0 引言
在現代化生產中，為了確保機械設備安全可靠地運行，通常要采用適宜的儀器儀表，利用故障診斷技術及時發現故障，并采取合理的維修或保護措施來排除故障，預防和避免事故的發生。基于對儀器尺寸、便攜性和操作方便性的考慮，在工業領域如煤炭、鋼鐵、冶金、電力、化工等行業中大量的儀器儀表和設備，都逐漸選用觸摸屏作為系統的輸入設備。
針對這一情況，作者在開發面向機械故障診斷的智能儀表過程中，對觸摸屏輸入接口進行了研究。設計了四線電阻式觸摸屏與PXA255 處理器的接口電路，分析了Linux框架下的字符設備驅動程序設計原理，完成了觸摸屏的接口驅動程序開發，并設計了用觸摸屏作為輸入設備的MiniGUI用戶程序。觸摸屏作為儀器的輸入設備，人機交互直截了當，大大方便了現場操作人員的使用。
1 硬件結構和工作原理
依據工作原理和傳輸介質的不同，觸摸屏主要分電阻式、電容式、紅外線式以及表面聲波式等多種類型。電阻式觸摸屏是一塊4層透明的復合薄膜屏，如圖1所示。下面是玻璃或有機玻璃構成的基層；上面是一層外表面經過硬化處理從而光滑防刮的塑料層；中間是兩層金屬導電層，在導電層之間有許多細小的透明隔離點把兩層隔開。兩個金屬導電層是觸摸屏的工作面，其兩端各涂有一條銀膠，稱為觸摸屏工作面的一對電極。四線式觸摸屏的X工作面和Y工作面分別加在兩個導電層上，共有4根引出線，分別連到觸摸屏的X 電極對和Y 電極對上。在觸筆觸摸屏幕時，兩導電層在接觸點處接觸。電阻式觸摸屏作為輸入設備與顯示屏配合使用時，其工作的實質就是通過測量X、Y兩個方向電阻的分壓， 確定觸摸屏的觸點坐標， 并將該坐標映射到顯示屏坐標上，從而實現人機交互。由于電阻式觸摸屏工作面與外界完全隔離， 受環境影響小， 所以具有不怕灰塵和水汽、穩定性高、不漂移等優點， 特別適合工業現場使用。
圖1 電阻式觸摸屏結構
在設計過程中， 選用ADS7843 作為觸摸屏接口的AD轉換芯片，它具有12 位的轉換精度， 最大支持4 096 ×4 096點陣的LCD， 滿足儀器設計要求。
儀器系統處理器選用Intel Xscale架構的PXA255處理器，用其GPIO口模擬SPI接口與ads7843進行通信。其接口原理如圖2所示。ADS7843完成采集通道的切換和接觸點處電壓的采集， 其操作時序主要由控制字輸入、電壓采集和模數轉換組成， 詳見參考文獻。只要在驅動程序中根據時序要求向D IN口發送控制字， 即可從DOUT處得到相應通道的采集結果。
圖2 ADS7843與PXA255的接口電路
2 觸摸屏接口驅動程序
Linux驅動程序是系統內核的一部分， 它把軟件和硬件分離開來， 并向上提供應用程序訪問硬件的通信接口， 向下管理保護系統硬件。觸摸屏在Linux下被定義為字符設備， 其驅動主要完成觸點電壓的采集， 并向用戶空間傳遞X 坐標、Y坐標和筆動作（按下、抬起或拖拽） 數據。當觸筆按下時， ADS7843的11腳輸出低電平， 觸發PXA255通用IO口的12腳產生外部中斷， 開啟定時器， 實現觸摸屏的動作。觸摸屏的驅動流程如圖3所示。
圖3 觸摸屏驅動程序結構流程
2.1 驅動的編寫
觸摸屏驅動在Linux框架下屬于字符設備驅動。
驅動的入口函數為ads7843 _ ts_ init （ ） ， 在該函數中，初始化I/O口， 注冊筆中斷和設備節點， 完成設備文件系統創建標準字符設備的初始化工作［ 8 - 10 ］。觸摸屏設備操作的結構通過ads7843_ts_fop s定義。
STatic struct file_operatiONs ads7843_ts_fop s = {
read： ads7843_ts_read，
poll： ads7843_ts_poll，
ioctl： ads7843_ts_ioctl，
fasync： ads7843_ts_fasync，
open： ads7843_ts_open，
release： ads7843_ts_release，
};
這樣， 只需根據實際需要正確定義該結構中的幾個函數過程， 就可完成設備驅動的開發。
當觸摸屏設備被打開時， 首先執行到ads7843_ts_open （ ）函數，并在該函數中， 初始化一個緩沖區， 用于存儲坐標數據。在觸摸屏被按下后， 系統首先觸發中斷， 在ads7843_ts_interrup t （ ）中斷程序中， 判斷in_timehandle全局變量的狀態， in_ timehandle在定時器函數中被改變， 也就是說進入中斷后， 先經過定時器延時20ms， 完成觸摸屏的軟件去抖， 再判斷觸摸屏是否被按下。然后通過read_xy （）函數分別切換至X和Y 通道， 完成觸點電壓的AD轉換， 并讀取12 位坐標值。
static void ads7843_ ts_ interrup t （ int IRq， void 3 dev_ id，
struct p t_regs3 regs）
{
sp in_lock_irq （&tsdevlock） ;
if （ in_timehandle 》 0）
{
sp in_unlock_irq （&tsdevlock） ;
return;
}
disable_irq （ IRQ_GPIO_ADS7843） ;
ads7843_ts_starttimer （ ） ;
sp in_unlock_irq （&tsdevlock） ;
}
應用程序調用read （ ） 函數時， 進入驅動的ads7843_ts_read （ ）接口函數。在該接口函數中獲取采樣結果， 判斷是否要對坐標進行校準， 將最終結果寫入到緩沖區中，并通過copy_to_user （ ）函數將其從內核空間復制到用戶空間， 以使應用程序能夠使用。在ads7843_ts_read （ ）函數中采用了非阻塞型操作， 使得在沒有數據到達的時候立即返回， 然后用異步觸發fasync （ ）來通知數據的到來。ads7843 _ ts_poll （）函數用于驅動程序的非阻塞操作， ads7843_ts_fasync （ ）函數用于驅動異步觸發。ads7843_ts_ioctl （ ）函數中， 提供了可從用戶態控制的參數， 如觸摸屏是否在驅動中校準、屏幕的最大最小坐標值等。ads7843_ts_release（ ）函數用來關閉觸摸屏設備。
2.2 觸摸屏的校準
在儀器開發過程中，觸摸屏作為輸入設備與LCD配合使用。為了能使從觸摸屏采樣得到坐標與屏幕的顯示坐標對應，還需要做一個映射， 也就是要對觸摸屏進行校準。如圖4所示， 所用的觸摸屏和液晶屏都是標準的矩形， 只要安裝合理，可以認為觸摸屏的X 方向坐標只與顯示屏X 方向相關， Y方向坐標只與顯示屏的Y方向相關。假設顯示屏的分辨率是W ×H， 顯示區域的左上角對應的觸摸屏采樣坐標是（ x1 ， y1 ） ，右下角對應的坐標是（ x2 ， y2 ） ， 那么觸摸屏上任意一點采樣坐標（ x， y） 與顯示屏坐標（ xd ， yd ）的對應關系可以按照如下公式計算：
這樣， 在測得（ x1 ， y1 ）和（ x2 ， y2 ） 點觸摸屏的采樣值后， 利用上述公式編制校準函數，在觸摸屏工作的過程中， 計算出實際觸摸點對應的顯示坐標，完成觸摸屏的校準。
圖4 觸摸屏的校準
3 觸摸屏用戶應用程序
創建的Linux設備文件系統觸摸屏節點為/dev/ts.在應用程序中，可以像打開文件一樣用open函數打開設備文件， 然后用read （）函數讀取由驅動傳遞到用戶空間的數據。儀器應用程序的開發采用MiniGU I進行， MiniGU I是由北京飛漫公司開發， 可應用于實時嵌入式系統中的輕量級圖形用戶界面支持系統。其函數接口與Windows SDK類似， 開發方便。
MiniGU I的輸入抽象層（ IAL： Input Abstract Layer）提供了對觸摸屏、鼠標等輸入設備的豐富支持， 并支持PXA255處理器平臺。只要經過簡單的設置就可以在應用程序中使用觸摸屏。配置安裝MiniGU I時， 使用22enable2px255bial項， 由于在安裝MiniGU I時采用了內嵌資源的靜態編譯方式， 所以在編譯之前， 需在MiniGU I的src / sysres/目錄下建立mgetc2pxa1c 文件，并在其中用下面語句設置系統參數， 將觸摸屏設為輸入設備。
static char * SYSTEM_VALUES［ ］ = { “ fbcon” ，“ PX255B” ， “ /dev/ ts” ， “ none” };
MiniGU I對觸摸屏輸入的處理方式如圖5 所示。
圖5 MiniGUI 中的觸摸屏輸入
MiniGUI 通過觸摸屏設備驅動程序接收原始的輸入數據， 把它轉換為MiniGUI 抽象的觸摸屏事件和數據。
相關的底層事件處理例程把這些觸摸事件轉換為上層的觸摸消息， 放到相應的消息隊列中。應用程序通過消息循環獲取這些消息， 交由窗口過程處理。編制針對觸摸屏的應用程序時，需要做的只是在窗口接收到諸如MSG _LBUTTONDOWN 等觸屏消息時， 調用相應的語句， 完成預期操作。
4 結論
嵌入式智能儀器觸摸屏接口增強了儀器系統的人機交互功能，方便了操作人員的使用； 接口電路和驅動程序的模塊化方便了儀器的后續改進和新產品的開發，并可根據需要移植應用到各種不同場合。設計的觸摸屏接口已經成功應用在故障診斷巡檢儀器中，其工作穩定，運行可靠，具有很好的實用價值。