在现代化生产中， 为了确保机械设备安全可靠地运行， 通常要采用适宜的仪器仪表， 利用故障诊断技术及时发现故障， 并采取合理的维修或保护措施来排除故障， 预防和避免事故的发生。基于对仪器尺寸、便携性和操作方便性的考虑， 在工业领域如煤炭、钢铁、冶金、电力、化工等行业中大量的仪器仪表和设备， 都逐渐选用触摸屏作为系统的输入设备。
针对这一情况， 作者在开发面向机械故障诊断的智能仪表过程中， 对触摸屏输入接口进行了研究。设计了四线电阻式触摸屏与PXA255 处理器的接口威廉希尔官方网站
， 分析了Linux框架下的字符设备驱动程序设计原理， 完成了触摸屏的接口驱动程序开发， 并设计了用触摸屏作为输入设备的MiniGU I用户程序。触摸屏作为仪器的输入设备， 人机交互直截了当， 大大方便了现场操作人员的使用。
1 硬件结构和工作原理
依据工作原理和传输介质的不同， 触摸屏主要分电阻式、电容式、红外线式以及表面声波式等多种类型。电阻式触摸屏是一块4层透明的复合薄膜屏，如图1所示。下面是玻璃或有机玻璃构成的基层; 上面是一层外表面经过硬化处理从而光滑防刮的塑料层; 中间是两层金属导电层， 在导电层之间有许多细小的透明隔离点把两层隔开。两个金属导电层是触摸屏的工作面， 其两端各涂有一条银胶， 称为触摸屏工作面的一对电极。四线式触摸屏的X 工作面和Y 工作面分别加在两个导电层上， 共有4根引出线， 分别连到触摸屏的X 电极对和Y 电极对上。在触笔触摸屏幕时， 两导电层在接触点处接触。电阻式触摸屏作为输入设备与显示屏配合使用时， 其工作的实质就是通过测量X、Y两个方向电阻的分压， 确定触摸屏的触点坐标， 并将该坐标映射到显示屏坐标上， 从而实现人机交互。由于电阻式触摸屏工作面与外界完全隔离， 受环境影响小， 所以具有不怕灰尘和水汽、稳定性高、不漂移等优点， 特别适合工业现场使用。
图1 电阻式触摸屏结构
在设计过程中， 选用ADS7843 作为触摸屏接口的AD转换芯片，它具有12 位的转换精度， 最大支持4 096 ×4 096点阵的LCD， 满足仪器设计要求。
仪器系统处理器选用Intel Xscale架构的PXA255处理器，用其GPIO口模拟SPI接口与ads7843进行通信。其接口原理如图2所示。ADS7843完成采集通道的切换和接触点处电压的采集， 其操作时序主要由控制字输入、电压采集和模数转换组成， 详见参考文献。只要在驱动程序中根据时序要求向D IN口发送控制字， 即可从DOUT处得到相应通道的采集结果。
图2 ADS7843与PXA255的接口威廉希尔官方网站
2 触摸屏接口驱动程序
Linux驱动程序是系统内核的一部分， 它把软件和硬件分离开来， 并向上提供应用程序访问硬件的通信接口， 向下管理保护系统硬件。触摸屏在Linux下被定义为字符设备， 其驱动主要完成触点电压的采集， 并向用户空间传递X 坐标、Y坐标和笔动作（按下、抬起或拖拽） 数据。当触笔按下时， ADS7843的11脚输出低电平， 触发PXA255通用IO口的12脚产生外部中断， 开启定时器， 实现触摸屏的动作。触摸屏的驱动流程如图3所示。
图3 触摸屏驱动程序结构流程
2.1 驱动的编写
触摸屏驱动在Linux框架下属于字符设备驱动。
驱动的入口函数为ads7843 _ ts_ init （ ） ， 在该函数中，初始化I/O口， 注册笔中断和设备节点， 完成设备文件系统创建标准字符设备的初始化工作［ 8 - 10 ］。触摸屏设备操作的结构通过ads7843_ts_fop s定义。
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，
};
这样， 只需根据实际需要正确定义该结构中的几个函数过程， 就可完成设备驱动的开发。
当触摸屏设备被打开时， 首先执行到ads7843_ts_open （ ）函数， 并在该函数中， 初始化一个缓冲区， 用于存储坐标数据。在触摸屏被按下后， 系统首先触发中断， 在ads7843_ts_interrup t （ ）中断程序中， 判断in_timehandle全局变量的状态， in_ timehandle在定时器函数中被改变， 也就是说进入中断后， 先经过定时器延时20ms， 完成触摸屏的软件去抖， 再判断触摸屏是否被按下。然后通过read_xy （ ）函数分别切换至X和Y 通道， 完成触点电压的AD转换， 并读取12 位坐标值。
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） ;
}
应用程序调用read （ ） 函数时， 进入驱动的ads7843_ts_read （ ）接口函数。在该接口函数中获取采样结果， 判断是否要对坐标进行校准， 将最终结果写入到缓冲区中， 并通过copy_to_user （ ）函数将其从内核空间复制到用户空间， 以使应用程序能够使用。在ads7843_ts_read （ ）函数中采用了非阻塞型操作， 使得在没有数据到达的时候立即返回， 然后用异步触发fasync （ ）来通知数据的到来。ads7843 _ ts_poll （ ）函数用于驱动程序的非阻塞操作， ads7843_ts_fasync （ ）函数用于驱动异步触发。ads7843_ts_ioctl （ ）函数中， 提供了可从用户态控制的参数， 如触摸屏是否在驱动中校准、屏幕的最大最小坐标值等。ads7843_ts_release（ ）函数用来关闭触摸屏设备。
2.2 触摸屏的校准
在仪器开发过程中，触摸屏作为输入设备与LCD配合使用。为了能使从触摸屏采样得到坐标与屏幕的显示坐标对应， 还需要做一个映射， 也就是要对触摸屏进行校准。如图4所示， 所用的触摸屏和液晶屏都是标准的矩形， 只要安装合理， 可以认为触摸屏的X 方向坐标只与显示屏X 方向相关， Y方向坐标只与显示屏的Y方向相关。假设显示屏的分辨率是W ×H， 显示区域的左上角对应的触摸屏采样坐标是（ x1 ， y1 ） ，右下角对应的坐标是（ x2 ， y2 ） ， 那么触摸屏上任意一点采样坐标（ x， y） 与显示屏坐标（ xd ， yd ） 的对应关系可以按照如下公式计算：
这样， 在测得（ x1 ， y1 ） 和（ x2 ， y2 ） 点触摸屏的采样值后， 利用上述公式编制校准函数， 在触摸屏工作的过程中， 计算出实际触摸点对应的显示坐标，完成触摸屏的校准。
图4 触摸屏的校准
3 触摸屏用户应用程序
创建的Linux设备文件系统触摸屏节点为/dev/ts.在应用程序中， 可以像打开文件一样用open函数打开设备文件， 然后用read （ ）函数读取由驱动传递到用户空间的数据。仪器应用程序的开发采用MiniGU I进行， MiniGU I是由北京飞漫公司开发， 可应用于实时嵌入式系统中的轻量级图形用户界面支持系统。其函数接口与Windows SDK类似， 开发方便。
MiniGU I的输入抽象层（ IAL： Input Abstract Layer）提供了对触摸屏、鼠标等输入设备的丰富支持， 并支持PXA255处理器平台。只要经过简单的设置就可以在应用程序中使用触摸屏。配置安装MiniGU I时， 使用22enable2px255bial项， 由于在安装MiniGU I时采用了内嵌资源的静态编译方式， 所以在编译之前， 需在MiniGU I的src / sysres/目录下建立mgetc2pxa1c 文件，并在其中用下面语句设置系统参数， 将触摸屏设为输入设备。
static char * SYSTEM_VALUES［ ］ = { “ fbcon” ，“ PX255B” ， “ /dev/ ts” ， “ none” };
MiniGU I对触摸屏输入的处理方式如图5 所示。
图5 MiniGU I中的触摸屏输入
MiniGU I通过触摸屏设备驱动程序接收原始的输入数据， 把它转换为MiniGU I抽象的触摸屏事件和数据。
相关的底层事件处理例程把这些触摸事件转换为上层的触摸消息， 放到相应的消息队列中。应用程序通过消息循环获取这些消息， 交由窗口过程处理。编制针对触摸屏的应用程序时， 需要做的只是在窗口接收到诸如MSG _LBUTTONDOWN 等触屏消息时， 调用相应的语句完成预期操作。
4 结论
嵌入式智能仪器触摸屏接口增强了仪器系统的人机交互功能， 方便了操作人员的使用; 接口威廉希尔官方网站
和驱动程序的模块化方便了仪器的后续改进和新产品的开发， 并可根据需要移植应用到各种不同场合。设计的触摸屏接口已经成功应用在故障诊断巡检仪器中， 其工作稳定， 运行可靠， 具有很好的实用价值。
在现代化生产中， 为了确保机械设备安全可靠地运行， 通常要采用适宜的仪器仪表， 利用故障诊断技术及时发现故障， 并采取合理的维修或保护措施来排除故障， 预防和避免事故的发生。基于对仪器尺寸、便携性和操作方便性的考虑， 在工业领域如煤炭、钢铁、冶金、电力、化工等行业中大量的仪器仪表和设备， 都逐渐选用触摸屏作为系统的输入设备。
针对这一情况， 作者在开发面向机械故障诊断的智能仪表过程中， 对触摸屏输入接口进行了研究。设计了四线电阻式触摸屏与PXA255 处理器的接口威廉希尔官方网站
， 分析了Linux框架下的字符设备驱动程序设计原理， 完成了触摸屏的接口驱动程序开发， 并设计了用触摸屏作为输入设备的MiniGU I用户程序。触摸屏作为仪器的输入设备， 人机交互直截了当， 大大方便了现场操作人员的使用。
1 硬件结构和工作原理
依据工作原理和传输介质的不同， 触摸屏主要分电阻式、电容式、红外线式以及表面声波式等多种类型。电阻式触摸屏是一块4层透明的复合薄膜屏，如图1所示。下面是玻璃或有机玻璃构成的基层; 上面是一层外表面经过硬化处理从而光滑防刮的塑料层; 中间是两层金属导电层， 在导电层之间有许多细小的透明隔离点把两层隔开。两个金属导电层是触摸屏的工作面， 其两端各涂有一条银胶， 称为触摸屏工作面的一对电极。四线式触摸屏的X 工作面和Y 工作面分别加在两个导电层上， 共有4根引出线， 分别连到触摸屏的X 电极对和Y 电极对上。在触笔触摸屏幕时， 两导电层在接触点处接触。电阻式触摸屏作为输入设备与显示屏配合使用时， 其工作的实质就是通过测量X、Y两个方向电阻的分压， 确定触摸屏的触点坐标， 并将该坐标映射到显示屏坐标上， 从而实现人机交互。由于电阻式触摸屏工作面与外界完全隔离， 受环境影响小， 所以具有不怕灰尘和水汽、稳定性高、不漂移等优点， 特别适合工业现场使用。
图1 电阻式触摸屏结构
在设计过程中， 选用ADS7843 作为触摸屏接口的AD转换芯片，它具有12 位的转换精度， 最大支持4 096 ×4 096点阵的LCD， 满足仪器设计要求。
仪器系统处理器选用Intel Xscale架构的PXA255处理器，用其GPIO口模拟SPI接口与ads7843进行通信。其接口原理如图2所示。ADS7843完成采集通道的切换和接触点处电压的采集， 其操作时序主要由控制字输入、电压采集和模数转换组成， 详见参考文献。只要在驱动程序中根据时序要求向D IN口发送控制字， 即可从DOUT处得到相应通道的采集结果。
图2 ADS7843与PXA255的接口威廉希尔官方网站
2 触摸屏接口驱动程序
Linux驱动程序是系统内核的一部分， 它把软件和硬件分离开来， 并向上提供应用程序访问硬件的通信接口， 向下管理保护系统硬件。触摸屏在Linux下被定义为字符设备， 其驱动主要完成触点电压的采集， 并向用户空间传递X 坐标、Y坐标和笔动作（按下、抬起或拖拽） 数据。当触笔按下时， ADS7843的11脚输出低电平， 触发PXA255通用IO口的12脚产生外部中断， 开启定时器， 实现触摸屏的动作。触摸屏的驱动流程如图3所示。
图3 触摸屏驱动程序结构流程
2.1 驱动的编写
触摸屏驱动在Linux框架下属于字符设备驱动。
驱动的入口函数为ads7843 _ ts_ init （ ） ， 在该函数中，初始化I/O口， 注册笔中断和设备节点， 完成设备文件系统创建标准字符设备的初始化工作［ 8 - 10 ］。触摸屏设备操作的结构通过ads7843_ts_fop s定义。
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，
};
这样， 只需根据实际需要正确定义该结构中的几个函数过程， 就可完成设备驱动的开发。
当触摸屏设备被打开时， 首先执行到ads7843_ts_open （ ）函数， 并在该函数中， 初始化一个缓冲区， 用于存储坐标数据。在触摸屏被按下后， 系统首先触发中断， 在ads7843_ts_interrup t （ ）中断程序中， 判断in_timehandle全局变量的状态， in_ timehandle在定时器函数中被改变， 也就是说进入中断后， 先经过定时器延时20ms， 完成触摸屏的软件去抖， 再判断触摸屏是否被按下。然后通过read_xy （ ）函数分别切换至X和Y 通道， 完成触点电压的AD转换， 并读取12 位坐标值。
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） ;
}
应用程序调用read （ ） 函数时， 进入驱动的ads7843_ts_read （ ）接口函数。在该接口函数中获取采样结果， 判断是否要对坐标进行校准， 将最终结果写入到缓冲区中， 并通过copy_to_user （ ）函数将其从内核空间复制到用户空间， 以使应用程序能够使用。在ads7843_ts_read （ ）函数中采用了非阻塞型操作， 使得在没有数据到达的时候立即返回， 然后用异步触发fasync （ ）来通知数据的到来。ads7843 _ ts_poll （ ）函数用于驱动程序的非阻塞操作， ads7843_ts_fasync （ ）函数用于驱动异步触发。ads7843_ts_ioctl （ ）函数中， 提供了可从用户态控制的参数， 如触摸屏是否在驱动中校准、屏幕的最大最小坐标值等。ads7843_ts_release（ ）函数用来关闭触摸屏设备。
2.2 触摸屏的校准
在仪器开发过程中，触摸屏作为输入设备与LCD配合使用。为了能使从触摸屏采样得到坐标与屏幕的显示坐标对应， 还需要做一个映射， 也就是要对触摸屏进行校准。如图4所示， 所用的触摸屏和液晶屏都是标准的矩形， 只要安装合理， 可以认为触摸屏的X 方向坐标只与显示屏X 方向相关， Y方向坐标只与显示屏的Y方向相关。假设显示屏的分辨率是W ×H， 显示区域的左上角对应的触摸屏采样坐标是（ x1 ， y1 ） ，右下角对应的坐标是（ x2 ， y2 ） ， 那么触摸屏上任意一点采样坐标（ x， y） 与显示屏坐标（ xd ， yd ） 的对应关系可以按照如下公式计算：
这样， 在测得（ x1 ， y1 ） 和（ x2 ， y2 ） 点触摸屏的采样值后， 利用上述公式编制校准函数， 在触摸屏工作的过程中， 计算出实际触摸点对应的显示坐标，完成触摸屏的校准。
图4 触摸屏的校准
3 触摸屏用户应用程序
创建的Linux设备文件系统触摸屏节点为/dev/ts.在应用程序中， 可以像打开文件一样用open函数打开设备文件， 然后用read （ ）函数读取由驱动传递到用户空间的数据。仪器应用程序的开发采用MiniGU I进行， MiniGU I是由北京飞漫公司开发， 可应用于实时嵌入式系统中的轻量级图形用户界面支持系统。其函数接口与Windows SDK类似， 开发方便。
MiniGU I的输入抽象层（ IAL： Input Abstract Layer）提供了对触摸屏、鼠标等输入设备的丰富支持， 并支持PXA255处理器平台。只要经过简单的设置就可以在应用程序中使用触摸屏。配置安装MiniGU I时， 使用22enable2px255bial项， 由于在安装MiniGU I时采用了内嵌资源的静态编译方式， 所以在编译之前， 需在MiniGU I的src / sysres/目录下建立mgetc2pxa1c 文件，并在其中用下面语句设置系统参数， 将触摸屏设为输入设备。
static char * SYSTEM_VALUES［ ］ = { “ fbcon” ，“ PX255B” ， “ /dev/ ts” ， “ none” };
MiniGU I对触摸屏输入的处理方式如图5 所示。
图5 MiniGU I中的触摸屏输入
MiniGU I通过触摸屏设备驱动程序接收原始的输入数据， 把它转换为MiniGU I抽象的触摸屏事件和数据。
相关的底层事件处理例程把这些触摸事件转换为上层的触摸消息， 放到相应的消息队列中。应用程序通过消息循环获取这些消息， 交由窗口过程处理。编制针对触摸屏的应用程序时， 需要做的只是在窗口接收到诸如MSG _LBUTTONDOWN 等触屏消息时， 调用相应的语句完成预期操作。
4 结论
嵌入式智能仪器触摸屏接口增强了仪器系统的人机交互功能， 方便了操作人员的使用; 接口威廉希尔官方网站
和驱动程序的模块化方便了仪器的后续改进和新产品的开发， 并可根据需要移植应用到各种不同场合。设计的触摸屏接口已经成功应用在故障诊断巡检仪器中， 其工作稳定， 运行可靠， 具有很好的实用价值。
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