1 引言

隨著計算機技術的發展和普及，觸摸屏技術得到了越來越廣泛應用，在各種手持設備中，如手機、MP4、掌上游戲機、掌上PDA 等，由于其方便、舒適，使其完全擺脫了鍵盤和鼠標的束縛，使人機交互更為直截了當。而在微軟最新開發的windows 7操作系統中，就有其值得驕傲并加以推廣的多點觸摸技術，并成為一大賣點。可見，觸摸屏技術引起了上到微軟，下到普通老百姓的關注。而在我們的日常生活中，無論你是在商場購物，還是在銀行存取款，觸摸式的自動服務器將能為你提供了方便快捷的服務。這里通過對觸摸屏原理的理解和分析，成功的設計出了CPU與觸摸屏芯片之間的硬件連接，并依照硬件和驅動設計的原理，設計出了基于嵌入式Linux 和飛思卡爾i.MX27芯片以及AD7873觸摸屏芯片的驅動程序，并成功移植到內核中，實現了家庭控制器系統的觸摸技術。

2 硬件系統的構成

2.1 電阻式觸摸屏原理

電阻式觸摸屏是一種傳感器，它將矩形區域中觸摸點（X，Y）的物理位置轉換為代表X 坐標和Y 坐標的電壓。當觸摸屏表面受到的壓力（如通過筆尖或手指進行按壓）足夠大時，頂層與底層之間會產生接觸。所有的電阻式觸摸屏都采用分壓器原理來產生代表X 坐標和Y 坐標的電壓。如圖1 所示，分壓器是通過將兩個電阻進行串聯來實現的。上面的電阻（R1）連接正參考電壓（VREF），下面的電阻（R2）接地。兩個電阻連接點處的電壓測量值與下面那個電阻的阻值成正比。 為了在電阻式觸摸屏上的特定方向測量一個坐標，需要對一個阻性層進行偏置：將它的一邊接VREF，另一邊接地。

同時，將未偏置的那一層連接到一個ADC 的高阻抗輸入端。當觸摸屏上的壓力足夠大，使兩層之間發生接觸時，電阻性表面被分隔為兩個電阻。它們的阻值與觸摸點到偏置邊緣的距離成正比。觸摸點與接地邊緣之間的電阻相當于分壓器中下面的那個電阻。因此，在未偏置層上測得的電壓與觸摸點到接地邊之間的距離成正比。

圖1 原理示意圖

2.2 AD7873 介紹及與系統硬件原理

AD7873 是一款12 位逐次逼近型ADC，具有同步串行接口以及用于驅動觸摸屏的低導通電阻開關，采用2.2 V 至5.25V 單電源供電，吞吐量大于125KBPS.

AD7873 可用于電池測量、溫度測量和觸摸壓力測量，還具有一個2.5 V 片上基準電壓源，可用于輔助輸入、電池監控器和溫度測量等模式。不使用時，可關斷內部基準電壓源以降低功耗。也可以使用外部基準電壓，并可在1V 至VCC 范圍內變化，模擬輸入范圍為0V 至VREF.這款器件具有關斷模式，此模式下功耗不足1μA。

2.3 AD7873 與CPU 和觸摸屏的硬件連接圖

其硬件原理框圖如下，其中的X+，Y+，X-，Y-與觸摸屏的相應引腳相連，接受來自觸摸屏的模擬信號，然后經過AD7873 芯片的內部處理成數字信號，通過SPI 總線將數據傳送給CPU，請求處理。CS 為片選引腳，與CPU 的DTR_DCE1 相連，PENIRQ 為中斷引腳，接CPU 的GPIO1_0.

圖2 硬件連線圖

圖3 觸摸系統框圖

3 軟件系統

3.1 Linux 設備驅動介紹

在Linux 系統中，為了簡化對設備的管理，所有的外圍設備被歸結為3 類：字符設備、塊設備、網絡設備。Linux 對所有的物理設備進行了抽象，并定義了一個統一的概念：接口。AD7873 被定義為一個字符設備，采用spi 接口與CPU 通訊。

3.2 驅動部分重要函數的設計

（1） 設備驅動程序中數據結構strcut driver 定義了一系列函數操作的接口，這個數據結構將整個驅動連為一體，由這個結構可以看出整個驅動的脈絡。由于AD7873 與CPU 連接方式為SPI 總線連接，因此將此設備注冊為SPI 設備，即要用到數據結構structspi_driver.

對應于AD7873 設備，設計編寫的數據結構如下：

其中，driver 中定義了驅動名稱、總線類型和驅動所有者。

probe 函數為探測設備的函數。其主要進行初始化設備數據結構、初始化中斷、向設備發送控制字等。

remove 函數為設備移除函數。其主要進行移除設備文件、釋放中斷、釋放設備。

suspend 為設備暫停函數。

resume 為設備恢復函數。

（2 設備初始化函數 static int __init ad7873_nit（void）即是注冊上述數據結構，也即是注冊一個驅動，其中主要的內容為：

return spi_register_driver（&ad7873_driver）；（3） 還要設計一個重要的函數，就是中斷函數，在觸摸屏被按下的時候產生中斷，在中斷函數中的重要工作就是啟動定時器，以判斷觸摸后的動作是觸摸筆被提起還是繼續按下。其函數原型設計為staticirqreturn_t ads7873_irq（int irq， void *handle）；（4）定時器函數設計的目的就是判斷觸摸屏是否被提起，被提起就立刻刷新設備的數據到應用層，仍然處于“按下”狀態，則需要繼續測量。其函數原型設計為：

static void ads7873_timer（unsigned longhandle）；

3.3 驅動的編譯和加載

驅動程序加入內核有兩種方式動態和靜態，動態就是只是把驅動編譯為模塊， 系統啟動后執行insmod 后加載，靜態是指直接編譯進內核，系統啟動后自動加載了。由于我們的驅動需要經過測試才能加入內核，因此采用動態的方式加載驅動。

在已經安裝好開發平臺的主機上執行make， 就可以得到目標文件ad7873.ko，這就是我們需要的驅動。在platform_data 數據結構中設置好驅動需要的數據，如中斷、觸摸屏大小、觸摸壓力上下限等數值，并編譯好內核下載到開發板中運行。然后將ad7873.ko 復制到開發板，在終端下執行insmodad7873.ko，得到如下提示：

圖4 驅動加載信息

顯示驅動已經加載成功，中斷號為126.

（注：“this sectence has been”，為調試驅動中斷的測試語句）然后用應用廣泛的tslib 觸摸屏測試程序對驅動進行測試，測試結果顯示，觸摸屏工作正常。下圖觸摸屏上白色的字“桂林電子科技大學觸摸屏”為在tslib 的測試程序下用觸摸筆寫的字，證明了觸摸屏工作是正常的。

將此設計應用到家庭智能網關系統中，證明其工作穩定，響應很快。

圖5 觸摸屏正常響應圖

4 驅動程序出現的問題及解決方法

在調試驅動的過程中，出現了很多問題，主要有以下兩個：

4.1 加載時報錯

在執行insmod ad7873.ko 時，報錯為：

ad7873： no version for “struct_module”found： kernel tainted.

經過檢查，發現是因為platform_data 里面定義的。model=“7873”被寫成了。model=“7883”，造成了系統無法識別這個驅動，產生了錯誤，修改后執行insmod ad7873.ko 成功。

4.2 使用tslib 測試軟件測試的時候，屏幕無反應

原以為是中斷程序出了問題，因此在中斷里面設置打印信息，發現可以打印，于是確定了中斷時正常響應了的。然后跟蹤代碼檢查，發現定時器函數很可疑，于是在定時器函數設置打印信息，發現定時器函數沒有正確執行，找到了問題的所在。于是順藤摸瓜，終于發現原來是在這個函數中fn_get_pendown_state（void），也就是用來得到觸摸屏狀態的引腳設置不正確，導致定時器函數里面無法得到觸摸屏的狀態，所以無響應。修改了定時器的引腳定義使其指向正確的引腳便一切OK。

5 結論

本文從硬件到軟件設計了整個觸摸屏驅動系統。作為家庭無線智能控制器的一部分，觸摸屏使整個系統使用更方便與高效。而未來隨著對觸摸技術的越來越高的要求，如多點觸摸技術，需要驅動為上層應用提供更穩定的處理與更多的接口，以便上層應用可以更加高效的編寫應用程序來應對復雜的機制。這就需要在內核驅動層改進驅動的結構與算法來應對。
來源；電子工程網