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(chǎn)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(lián)來實現(xiàn)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(fā)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(jīng)過阻容式低通濾器濾除坐標信號噪聲后被接入S3C2410內(nèi)集成的ADC（模數(shù)轉換器）的模擬信號輸入通道AIN5、AIN7。
S3C2410內(nèi)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(shù)字量。因此，ADC能與觸摸屏控制器協(xié)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(chǎn)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(chǎn)生INT_ADC中斷。
3.自動（連續(xù)）X/Y位置轉換模式（Auto X/Y Position Conversion Mode）
自動（連續(xù)）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(shù)據(jù)，在ADCDAT1的YPADATA位寫入Y測定數(shù)據(jù)。自動（連續(xù)）位置轉換后，觸摸屏控制器產(chǎn)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(chǎn)生INT_TC中斷信號。然后，X位置和Y位置能被適當?shù)剞D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(shù)據(jù)。
觸摸屏設備驅動中數(shù)據(jù)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(qū)，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(qū) */
5 unsigned int head, tail; /* 緩沖區(qū)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(tài)（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(xiàn)open()、release()、read()、fasync()和poll()函數(shù)，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(shù)
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(shù)
在觸摸屏設備驅動的模塊加載函數(shù)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(shù)
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(shù)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(shù)
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(chǎn)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(fā)生后，若之前處于PEN_UP狀態(tài)，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(fā)生后，應讀取X、Y的坐標值，填入緩沖區(qū)，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(xiàn)，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(shù)很關鍵，當處于PEN_DOWN狀態(tài)時調用該函數(shù)，它會完成緩沖區(qū)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(tài)），將緩沖區(qū)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(shù)
1 static void tsEvent_raw(void)
2 {
3 if (tsdev.penStatus == PEN_DOWN)
4 {
5 /*填充緩沖區(qū)*/
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(qū)*/
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(shù)被引發(fā)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(shù)
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(shù)
在觸摸屏設備驅動的打開函數(shù)中，應初始化緩沖區(qū)、penStatus和定期器、等待隊列及tsEvent時間處理函數(shù)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(shù)
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(tài)為PEN_UP
5 #ifdef HOOK_FOR_DRAG //如果定義了拖動鉤子函數(shù)
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(shù)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(shù)
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(shù)
觸摸屏設備驅動的讀函數(shù)實現(xiàn)緩沖區(qū)中信息向用戶空間的復制，當緩沖區(qū)有內(nèi)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(shù)
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(qū)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(shù)實現(xiàn)了輪詢接口，這個函數(shù)的實現(xiàn)非常簡單。它將等待隊列添加到poll_table，當緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)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(shù)
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(xiàn)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(xiàn)s3c2410_ts_fasync()函數(shù)，這個函數(shù)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(shù)
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
