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，我們把觸摸屏分為4種：電阻式、電容感應式、紅外線式以及表面聲波式。

電阻式觸摸屏利用壓力感應進行控制，包含上下疊合的兩個透明層，通常還要用一種彈性材料來將兩層隔開。在觸摸某點時，兩層會在此點接通。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阻性層和一個導電層組成。

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。電阻R1連接正參考電壓VREF，電阻R2接地。兩個電阻連接點處的電壓測量值與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，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。

四線觸摸屏包含兩個阻性層。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軸方向進行測量，將左側總線偏置為0V，右側總線偏置為VREF。將頂部或底部總線連接到ADC，當頂層和底層相接觸時即可作一次測量。為了在Y軸方向進行測量，將頂部總線偏置為VREF，底部總線偏置為0V。將ADC輸入端接左側總線或右側總線，當頂層與底層相接觸時即可對電壓進行測量。

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，它通過連接FDC6321場效應管觸摸屏驅動器控制觸摸屏。輸入信號在經過阻容式低通濾器濾除坐標信號噪聲后被接入S3C2410內集成的ADC（模數轉換器）的模擬信號輸入通道AIN5、AIN7。

S3C2410內置了一個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轉換為10位分辨率的數字量。因此，ADC能與觸摸屏控制器協同工作，完成對觸摸屏絕對地址的測量。

 

S3C2410的ADC和觸摸屏接口可工作于5種模式，分別如下：

1.普通轉換模式（Normal Converson Mode）

普通轉換模式（AUTO_PST = 0，XY_PST = 0）用來進行一般的ADC轉換，例如通過ADC測量電池電壓等。

2.獨立X/Y位置轉換模式（Separate X/Y Position Conversion Mode）

獨立X/Y軸坐標轉換模式其實包含了X軸模式和Y軸模式。為獲得X、Y坐標，需首先進行X軸的坐標轉換（AUTO_PST = 0，XY_PST = 1），X軸的轉換資料會寫到ADCDAT0寄存器的XPDAT中，等待轉換完成后，觸摸屏控制器會產生INT_ADC中斷。然后，進行Y軸的坐標轉換（AUTO_PST = 0，XY_PST = 2），Y軸的轉換資料會寫到ADCDAT1寄存器的YPDAT中，等待轉換完成后，觸摸屏控制器也會產生INT_ADC中斷。

3.自動（連續）X/Y位置轉換模式（Auto X/Y Position Conversion Mode）

自動（連續）X/Y位置轉換模式（AUTO_PST = 1，XY_PST = 0）運行方式是觸摸屏控制自動轉換X位置和Y位置。觸摸屏控制器在ADCDAT0的XPDATA位寫入X測定數據，在ADCDAT1的YPADATA位寫入Y測定數據。自動（連續）位置轉換后，觸摸屏控制器產生INT_ADC中斷。

4．等待中斷模式（Wait for Interrupt Mode）

當觸摸屏控制器等待中斷模式時，它等待觸摸屏觸點信號的到來。當觸點信號到來時，控制器產生INT_TC中斷信號。然后，X位置和Y位置能被適當地轉換模式（獨立X/Y位置轉換模式或自動X/Y位置轉換模式）讀取到。

5.待機模式（Standby Mode）

當ADCCON寄存器的STDBM位置1時，待機模式被激活。在這種模式下，A/D轉換動作被禁止，ADCDAT0的XPDATA位和ADXDATA1的YPDAT保留以前被轉換的數據。

觸摸屏設備驅動中數據結構

觸摸屏設備結構體的成員與按鍵設備結構體的成員類似，也包含一個緩沖區，同時包括自旋鎖、等待隊列和fasync_struct指針，如代碼清單12.12所示。

代碼清單12.12  觸摸屏設備結構體

1  typedef struct
2  {
3    unsigned int penStatus; /* PEN_UP, PEN_DOWN, PEN_SAMPLE */
4    TS_RET buf[MAX_TS_BUF]; /* 緩沖區 */
5    unsigned int head, tail; /* 緩沖區頭和尾 */
6    wait_queue_head_t wq; /*等待隊列*/
7    spinlock_t lock;
8    #ifdef USE_ASYNC
9      struct fasync_struct *aq;
10   #endif
11   struct cdev cdev;
12 } TS_DEV;
 
觸摸屏結構體中包含的TS_RET值的類型定義如代碼清單12.13所示，包含X、Y坐標和狀態（PEN_DOWN、PEN_UP）等信息，這個信息會在用戶讀取觸摸信息時復制到用戶空間。

代碼清單12.13  TS_RET結構體

1 typedef struct
2 {
3   unsigned short pressure;//PEN_DOWN、PEN_UP
4   unsigned short x;//x坐標
5   unsigned short y;//y坐標
6   unsigned short pad;
7 } TS_RET;
 
在觸摸屏設備驅動中，將實現open()、release()、read()、fasync()和poll()函數，因此，其文件操作結構體定義如代碼清單12.14所示。

代碼清單12.14 觸摸屏驅動文件操作結構體

1  static struct file_operations s3c2410_fops =
2  {
3    owner: THIS_MODULE,
4    open: s3c2410_ts_open, //打開
5    read: s3c2410_ts_read, //讀坐標
6    release:
7      s3c2410_ts_release,
8    #ifdef USE_ASYNC
9      fasync: s3c2410_ts_fasync, // fasync()函數
10   #endif
11   poll: s3c2410_ts_poll,//輪詢
12 };

觸摸屏驅動中的硬件控制

代碼清單12.15中的一組宏用于控制觸摸屏和ADC進入不同的工作模式，如等待中斷、X/Y位置轉換等。

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); }
 
觸摸屏驅動模塊加載和卸載函數

在觸摸屏設備驅動的模塊加載函數中，要完成申請設備號、添加cdev、申請中斷、設置觸摸屏控制引腳（YPON、YMON、XPON、XMON）等多項工作，如代碼清單12.16所示。

代碼清單12.16  觸摸屏設備驅動的模塊加載函數

1  static int __init s3c2410_ts_init(void)
2  {
3    int ret;
4    tsEvent = tsEvent_dummy;
5    ...//申請設備號，添加cdev
6 
7    /* 設置XP、YM、YP和YM對應引腳 */
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 }
 
在觸摸屏設備驅動的模塊卸載函數中，要完成釋放設備號、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 觸摸屏設備驅動模塊卸載函數

1 static void __exit s3c2410_ts_exit(void)
2 {
3 ...//釋放設備號，刪除cdev
4 free_irq(IRQ_ADC_DONE, s3c2410_isr_adc);
5 free_irq(IRQ_TC, s3c2410_isr_tc);
6 }
 
觸摸屏驅動中斷、定時器處理程序

由文章開頭對觸摸屏和ADC模式的分析，可知觸摸屏驅動中會產生兩類中斷，一類是觸點中斷（INT-TC），一類是X/Y位置轉換中斷（INT-ADC）。在前一類中斷發生后，若之前處于PEN_UP狀態，則應該啟動X/Y位置轉換。另外，將抬起中斷也放在INT-TC處理程序中，它會調用tsEvent()完成等待隊列和信號的釋放，如代碼清單12.18所示。

代碼清單12.18  觸摸屏設備驅動的觸點/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(); //開始X/Y位置轉換
7    }
8    else
9    {
10     tsdev.penStatus = PEN_UP;
11     DPRINTK("PEN UP: x: %08d, y: %08d\n", x, y);
12     wait_down_int();//置于等待觸點中斷模式
13     tsEvent();
14   }
15   spin_unlock_irq(&(tsdev.lock));
16 }
 
當X/Y位置轉換中斷發生后，應讀取X、Y的坐標值，填入緩沖區，如代碼清單12.19所示。

代碼清單12.19 觸摸屏設備驅動X/Y位置轉換中斷處理程序

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
6    #ifdef HOOK_FOR_DRAG
7      else
8        s3c2410_get_XY();
9    #endif
10   spin_unlock_irq(&(tsdev.lock));
11 }

上述程序中調用的s3c2410_get_XY()用于獲得X、Y坐標，它使用代碼清單12.15的硬件操作宏實現，如代碼清單12.20所示。

代碼清單12.20 觸摸屏設備驅動中獲得X、Y坐標

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); //讀取坐標值
8      mode_y_axis();
9      start_adc_y();   //開始y位置轉換
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中調用的tsEvent最終為tsEvent_raw()，這個函數很關鍵，當處于PEN_DOWN狀態時調用該函數，它會完成緩沖區的填充、等待隊列的喚醒以及異步通知信號的釋放；否則（處于PEN_UP狀態），將緩沖區頭清0，也喚醒等待隊列并釋放信號，如代碼清單12.21所示。

代碼清單12.21 觸摸屏設備驅動的tsEvent_raw()函數

1  static void tsEvent_raw(void)
2  {
3    if (tsdev.penStatus == PEN_DOWN)
4    {
5      /*填充緩沖區*/
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);//啟動定時器
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*/
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 }

在包含了對拖動軌跡支持的情況下，定時器會被啟用，周期為10ms，在每次定時器處理函數被引發時，調用start_ts_adc()開始X/Y位置轉換過程，如代碼清單12.22所示。

代碼清單12.22 觸摸屏設備驅動的定時器處理函數

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();  //開始X/Y位置轉換
8      }
9      spin_unlock_irq(&(tsdev.lock));
10   }
11 #endif
 
觸摸屏設備驅動的打開、釋放函數

在觸摸屏設備驅動的打開函數中，應初始化緩沖區、penStatus和定期器、等待隊列及tsEvent時間處理函數指針，如代碼清單12.23所示。

代碼清單12.23  觸摸屏設備驅動的打開函數

1  static int s3c2410_ts_open(struct inode *inode, struct file *filp)
2  {
3  tsdev.head = tsdev.tail = 0;
4  tsdev.penStatus = PEN_UP;//初始化觸摸屏狀態為PEN_UP
5  #ifdef HOOK_FOR_DRAG //如果定義了拖動鉤子函數
6  init_timer(&ts_timer);//初始化定時器
7  ts_timer.function = ts_timer_handler;
8  #endif
9  tsEvent = tsEvent_raw;
10 init_waitqueue_head(&(tsdev.wq));//初始化等待隊列
11
12 return 0;
13 }
 
觸摸屏設備驅動的釋放函數非常簡單，刪除為用于拖動軌跡所使用的定時器即可，如代碼清單12.24所示。

代碼清單12.24 觸摸屏設備驅動的釋放函數

1 static int s3c2410_ts_release(struct inode *inode, struct file *filp)
2 {
3   #ifdef HOOK_FOR_DRAG
4     del_timer(&ts_timer);//刪除定時器
5   #endif
6   return 0;
7 } 
 
觸摸屏設備驅動的讀函數

觸摸屏設備驅動的讀函數實現緩沖區中信息向用戶空間的復制，當緩沖區有內容時，直接復制；否則，如果用戶阻塞訪問觸摸屏，則進程在等待隊列上睡眠，否則，立即返回-EAGAIN，如代碼清單12.25所示。

代碼清單12.25  觸摸屏設備驅動的讀函數

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 }
 
觸摸屏設備驅動的輪詢與異步通知

在觸摸屏設備驅動中，通過s3c2410_ts_poll()函數實現了輪詢接口，這個函數的實現非常簡單。它將等待隊列添加到poll_table，當緩沖區有數據時，返回資源可讀取標志，否則返回0，如代碼清單12.26所示。

代碼清單12.26  觸摸屏設備驅動的poll()函數

1 static unsigned int s3c2410_ts_poll(struct file *filp, struct poll_table_struct *wait)
2 {
3 poll_wait(filp, &(tsdev.wq), wait);//添加等待隊列到poll_table
4 return (tsdev.head == tsdev.tail) ? 0 : (POLLIN | POLLRDNORM);
5 }

而為了實現觸摸屏設備驅動對應用程序的異步通知，設備驅動中要實現s3c2410_ts_fasync()函數，這個函數與第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 觸摸屏設備驅動的fasync()函數

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