嵌入式系統中觸摸屏交互功能設計

來源：互聯網 作者：佚名2015年06月21日 16:48

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[導讀] 它是一個全新開發的模塊化的圖形用戶界面的多任務操作系統，是一個支持多種CPU，擁有良好通信能力的高性能、高效率的實時操作系統。OEM廠家可以加入自己所需要的任何模塊，或者除去不需要的。系統中一個應用程序的故障不會引起整個系統失效。

關鍵詞：PDA嵌入式人機交互

　　1引言

　　嵌入式系統拉近了人與計算機的距離，形成一個人機和諧的工作與生活環境。從某一個角度來看，觸摸屏作為嵌入式計算機系統中一體化的輸入輸出設備，在制造工業、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產品等方面均得到廣泛應用，影響到人類工作與生活的各個領域并極具應用前景，它與嵌入式系統的交互功能的程序設計是整個系統設計的關鍵。本文描述的這樣的設計過程，對其中的技術問題給出了詳細的解釋。功能設計基于ARM920T內核的S3C2410芯片，以GX開發板為硬件平臺，是以Windows CE為操作系統實現的圖文交互界面模塊。

　　2系統交互功能的設計

　　2.1 系統構架

　　通常嵌入式系統的構架可以分成四個部分：處理器、存儲器、輸入輸出（I/O）和軟件部分。由于多數嵌入式設備的應用軟件和操作系統都是緊密結合的，在這里我們對其不加區分，這也是嵌入式系統和通用PC系統的最大區別。觸摸屏嵌入式設計框圖見圖一。

　　2.2 Windows CE的主要功能

　　它是一個全新開發的模塊化的圖形用戶界面的多任務操作系統，是一個支持多種CPU，擁有良好通信能力的高性能、高效率的實時操作系統。OEM廠家可以加入自己所需要的任何模塊，或者除去不需要的。系統中一個應用程序的故障不會引起整個系統失效。

　　圖一 觸摸屏嵌入式設計框圖

　　2.3 操作系統對觸摸屏的支持

　　操作系統對觸摸屏的支持是按分層的思想進行的。首先是應用層，編寫的應用程序調用觸摸屏/鼠標事件API（在牽引層有相關的API函數）；其次，在驅動層有支持觸摸屏的驅動程序。通過統一接口來調用操作系統內核的觸摸屏設備驅動程序完成最終的設備控制。從中取出觸摸屏的實際坐標值，把該值記錄在初始化程序中，當下次有應用程序需要調用觸摸屏驅動程序時，觸摸屏驅動程序就會去檢查初始化程序，讀取其中的校正值，并把經過校正，影射后相對坐標值返回該應用程序。

　　2.4 觸摸屏電路

　　GX開發板為硬件平臺，板載SHARP 3.5〞TFT液晶屏LQ035Q7DB02，320×240，262，144色，White LED背光，帶觸摸屏。SHARP液晶自帶四線電阻式觸摸屏，可以直接和2410的觸摸屏驅動電路連接，觸摸位置直接用CPU內置的ADC電路采樣而得。

　　圖二 板載觸摸屏電路

　　2.5 觸摸屏的控制電路

　　觸摸屏的控制是使用FM7843芯片完成的。FM7843是4線電阻觸摸屏轉換接口芯片。它具有同步串行接口的12位取樣模數轉換器。在125kHz吞吐速率和2.7V電壓下的功耗為750μW，而在關閉模式下的功耗僅為0.5μW。

　　因此，ADS7843以其低功耗和高速率等特性，被廣泛應用在采用電池供電的小型手持設備上。FM7843采用SSOP-16引腳封裝形式，溫度范圍是-40~85℃。為了完成一次電極電壓切換和A/D轉換，需要先通過串口往FM 7843發送控制字，轉換完成后再通過串口讀出電壓轉換值。標準的一次轉換需要24個時鐘周期。由于串口支持雙向同時進行傳送，并且在一次讀數與下一次發控制字之間可以重疊，所以轉換速率可以提高到每次16個時鐘周期。如果條件允許，CPU可以產生15個CLK的話（比如FPGAs和ASICs），轉換速率還可以提高到每次15個時鐘周期。FM 7843通過同步串口與ARM通訊，可通過SendSIOData（）函數（uhal.c）向FM 7843發送數據；通過ReadSIOData（）函數（uhal.c）從FM 7843讀出數據。將F端口的第6位置0和1，可以打開、關閉FM7843，F端口的數據寄存器為PDATF（44b.h）。通過外部中斷5可以判斷是否有觸摸動作，查詢方式通過宏TCHSCR_IsPenNotDown（）（tchscr.h）判斷是否有觸摸動作。

　　3.設計中的幾個關鍵問題

　　3.1 定制Windows CE平臺

　　Windows CE是一個多平臺的、可裁減的32位嵌入式操作系統。他既適用于工業設備的嵌入式控智模塊，也適用于消費類電子產品的開發。針對不同的目標設備硬件環境，在其內核基礎上添加各種模塊，從而形成一個定制的嵌入式操作系統。它包括了定制設備所需的一切，例如：聯網能力、實時性和小內存占用以及多媒體和Web瀏覽功能等。

　　3.2 Windows CE`的驅動模式

　　Windows CE`設備的驅動模型有兩種形式：流接口驅動（Stream Interface Driver）和本地設備驅動（Native Device Driver）從實現方式來看，無論那種驅動都可以采用單層和分層兩種方式，多層設備驅動中實現的代碼分兩層：MDD（Model Device Driver，模型設備驅動）和PDD（Platform Dependent Driver，平臺相關驅動）。MDD層中向GWES模塊提供了DDI（Device Driver Interface，設備驅動接口）函數接口，實現了對于同一類設備的驅動程序所公用的功能，而PDD則實現了與平臺的具體硬件設備相關的代碼。MDD通過調用特殊的PDD函數來訪問硬件。

　　3.3 觸摸屏與顯示器的配合算法

　　FM 7843送回控制器的X與Y值僅是對當前觸摸點的電壓值的A/D轉換值，它不具有實用價值。這個值的大小不但與觸摸屏的分辨率有關，而且也與觸摸屏與LCD貼合的情況有關。而且，LCD分辨率與觸摸屏的分辨率一般來說是不一樣，坐標也不一樣，因此，如果想得到體現LCD坐標的觸摸屏位置，還需要在程序中進行轉換。轉換公式如下：

　　x=（x-TchScr_Xmin）*LCDWIDTH/（TchScr_Xmax-TchScr_Xmin）

　　y=（y-TchScr_Ymin）*LCDHEIGHT/（TchScr_Ymax-TchScr_Ymin）

　　其中，TchScr_Xmax、TchScr_Xmin、TchScr_Ymax和TchScr_Ymin是觸摸屏返回電壓值x、y軸的范圍，LCDWIDTH、LCDHEIGHT是液晶屏的寬度與高度。

　　3.4 操作系統對觸摸屏的支持

　　操作系統對觸摸屏的支持是按分層的思想進行的。首先是應用層，編寫的應用程序調用觸摸屏/鼠標事件API（在牽引層有相關的API函數）；其次，在驅動層有支持觸摸屏的驅動程序。通過統一接口來調用操作系統內核的觸摸屏設備驅動程序完成最終的設備控制。從中取出觸摸屏的實際坐標值，把該值記錄在初始化程序中，當下次有應用程序需要調用觸摸屏驅動程序時，觸摸屏驅動程序就會去檢查初始化程序，讀取其中的校正值，并把經過校正，影射后相對坐標值返回該應用程序。

　　3.5 觸摸屏的坐標的確認

　　通過上述方式采集的坐標是相對于觸摸屏的坐標，需要轉換成為LCD坐標，這個過程之前需要進行兩種坐標的校準工作，這里采用取平均值法。首先從觸摸屏的4個頂角得到2個最大值和2個最小值，分別計為x_min，y_min和x_max，y_max。X，Y方向的確定如表1所示。

　　表1 X，Y方向的確定

　　當系統處于休眠狀態時，Q1，Q3和Q4處于截止狀態，Q2導通。當觸摸屏被按下時，首先導通MOS管組Q1和Q4，X+與X-回路加上+3.3V電源，同時將MOS管組Q2和Q3關閉，斷開Y+和Y-，再啟動處理器的A/D轉換通道1（AIN1），電路電阻與觸摸屏按下產生的電阻輸出分量電壓，并由A/D轉換器將電壓值數字化，計算X軸的坐標。接著先導通MOS管組Q2和Q3，Y+與Y-回路加上+3.3V電源，同時將MOS管組Q1和Q4關閉，斷開X+和X-，再啟動處理器的A/D轉換通道0（AIN0），電路電阻與觸摸屏按下產生的電阻輸出分量電壓，并由A/D轉換器將電壓值數字化，計算Y軸的坐標。系統讀到坐標值后，關閉Q1、Q3和Q4，打開Q2，回到初始狀態，等待下一次筆觸。

　　確定X，Y方向后，坐標值的計算公式如下：

　　X=（x_max-Xa）×320/（x_max-x_min）

　　Y=（y_max-Ya）×240/（y_max-y_min）

　　式中：

　　Xa=（X1+X2+.。.+Xn）/n

　　Ya=（Y1+Y2+.。.+Yn）/n

　　一般觸摸屏將觸摸時的X、Y方向的電壓值送到A/D轉換接口，經過A/D轉換后的X與Y值僅是對當前觸摸點的電壓值的A/D轉換值，它不具有實用價值。這個值的大小不但與觸摸屏的分辨率有關，而且與觸摸屏與LCD貼合的情況有關。如果想得到體現LCD坐標的觸摸屏位置，還需要在程序中進行轉換。

　　4.結論

　　嵌入式系統的PDA越來越多的使用觸摸屏做輸入輸出設備。本文以ARM920T內核的S3C2410芯片GX開發板為硬件平臺，設計了嵌入式系統觸摸屏交互功能模塊，在全國大學生嵌入式系統競賽的產品和作品中已多次應用。文中并對設計中的關鍵技術問題做了詳細的分析與討論。軟件設計流程圖和源代碼及其它輔助程序等限于篇幅另文介紹。

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