6release:
7s3c2410_ts_release,
8#ifdefUSE_ASYNC
9fasync:
s3c2410_ts_fasync,//fasync（）函数
10#endif
11poll:
s3c2410_ts_poll,//轮询
12};
12.2.3触摸屏驱动中的硬件控制
代码清单12.15中的一组宏用于控制触摸屏和ADC进入不同的工作模式，如等待中断、X/Y位置转换等。
代码清单12.15触摸屏和ADC硬件控制
1#definewait_down_int（）{ADCTSC=DOWN_INT|XP_PULL_UP_EN|\
2XP_AIN|XM_HIZ|YP_AIN|YM_GND|\
3XP_PST（WAIT_INT_MODE）;}
4#definewait_up_int（）{ADCTSC=UP_INT|XP_PULL_UP_EN|XP_AIN|\
5XM_HIZ|YP_AIN|YM_GND|XP_PST（WAIT_INT_MODE）;}
6#definemode_x_axis（）{ADCTSC=XP_EXTVLT|XM_GND|YP_AIN\
7|YM_HIZ|XP_PULL_UP_DIS|XP_PST（X_AXIS_MODE）;}
8#definemode_x_axis_n（）{ADCTSC=XP_EXTVLT|XM_GND|YP_AIN|\
9YM_HIZ|XP_PULL_UP_DIS|XP_PST（NOP_MODE）;}
10#definemode_y_axis（）{ADCTSC=XP_AIN|XM_HIZ|YP_EXTVLT\
11|YM_GND|XP_PULL_UP_DIS|XP_PST（Y_AXIS_MODE）;}
12#definestart_adc_x（）{ADCCON=PRESCALE_EN|PRSCVL（49）|\
13ADC_INPUT（ADC_IN5）|ADC_START_BY_RD_EN|\
14ADC_NORMAL_MODE;\
15ADCDAT0;}
16#definestart_adc_y（）{ADCCON=PRESCALE_EN|PRSCVL（49）|\
17ADC_INPUT（ADC_IN7）|ADC_START_BY_RD_EN|\
18ADC_NORMAL_MODE;\
19ADCDAT1;}
20#definedisable_ts_adc（）{ADCCON&=~（ADCCON_READ_START）;}
12.2.4触摸屏驱动模块加载和卸载函数
在触摸屏设备驱动的模块加载函数中，要完成申请设备号、添加cdev、申请中断、设置触摸屏控制引脚（YPON、YMON、XPON、XMON）等多项工作，如代码清单12.16所示。
代码清单12.16触摸屏设备驱动的模块加载函数
1staticint__inits3c2410_ts_init（void）
2{
3intret;
4tsEvent=tsEvent_dummy;
5...//申请设备号，添加cdev
6
7/*设置XP、YM、YP和YM对应引脚*/
8set_gpio_ctrl（GPIO_YPON）;
9set_gpio_ctrl（GPIO_YMON）;
10set_gpio_ctrl（GPIO_XPON）;
11set_gpio_ctrl（GPIO_XMON）;
12
13/*使能触摸屏中断*/
14ret=request_irq（IRQ_ADC_DONE,s3c2410_isr_adc,
15SA_INTERRUPT,DEVICE_NAME,s3c2410_isr_adc）;
16if（ret）
17gotoadc_failed;
18ret=request_irq（IRQ_TC,s3c2410_isr_tc,SA_INTERRUPT,
19DEVICE_NAME,s3c2410_isr_tc）;
20if（ret）
21gototc_failed;
22
23/*置于等待触点中断模式*/
24wait_down_int（）;
25
26printk（DEVICE_NAME"initialized\n"）;
27
28return0;
29tc_failed:
30free_irq（IRQ_ADC_DONE,s3c2410_isr_adc）;
31adc_failed:
32returnret;
33}
在触摸屏设备驱动的模块卸载函数中，要完成释放设备号、删除cdev、释放中断等工作，如代码清单12.17所示。
代码清单12.17触摸屏设备驱动模块卸载函数
1staticvoid__exits3c2410_ts_exit（void）
2{
3...//释放设备号，删除cdev
4free_irq（IRQ_ADC_DONE,s3c2410_isr_adc）;
5free_irq（IRQ_TC,s3c2410_isr_tc）;
6}
12.2.5触摸屏驱动中断、定时器处理程序
由12.2.1小节对触摸屏和ADC模式的分析，可知触摸屏驱动中会产生两类中断，一类是触点中断（INT-TC），一类是X/Y位置转换中断（INT-ADC）。
在前一类中断发生后，若之前处于PEN_UP状态，则应该启动X/Y位置转换。
另外，将抬起中断也放在INT-TC处理程序中，它会调用tsEvent（）完成等待队列和信号的释放，如代码清单12.18所示。
代码清单12.18触摸屏设备驱动的触点/抬起中断处理程序
1staticvoids3c2410_isr_tc（intirq,void*dev_id,structpt_regs*reg）
2{
3spin_lock_irq（&（tsdev.lock））;
4if（tsdev.penStatus==PEN_UP）
5{
6start_ts_adc（）;//开始X/Y位置转换
7}
8else
9{
10tsdev.penStatus=PEN_UP;
11DPRINTK（"PENUP:
x:
%08d,y:
%08d\n",x,y）;
12wait_down_int（）;//置于等待触点中断模式
13tsEvent（）;
14}
15spin_unlock_irq（&（tsdev.lock））;
16}
当X/Y位置转换中断发生后，应读取X、Y的坐标值，填入缓冲区，如代码清单12.19所示。
代码清单12.19触摸屏设备驱动X/Y位置转换中断处理程序
1staticvoids3c2410_isr_adc（intirq,void*dev_id,structpt_regs*reg）
2{
3spin_lock_irq（&（tsdev.lock））;
4if（tsdev.penStatus==PEN_UP）
5s3c2410_get_XY（）;//读取坐标
6#ifdefHOOK_FOR_DRAG
7else
8s3c2410_get_XY（）;
9#endif
10spin_unlock_irq（&（tsdev.lock））;
11}
上述程序中调用的s3c2410_get_XY（）用于获得X、Y坐标，它使用代码清单12.15的硬件操作宏实现，如代码清单12.20所示。
代码清单12.20触摸屏设备驱动中获得X、Y坐标
1staticinlinevoids3c2410_get_XY（void）
2{
3if（adc_state==0）
4{
5adc_state=1;
6disable_ts_adc（）;//禁止INT-ADC
7y=（ADCDAT0&0x3ff）;//读取坐标值
8mode_y_axis（）;
9start_adc_y（）;//开始y位置转换
10}
11elseif（adc_state==1）
12{
13adc_state=0;
14disable_ts_adc（）;//禁止INT-ADC
15x=（ADCDAT1&0x3ff）;//读取坐标值
16tsdev.penStatus=PEN_DOWN;
17DPRINTK（"PENDOWN:
x:
%08d,y:
%08d\n",x,y）;
18wait_up_int（）;//置于等待抬起中断模式
19tsEvent（）;
20}
21}
代码清单12.18、12.20中调用的tsEvent最终为tsEvent_raw（），这个函数很关键，当处于PEN_DOWN状态时调用该函数，它会完成缓冲区的填充、等待队列的唤醒以及异步通知信号的释放；否则（处于PEN_UP状态），将缓冲区头清0，也唤醒等待队列并释放信号，如代码清单12.21所示。
代码清单12.21触摸屏设备驱动的tsEvent_raw（）函数
1staticvoidtsEvent_raw（void）
2{
3if（tsdev.penStatus==PEN_DOWN）
4{
5/*填充缓冲区*/
6BUF_HEAD.x=x;
7BUF_HEAD.y=y;
8BUF_HEAD.pressure=PEN_DOWN;
9
10#ifdefHOOK_FOR_DRAG
11ts_timer.expires=jiffies+TS_TIMER_DELAY;
12add_timer（&ts_timer）;//启动定时器
13#endif
14}
15else
16{
17#ifdefHOOK_FOR_DRAG
18del_timer（&ts_timer）;
19#endif
20
21/*填充缓冲区*/
22BUF_HEAD.x=0;
23BUF_HEAD.y=0;
24BUF_HEAD.pressure=PEN_UP;
25}
26
27tsdev.head=INCBUF（tsdev.head,MAX_TS_BUF）;
28wake_up_interruptible（&（tsdev.wq））;//唤醒等待队列
29
30#ifdefUSE_ASYNC
31if（tsdev.aq）
32kill_fasync（&（tsdev.aq）,SIGIO,POLL_IN）;//异步通知
33#endif
34}
在包含了对拖动轨迹支持的情况下，定时器会被启用，周期为10ms，在每次定时器处理函数被引发时，调用start_ts_adc（）开始X/Y位置转换过程，如代码清单12.22所示。
代码清单12.22触摸屏设备驱动的定时器处理函数
1#ifdefHOOK_FOR_DRAG
2staticvoidts_timer_handler（unsignedlongdata）
3{
4spin_lock_irq（&（tsdev.lock））;
5if（tsdev.penStatus==PEN_DOWN）
6{
7start_ts_adc（）;//开始X/Y位置转换
8}
9spin_unlock_irq（&（tsdev.lock））;
10}
11#endif
12.2.6触摸屏设备驱动的打开、释放函数
在触摸屏设备驱动的打开函数中，应初始化缓冲区、penStatus和定期器、等待队列及tsEvent时间处理函数指针，如代码清单12.23所示。
代码清单12.23触摸屏设备驱动的打开函数
1staticints3c2410_ts_open（structinode*inode,structfile*filp）
2{
3tsdev.head=tsdev.tail=0;
4tsdev.penStatus=PEN_UP;//初始化触摸屏状态为PEN_UP
5#ifdefHOOK_FOR_DRAG//如果定义了拖动钩子函数
6init_timer（&ts_timer）;//初始化定时器
7ts_timer.function=ts_timer_handler;
8#endif
9tsEvent=tsEvent_raw;
10init_waitqueue_head（&（tsdev.wq））;//初始化等待队列
11
12return0;
13}
触摸屏设备驱动的释放函数非常简单，删除为用于拖动轨迹所使用的定时器即可，如代码清单12.24所示。
代码清单12.24触摸屏设备驱动的释放函数
1staticints3c2410_ts_release（structinode*inode,structfile*filp）
2{
3#ifdefHOOK_FOR_DRAG
4del_timer（&ts_timer）;//删除定时器
5#endif
6return0;
7}
12.2.7触摸屏设备驱动的读函数
触摸屏设备驱动的读函数实现缓冲区中信息向用户空间的复制，当缓冲区有内容时，直接复制；否则，如果用户阻塞访问触摸屏，则进程在等待队列上睡眠，否则，立即返回-EAGAIN，如代码清单12.25所示。
代码清单12.25触摸屏设备驱动的读函数
1staticssize_ts3c2410_ts_read（structfile*filp,char*buffer,size_tcount,
2loff_t*ppos）
3{
4TS_RETts_ret;
5
6retry:
7if（tsdev.head!
=tsdev.tail）//缓冲区有信息
8{
9intcount;
10count=tsRead（&ts_ret）;
11if（count）
12copy_to_user（buffer,（char*）&ts_ret,count）;//复制到用户空间
13returncount;
14}
15else
16{
17if（filp->f_flags&O_NONBLOCK）//非阻塞读
18return-EAGAIN;
19interruptible_sleep_on（&（tsdev.wq））;//在等待队列上睡眠
20if（signal_pending（current））
21return-ERESTARTSYS;
22gotoretry;
23}
24
25returnsizeof（TS_RET）;
26}
12.2.8触摸屏设备驱动的轮询与异步通知
在触摸屏设备驱动中，通过s3c2410_ts_poll（）函数实现了轮询接口，这个函数的实现非常简单。
它将等待队列添加到poll_table，当缓冲区有数据时，返回资源可读取标志，否则返回0，如代码清单12.26所示。
代码清单12.26触摸屏设备驱动的poll（）函数
1staticunsignedints3c2410_ts_poll（structfile*filp,structpoll_table_struct*wait）
2{
3poll_wait（filp,&（tsdev.wq）,wait）;//添加等待队列到poll_table
4return（tsdev.head==tsdev.tail）?
0:
（POLLIN|POLLRDNORM）;
5}
而为了实现触摸屏设备驱动对应用程序的异步通知，设备驱动中要实现s3c2410_ts_fasync（）函数，这个函数与第9章给出的模板完全一样，如代码清单12.27所示。
代码清单12.27触摸屏设备驱动的fasync（）函数
1#ifdefUSE_ASYNC
2staticints3c2410_ts_fasync（intfd,structfile*f
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