摘要:在研發(fā)具有操作系統(tǒng)的設備時,高質量的設備驅動程序可以大大提高設備的穩(wěn)定性與可靠性。本文以觸摸屏控制器ADS7843為例,介紹了其內部結構、工作原理,并詳細闡述了在Linux操作系統(tǒng)的設備文件系統(tǒng)機制中編寫設備驅動程序的過程與方法,同時給出基于PXA255微外理器的觸摸屏控制器ADS7843中斷方式的驅動程序。

　　關鍵詞:嵌入式Linux;觸摸屏;ADS7843;PXA255微處理器

　　在便攜式的電子類產(chǎn)品中,觸摸屏由于其便、靈活、占用空間少等優(yōu)點,已經(jīng)逐漸取代鍵盤成為嵌入式計算機系統(tǒng)常選用的人機交互輸入設備。觸摸屏輸入系統(tǒng)由觸摸屏、觸摸屏控制器、微控制器及其相應的驅動程序構成。本文從觸摸屏控制器的驅動程序設計著手,介紹觸摸屏控制器ADS7843的內部結構及工作原理和在嵌入式Linux操作系統(tǒng)中基于PXA255微處理器的ADS7843驅動程序設計。

　　1　觸摸屏控制器ADS7843的介紹

　　1.1　ADS7843的內部結構

　　ADS7843內駐一個多路低導通電阻模擬開關組成的供電-測量電路網(wǎng)絡、12bit逐次逼近A/D轉換器和異步串行數(shù)據(jù)輸入輸出,ADS7843根據(jù)微控制器發(fā)來的不同測量命令導通相應的模擬開關,以便向觸摸屏電極對提供電壓,并把相應電極上的觸點坐標位置所對應的電壓模擬量引入A/D轉換器,圖1為ADS7843內部結構圖。X+、Y+、X-、Y-為觸摸屏電極模擬電壓輸入;CS為ADS7843的片選輸入信號,低電平有效;DCLK接外部時鐘輸入,為芯片進行A/D轉換和異步串行數(shù)據(jù)輸入/輸出提供時鐘;DIN串行數(shù)據(jù)輸入端,當CS低電平時,輸入數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿將串行數(shù)據(jù)鎖存;DOUT串行數(shù)據(jù)輸出端,在時鐘下降沿數(shù)據(jù)由此移位輸出,當CS為高電平時,DOUT呈高阻態(tài)。BUSY為系統(tǒng)忙標志端,當CS為低電平,且BUSY為高電平時,表示ADS7843正在進行數(shù)據(jù)轉換;VREF參考電壓輸入端,電壓值在+1V到+VCC之間變化;PENIRQ為筆觸中斷,低電平有效;IN3、IN4為輔助ADC轉換輸入通道;+VCC為電源輸入。

圖1　ADS7843內部結構

　　1.2　ADS7843的轉換時序

　　ADS7843完成一次數(shù)據(jù)轉換需要與微控制器進行3次通信,次微處理器通過異步數(shù)據(jù)傳送向ADS843發(fā)送控制字,其中包括起始位、通道選擇、8/12位模式、差分/單端選擇和掉電模式選擇,其后的兩次數(shù)據(jù)傳送則是微控制器從ADS7843取出16bitA/D轉換結果數(shù)據(jù)(四位自動補零),每次通信需要8個時鐘周期,完成一次數(shù)據(jù)轉換共需24個時鐘周期,圖2為ADS7843轉換時序。

圖2　ADS7843轉換時序

　　2　ADS7843與PXA255硬件接口

　　PXA255微處理器是Intel公司生產(chǎn)的第二代基于32位XScale微架構的集成系統(tǒng)芯片(ISOC),PXA255具有高性能、低功耗等優(yōu)點,它除了XScale微內核外,還集成了許多適用于手持設備市場需要的外圍設備。圖3為ADS7843觸摸屏控制器與PXA255微處理器的硬件連線示意圖。當屏觸發(fā)生時ADS7843向PXA255發(fā)出中斷請求,由PXA255響應該中斷請求,啟動通信過程,讀取ADS7843的轉換結果,從而得到觸摸點的坐標。ADS7843各信號的時序受外部輸入時鐘信號頻率的影響,一旦外部輸入時鐘頻率固定,各信號的時序便完全確定,因此需要配置PXA255的接口信號時序,使之完全符合ADS7843的時序。

圖3　ADS7843觸摸屏控制器與PXA255微處理器的連線示意圖

　　3　ADS7843驅動程序的設計

　　Linux作為一個宏內核操作系統(tǒng),其設備驅動都在內核,即系統(tǒng)空間實現(xiàn),實現(xiàn)方式有兩種,一種是將有關的設備驅動程序和數(shù)據(jù)結構靜態(tài)地連接在內核映像中;另一種是將具體的設備驅動程序和數(shù)據(jù)結構獨立加以編譯,成為可安裝的模塊,需要時由應用程序通過系統(tǒng)調用動態(tài)地予以安裝或拆卸。設備驅動的實現(xiàn)方法也有兩種,一種是輪詢(polling)方式,另一種是中斷(inter-rupt)方式,輪詢方式對設備的操作完全由CPU掌握,外部設備則完全處于被動狀態(tài)。中斷方式是由外部設備主動提出申請,CPU響應申請后對外部設備進行處理,是現(xiàn)在常用的設備驅動方式。Linux的設備驅動具有兩個顯著的特點,其一是把所有的設備視為一種設備文件,每個設備都呈現(xiàn)于文件系統(tǒng)的/dev目錄下,設備驅動與文件操作具有相同的界面和語義,并通過同一組系統(tǒng)調用進行操作;另一個顯著特點是Linux的設備驅動有著分明的層次和結構。

　　Linux內核的新近版本為設備入口提供了一種特殊的文件系統(tǒng),即設備文件系統(tǒng)devfs(device file system)。新的devfs機制的優(yōu)點在于:①各種設備驅動模塊動態(tài)地向系統(tǒng)登記,設備初始化時在/dev目錄下創(chuàng)建設備入口點,移除設備時將其刪除。②設備驅動程序可以指定設備名、所有者和權限位。③不需要為設備驅動程序分配主設備號以及次設備號。④當裝載和卸載模塊時,不再需要運行腳本來創(chuàng)建設備文件,驅動程序自主地管理其設備文件。采用devfs機制的設備驅動程序調用下面的函數(shù)來處理設備的創(chuàng)建和刪除工作。

　　devf s_hander_t devf s_mk_dir ( devf s_ han2 der_t dir ,const char 3 name ,void 3 info)
　　devf s_hander_t devf s_register ( devf s_ han2 der_t dir ,const char 3 name ,unsigned int flags , unsigned int　major ,unsigned int minor ,umode_t mode ,void 3 op s ,void 3 info)
　　void devf s_unregister (devf s_hander_t de)

　　在Linux操作系統(tǒng)編寫設備驅動程序時有幾個固定的功能模塊:向Linux內核注冊該設備時的初始化設備驅動程序模塊;用于系統(tǒng)卸載模塊時刪除設備驅動程序的模塊;提供用戶使用該設備驅動程序的文件操作接口模塊。對于各類具體設備編寫驅動程序時還應具有對該設備進行操作的應用函數(shù)。下面就以ADS7843驅動程序設計為例分析以上幾個功能模塊。

　　1) ADS7843 向Linux 內核注冊設備時的初始化函數(shù)
　　int __init ads7843_t s_init (void) 　　/ / 設備初始化函數(shù)
　　{int ret ;
　　if ( ( ret = devf s _ register _ chrdev ( TS _ MAJOR , TS _ NAME , &ads7843_t s_fops) ) ! = 0)
　　{ print k (" registering of " TS_NAME " is failed\ n" ) ; return ret ;}
　　devf s_t s_dir = devf s_mk_dir (NULL , " touchscreen" , NULL) ; 　　　/ / 建立觸摸屏設備目錄
　　devf s_handle = devf s_register ( devf s_t s_dir , " t s" ,DEVFS_ FL_ DEFAUL T , TS _ MAJOR , 0 , S _ IFCHR | S _　IRUSR | S _ IWUSR , &ads7843_t s_fops , NULL) ; 　　　/ / 注冊設備
　　if ( ( ret = request_irq( IRQ_ GPIO_ADS7843 , ads7843_t s_inter-rupt ,
　　　　　　　　SA_SHIRQ| SA_INTERRUPT , TS_NAME , dev_ id) ) ) / / 申請中斷
　　{ print k ("ads7843_t s_init : failed to register IRQ\ n" ) ;
　　　f ree_irq( IRQ_GPIO_ADS7843 , dev_id) ; return ret ;}
　　if ( ( ret = ads7843_init () ) ! = 0) 　　　　/ / 初始化觸摸屏
　　{f ree_irq( IRQ_GPIO_ADS7843 , dev_id) ; return ret ;}
　　GPDR0 & = ～GPIO_bit (ADS7843_BUSY) ;
　　GPDR0 & = ～GPIO_bit (ADS7843_DOU T) ;
　　Ads7843_Enable_IRQ() ;/ / 開啟中斷
　　print k ("ads7843 touch screen driver initialized\ n" ) ;
　　return 0 ;}

　　2) 系統(tǒng)卸載ADS7843 驅動程序功能函數(shù)
　　void __exit ads7843_t s_cleanup (void) / / 卸載驅動程序函數(shù)
　　{ 　　if (in_timehandle)
　　　　del_timer ( &timer) ;
　　f ree_irq( IRQ_GPIO_ADS7843 , dev_id) ; 　　　/ / 釋放中斷
　　devf s_unregister_chrdev( TS_MAJOR , TS_NAME) ;/ / 從系統(tǒng)中刪除設備驅動程序
　　print k (" ads7843 touch screen driver removed\ n" ) ;}

　　3) 在驅動程序用于模塊初始化和刪除驅動的功能函數(shù)
　　module_init (ads7843_t s_init) ;/ / 初始化驅動模塊函數(shù)
　　module_exit (ads7843_t s_cleanup) ;/ / 刪除驅動模塊函數(shù)

　　4) ADS7843 設備文件操作結構體
　　static st ruct file_operations ads7843_t s_fops = {
　　read :ads7843_t s_read , 　　　　/ / 從設備中讀數(shù)據(jù)操作
　　poll :ads7843_t s_poll , / / 查詢設備操作
　　ioctl : 　ads7843_t s_ioctl , 　　/ / 設備IO 控制操作
　　fasync : ads7843_t s_fasync , / / 異步通知操作
　　open : ads7843_t s_open , / / 打開設備操作
　　release : ads7843_t s_release , } ; / / 當文件結構被釋放時,調用釋放操作

　　由于文章篇幅所限,對設備文件操作的功能函數(shù)不再一一列出。

　　5) ADS7843 具體操作函數(shù)
　　①ADS7843 串行輸出控制字函數(shù)
　　void ADS7843_din (char command)
　　udelay(DELA Y) ; / / 延時
　　for (int i = 0 ; i < 8 ; i + + ) / / 從串行輸入端輸入8 位控制字
　　{ 　ADS7843_ClearBit (0 , ADS7843_CL K) ; / / 時鐘變低,下降沿輸出
　　　if ( (command > > i) &0x1)
　　　　ADS7843_SetBit (0 , ADS7843_DIN) ; / / 數(shù)據(jù)位為1
　　　el se
　　　　ADS7843_ClearBit (0 , ADS7843_DIN) ; / / 數(shù)據(jù)位為0
　　　udelay (DELA Y) ;
　　　ADS7843_SetBit (0 , ADS7843_CL K) ;}} / / 時鐘變高

　　②微處理器讀取X 坐標值函數(shù)(讀取Y坐標值函數(shù)相類似,控制字為0x90)
　　int ADS7843_t s_measure_x (void)
　　{ char i , int touch_data = 0 ;
　　ADS7843_ClearBit (0 , ADS7843_CS) ; / / 片選端置低電平
　　udelay(DELA Y) ;
　　ADS7843_din (0xD0) ; 　　　/ / 向ADS7843 發(fā)送讀X 坐標控制字0xD0
　　ADS7843_ClearBit (0 , ADS7843_CL K) ;
　　udelay(DELA Y) ;
　　while ( ! ( GPLR0 & GPIO_ bit (ADS7843 _BUSY) ) ) print k ( "BUSY1\ n" ) ;
　　ADS7843_ClearBit (0 , ADS7843_CL K) ;
　　for (i = 0 ; i < 15 ; i + + ) 　　　/ / 讀取坐標值
　　{ touch_data < < = 1 ;
　　if ( GPLR0 & GPIO_bit (ADS7843_DOU T) )
　　　　touch_data | = 0x01 ;
　　else
　　　　touch_data & = 0xffffe ;
　　ADS7843_SetBit (0 , ADS7843_CL K) ;
　　udelay(DELA Y) ;
　　ADS7843_ClearBit (0 , ADS7843_CL K) ;}
　　touch_data > > = 3 ;/ / 對4 位自動置0 處理
　　return (touch_data & 0xfff) ;}

　　4　驅動模塊的安裝

　　在Linux操作系統(tǒng)中,對于已編好的設備驅動程序,利用編譯工具將驅動程序編譯成驅動模塊。對于驅動模塊的安裝,一種方法是重新編譯Linux內核將驅動程序加載到系統(tǒng)內核,另一種方法就是利用inmod和rmmod函數(shù)動態(tài)地裝載和卸載設備驅動模塊。我們在IntelXscalePXA255評估板上利用重新編譯Linux內核的方法將觸摸屏控制器ADS7843的驅動模塊加載到系統(tǒng)內核。運行后取得了理想的效果。

　　5　結束語

　　觸摸屏已成為現(xiàn)代嵌入式設備人機交互的輸入設備,觸摸屏控制器的驅動程序設計當然也就成為嵌入式設備研發(fā)的必需工作。本文以ADS7843為例介紹了在嵌入式Linux操作系統(tǒng)中觸摸屏控制器驅動程序設計的編程方法。對于在嵌入式Linux操作系統(tǒng)下進行其它設備的驅動開發(fā)具有一定的啟示作用。