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1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。

图1 电阻触摸屏分压

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2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2 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3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。

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（Normal Converson Mode）

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（Separate X/Y Position Conversion Mode）

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（Auto X/Y Position Conversion Mode）

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（Wait for Interrupt Mode）

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（Standby Mode）

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。

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

1  typedef struct
2  {
3    unsigned int penStatus; /* PEN_UP, PEN_DOWN, PEN_SAMPLE */
4    TS_RET buf[MAX_TS_BUF]; /* 缓冲区 */
5    unsigned int head, tail; /* 缓冲区头和尾 */
6    wait_queue_head_t wq; /*等待队列*/
7    spinlock_t lock;
8    #ifdef USE_ASYNC
9      struct fasync_struct *aq;
10   #endif
11   struct cdev cdev;
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12.13  TS_RET结构体

1 typedef struct
2 {
3   unsigned short pressure;//PEN_DOWN、PEN_UP
4   unsigned short x;//x坐标
5   unsigned short y;//y坐标
6   unsigned short pad;
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

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

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  #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); }
 
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

1  static int __init s3c2410_ts_init(void)
2  {
3    int ret;
4    tsEvent = tsEvent_dummy;
5    ...//申请设备号，添加cdev
6 
7    /* 设置XP、YM、YP和YM对应引脚 */
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   /* 使能触摸屏中断 */
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   /*置于等待触点中断模式*/
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

1 static void __exit s3c2410_ts_exit(void)
2 {
3 ...//释放设备号，删除cdev
4 free_irq(IRQ_ADC_DONE, s3c2410_isr_adc);
5 free_irq(IRQ_TC, s3c2410_isr_tc);
6 }
 
触摸屏驱动中断、定时器处理程序

由文章开头对触摸屏和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

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(); //开始X/Y位置转换
7    }
8    else
9    {
10     tsdev.penStatus = PEN_UP;
11     DPRINTK("PEN UP: x: %08d, y: %08d\n", x, y);
12     wait_down_int();//置于等待触点中断模式
13     tsEvent();
14   }
15   spin_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

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(); //读取坐标
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

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); //读取坐标值
8      mode_y_axis();
9      start_adc_y();   //开始y位置转换
10   }
11   else if (adc_state == 1)
12   {
13     adc_state = 0;
14     disable_ts_adc(); //禁止INT-ADC
15     x = (ADCDAT1 &0x3ff);  //读取坐标值
16     tsdev.penStatus = PEN_DOWN;
17     DPRINTK("PEN DOWN: x: %08d, y: %08d\n", x, y);
18     wait_up_int();   //置于等待抬起中断模式
19     tsEvent();
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

1  static void tsEvent_raw(void)
2  {
3    if (tsdev.penStatus == PEN_DOWN)
4    {
5      /*填充缓冲区*/
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);//启动定时器
13     #endif
14   }
15   else
16   {
17     #ifdef HOOK_FOR_DRAG
18       del_timer(&ts_timer);
19     #endif
20
21     /*填充缓冲区*/
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));  //唤醒等待队列
29
30   #ifdef USE_ASYNC
31     if (tsdev.aq)
32       kill_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  #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();  //开始X/Y位置转换
8      }
9      spin_unlock_irq(&(tsdev.lock));
10   }
11 #endif
 
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

1  static int s3c2410_ts_open(struct inode *inode, struct file *filp)
2  {
3  tsdev.head = tsdev.tail = 0;
4  tsdev.penStatus = PEN_UP;//初始化触摸屏状态为PEN_UP
5  #ifdef HOOK_FOR_DRAG //如果定义了拖动钩子函数
6  init_timer(&ts_timer);//初始化定时器
7  ts_timer.function = ts_timer_handler;
8  #endif
9  tsEvent = tsEvent_raw;
10 init_waitqueue_head(&(tsdev.wq));//初始化等待队列
11
12 return 0;
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

1 static int s3c2410_ts_release(struct inode *inode, struct file *filp)
2 {
3   #ifdef HOOK_FOR_DRAG
4     del_timer(&ts_timer);//删除定时器
5   #endif
6   return 0;
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

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)  //缓冲区有信息
8    {
9      int count;
10     count = tsRead(&ts_ret);
11     if (count)
12       copy_to_user(buffer, (char*) &ts_ret, count);//复制到用户空间
13     return count;
14   }
15   else
16   {
17     if (filp->f_flags &O_NONBLOCK)    //非阻塞读
18       return  - EAGAIN;
19     interruptible_sleep_on(&(tsdev.wq));  //在等待队列上睡眠
20     if (signal_pending(current))
21       return  - ERESTARTSYS;
22     goto retry;
23   }
24
25   return sizeof(TS_RET);
26 }
 
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

1 static unsigned int s3c2410_ts_poll(struct file *filp, struct poll_table_struct *wait)
2 {
3 poll_wait(filp, &(tsdev.wq), wait);//添加等待队列到poll_table
4 return (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 #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