摘  要： 給出一種在三星S5PV210處理器的Linux系統下基于PIC24F單片機實現的觸摸傳感系統的設計方案。利用PIC24F充電時間測量單元（CTMU）和ADC實現觸摸信息采集，S5PV210通過I2C總線與觸摸傳感器通信，讀取傳感器觸摸狀態信息；設計了PIC24F固件程序和其在主控S5PV210處理器Linux系統下的I2C設備驅動程序。測試結果表明，在主控Linux系統下可以精確獲得觸摸狀態信息。
　　關鍵詞： 觸摸傳感；CTMU；I2C；Linux驅動
0 引言
　　隨著科技的進步，各種形式的觸摸傳感器被應用于機器人、家電、便攜式消費電子等領域。
　　常用觸摸傳感器主要有電阻式和電容式兩種，電容式以靈敏度高、抗損性好的特點得到廣泛應用。一般電容傳感器由專用ASIC實現，本文基于PIC24F MCU（微控制器）實現電容觸摸傳感器，由于傳感器只是MCU外接的金屬片，具有成本低、形狀靈活、外圍電路簡單的特點，主控端可在嵌入式Linux下通過I2C總線獲得多個傳感器狀態。
1 系統組成
　　如圖1所示，觸摸傳感系統由多個電容觸摸傳感器端（由PIC24F MCU實現）和S5PV210主控端（運行Linux系統）兩部分組成。電容傳感器端處理觸摸信息，主控端通過I2C總線與傳感器通信，得到其處理好的傳感器數據（包含傳感器ID和是否觸摸狀態）。一片PIC24F最多可實現16個觸摸傳感器。

2 功能實現
　　2.1 基于PIC24F CTMU方式實現觸摸檢測
　　圖2為PIC24F CTMU框圖。

　　PIC24F的CTMU是由一個可調節恒流源和邏輯控制塊構成的可配置模擬單元。觸摸檢測采用CTMU恒流源與A/D轉換器的連接[1]如圖3所示。

　　通過CTMU在傳感器上施加恒流源實現觸摸檢測。
　　I×T=C×V（1）
　　其中，I是CTMU恒流源電流，T是CTMU充電的固定周期，C是觸摸電路的電容，V是充電完成后經A/D轉換器讀取的電壓值。
　　由于CTMU恒流源I是恒定的，設置充電周期T保持恒定，則電路中電容C的變化將表現為電壓V的變化，當人手指接觸到傳感器時，總電容將增加，A/D轉換器讀取的電壓減小。
　　圖4為傳感器電壓采集子程序，它由CTMU單元和ADC單元配合完成[2]。傳感器電容與ADC的保持電容并聯，每次測量電壓前使兩個電容接地放電至0 V，隨后控制CTMU的恒流源對兩個電容注入一定量的電荷，再通過ADC讀取電壓。可以計算觸摸前后電壓差值為：

　　其中，CF是手指電容，CB是金屬片基礎電容，CA/D是ADC保持電容，I是CTMU恒流源的電流，t是充電時間。

　　實際中由手指電容引起的電容增量為pF量級，為獲得較高的靈敏度，需增大ΔCTMU，由式（2）可知，減小基礎電容CB和適當增加注入電荷（It）為有效方式。傳感器面積會影響CB，形狀不是主要影響因素，本文設計的傳感器尺寸為15 mm×15 mm的正方形，配置CTMU恒流源為最大55 μA（CTMUICON=0x0300）以提高充電速度和電量。
　　2.2 S5PV210與觸摸傳感器I2C通信
　　I2C總線（Inter Integrated Circuit）是主從結構的兩線式（數據線SDA，時鐘線SCL）串行總線。它接口簡單、互聯成本低，數據的傳輸和時鐘頻率均由主機控制，因此各種傳感器芯片大都采用I2C通信。
　　開始通信時，由主機端S5PV210發送S，接著發送Addr（從機地址7 bit）、R/W（讀寫位1 bit）給PIC24F，PIC24F收到8 bit（Addr+R/W）確認是本機后，將SDA線拉低作為ACK，主機在第9個SCL采集到低電平ACK后，確認連接到從機，接著主從將根據R/W位接收或者發送1 B傳感器數據。本文為2個傳感器（一片PIC24F最多可實現16個傳感器，多于16個時可通過I2C總線進行擴展），設置傳感器1被觸摸則發送0x01，傳感器2被觸摸發送0x02，沒有觸摸為0x00。單片機PORTE口接有LED將接收數據賦給PORTE做為接收測試（0-亮，1-滅）。圖5為總線時序圖。

       2.3 從機端電容觸摸傳感器固件設計
　　PIC24F固件程序流程如圖6所示。

　　系統初始化使能Time1、ADC、CTMU和I2C（slave模式），Time1中斷用于觸發讀取傳感器1和傳感器2經CTMU和ADC處理的電壓值，并將有無觸摸（電壓降低）狀態保存到I2C的發送緩存里，隨后利用主機端發起通信引起的中斷發送觸摸狀態或接收數據。
　　2.4 主機端Linux I2C設備驅動設計
　　S5PV210 Linux下I2C驅動層次結構如圖7所示。

　　Linux系統分為用戶層和內核層，系統下應用程序訪問硬件設備需要位于內核層的設備驅動提供的接口支持[3]。
　　整個I2C驅動程序由I2C設備驅動和總線驅動兩部分組成，Linux下對S5PV210 I2C控制器驅動即總線驅動已經支持，要做的是針對觸摸傳感器設計I2C設備驅動。I2C設備驅動在Linux中屬于字符設備，字符設備可以以設備文件形式存在，由應用程序打開并進行讀寫操作，從而實現控制硬件的目的。
　　S5PV210有3個I2C主控制器，觸摸傳感器驅動采用第一個主控制器。Linux下設備驅動可以直接編譯到內核，也可以在外部編譯好生成.ko文件，然后使用insmod命令動態加載到運行的內核中，為了方便開發采用動態加載方式。
　　I2C設備驅動程序可分為兩部分[4]：首先定義和注冊I2C設備即i2c_client；然后定義和注冊I2C設備驅動即i2c_driver。i2c_client即是PIC24F模塊，所以要在i2c_client中設置PIC24F的設備名和地址信息，i2c_client里關鍵代碼及結構有：
　　struct i2c_board_info pic_touch_info={
　　i2c_board_info（"pic_touch"，0x40），
　　//注意PIC實際地址0x80，這里要右移1位：0x80>>1=0x40
　　}；//設置i2c_board_info結構體保存設備名和設備地址
　　structi2c_adapter*i2c_adap；
　　i2c_adap=i2c_get_adapter（0）；
　　//使用S5PV210第一個控制器
　　pic_touch_client=i2c_new_device（i2c_adap，&pic_touch_info）；
　　//調用i2c_new_device創建并注冊I2C
　　//設備對應的i2c_client結構體
　　第二部分定義和注冊I2C設備驅動，其中i2c_driver為核心結構體，設置驅動所能支持的設備列表pic_touch_id_table[]，提供探測函數pic_touch_probe（），當總線驅動發現i2c_client設備名與id_table中相同時，會自動發出設備地址，如果收到ACK，則確定設備存在，總線驅動會把設備掛接到此驅動并調用pic_touch_probe（），在此函數中注冊字符設備創建設備訪問節點，構造file_openration結構體，在此結構體中編寫實際操作硬件的讀寫函數。
　　i2c_driver關鍵代碼及結構：
　　struct i2c_device_id pic_touch_id_table
　　[]={{"pic_touch"，0}，{}}；//填充與i2c_client相同的
　　//設備名pic_touch，使此驅動適用于傳感器設備
　　//創建i2c_driver結構體對象
　　struct i2c_driver pic_touch_driver={
　　.driver={
　　.name="pic_touchdrv"，
　　.owner=THIS_MODULE，
　　}，
　　.probe=pic_touch_probe，//設置探測函數，此函數在驅動
　　//與i2c_client匹配時調用，在此函數中完成字符設備的注冊
　　.remove=__devexit_p（pic_touch_remove），
　　//去除驅動時調用
　　.id_table=pic_touch_id_table，
　　//在此id_table中查找本驅動支持的設備
　　}；
　　探測函數pic_touch_probe（）中關鍵段：
　　major=register_chrdev（0，"pic_touch"，
　　&pic_touch_fops）；//注冊字符設備
　　class=class_create（THIS_MODULE，"pic_touch"）；
　　device_create（class，NULL，MKDEV（major，0），NULL，"pic_touch"）；
　　//生成設備訪問節點/dev/pic_touch
　　構造file_operations結構體填充讀寫函數
　　file_operations pic_touch_fops={
　　.owner=THIS_MODULE，
　　.read=pic_touch_read，
　　.write=pic_touch_write，
　　}；
　　pic_touch_read（）和pic_touch_write（）是實際操作硬件的函數。需要根據從機端觸摸傳感器I2C固件需求的時序設計。
　　本文采用Linux內核提供的SMBus讀寫函數實現，SMBus（System Management Bus）是I2C的子集。
　　讀函數pic_touch_read（）關鍵程序段：
　　data=i2c_smbus_read_byte（pic_touch_client）；
　　//從傳感器讀數據存在內核緩沖data
　　copy_to_user（buf，&data，1）；
　　//將讀取的傳感器數據data拷貝到用戶buf空間
　　寫函數pic_touch_write（）關鍵程序段：
　　copy_from_user（&data，buf，1）；
　　//從用戶空間buf拷貝1 B數據到內核緩沖區data
　　i2c_smbus_write_byte（pic_touch_client，data）
　　//將數據發送給傳感器設備
3 測試
　　無觸摸ADC取值穩定，觸摸后因每次觸摸面積不同使得讀取ADC值差別較大，本設計根據表1測試結果設置觸發閾值為0x0200，實際中需根據靈敏度要求和測試結果合理設置閾值，利用Time1中斷定時掃描讀取2個觸摸傳感器值，設置的中斷時間為480 ，CTMU充電時間為1.25 。
　　主控端Linux下讀取傳感器狀態，先insmod加載驅動，生成設備節點/dev/pic_touch：
　　#insmod pic_touch_dev.ko
　　#insmod pic_touch_drv.ko
　　打印調試信息：
　　pic_touch_pad is probed， make chdev node：/dev/pic_touch
　　#ls/dev/pic_touch
　　/dev/pic_touch
　　無觸摸時，Linux下運行如下測試程序：
　　#./pic_touch_testrw r
　　readdata=0x00 touch state is：0x00
　　成功返回無觸摸狀態0x00。
　　分別觸摸傳感器1和傳感器2，運行測試程序：
　　#./pic_touch_testrw r
　　readdata=0x01 touch state is：0x01
　　#./pic_touch_testrw r
　　readdata=0x02 touch state is：0x02
　　成功讀取傳感器1和2被觸摸狀態0x01，0x02。
　　發送數據0xaa給傳感器接收測試LED：
　　#./pic_touch_testrw w 0xaa
　　cmmd=0xaa write success!，cmd=0xaa
　　發送成功，LED狀態正確。
　　為檢測傳感器性能，實測時傳感器表面蓋一層1 mm厚的透明塑料，LED同時指示傳感器狀態。測試結果表明，設置的觸摸傳感器掃描頻率和觸發閾值有很好的靈敏度和穩定性，在主控端Linux I2C速率為100 kb/s下可實時精確地獲取傳感器觸摸狀態信息，達到設計目標。本文在Linux下基于MCU實現觸摸傳感系統也便于后續利用MCU擴展傳感器功能。
　　參考文獻
　　[1] Microchip Technology Inc.PIC24FJ256GA110 Family Data Sheet[Z]. 2010.
　　[2] Microchip Technology Inc.Microchip CTMU for Capacitive Touch Applications[Z]. 2009.
　　[3] 宋寶華.Linux設備驅動開發詳解（第2版）[M].北京：人民郵電出版社，2010.
　　[4] 韋東山.嵌入式Linux應用開發完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008.