高 芹，劉作棟

(湖北理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 黃石 435003)

基于S3C2410的觸摸屏手寫(xiě)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

高 芹，劉作棟

(湖北理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 黃石 435003)

觸摸屏作為一種重要的電子輸入設(shè)備，在各個(gè)領(lǐng)域都備受青睞。觸摸屏以其簡(jiǎn)單、自然的人機(jī)交互方式，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制、公共信息咨詢、金融證券交易市場(chǎng)、家用電器等眾多領(lǐng)域。基于S3C2410的電阻式觸摸屏應(yīng)用，介紹了觸摸屏的原理及結(jié)構(gòu)以及在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用、嵌入式文件系統(tǒng)的配置、LCD和觸摸屏的配置；采用了觸摸屏3點(diǎn)校準(zhǔn)方法，并利用Linux中的Framebuffer設(shè)備實(shí)現(xiàn)了在觸摸屏上追隨手指顯示軌跡的具體算法。

嵌入式;LCD;觸摸屏;幀緩沖;手寫(xiě)

由于觸摸屏技術(shù)的不斷改進(jìn)與革新，越來(lái)越多的電子產(chǎn)品采用觸摸屏作為輸入設(shè)備，用戶的交互性有了質(zhì)的飛躍。目前國(guó)內(nèi)外的觸摸屏控制方式越來(lái)越趨向于智能化，觸摸屏觸摸實(shí)現(xiàn)技術(shù)多樣，主要有矢量壓力傳感器技術(shù)觸摸屏、電阻感應(yīng)觸摸屏、紅外線觸摸屏、電容感應(yīng)觸摸屏和表面聲波觸摸屏。對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)產(chǎn)品更加靈活，更容易推出富有個(gè)性的產(chǎn)品。

本設(shè)計(jì)采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，將基于S3C2410處理器觸摸屏作為硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)。觸摸屏選用4線電阻式觸摸屏，當(dāng)觸摸點(diǎn)接觸到屏幕時(shí)，它在X、Y方向產(chǎn)生模擬信號(hào)，通過(guò)S3C2410的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)送至CPU處理，從而實(shí)現(xiàn)觸摸屏功能[1-2]。

本設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)主要由Bootloader、操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序、驅(qū)動(dòng)程序等組成。在觸摸屏驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)基于Linux S3C2410平臺(tái)的觸摸屏驅(qū)動(dòng)管理，針對(duì)觸摸屏的點(diǎn)擊獲得脈沖電壓值并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)化后讀取該值，根據(jù)相關(guān)校準(zhǔn)算法將該值轉(zhuǎn)換成顯示屏較為精確的坐標(biāo)。利用Linux的Framebuffer原理在觸摸屏獲得其精確坐標(biāo)后實(shí)現(xiàn)了追隨手指軌跡的幾何圖形的描繪。

1 設(shè)計(jì)平臺(tái)構(gòu)建

1.1軟件平臺(tái)

1)Ramdisk文件系統(tǒng)的配置。

在實(shí)現(xiàn)觸摸屏手指追隨的Linux操作系統(tǒng)移植中，使用的Ramdisk 是一個(gè)最小的Linux 根文件系統(tǒng)。它是一種基于內(nèi)存的虛擬磁盤(pán)技術(shù)，采用ext2文件格式，包含了所有Linux 系統(tǒng)在引導(dǎo)和管理時(shí)需要的工具。ramdisk.gz是ramdisk文件進(jìn)行壓縮后的格式。掛載該文件系統(tǒng)的具體操作方法如下[3-4]。

假設(shè)將ramdisk.gz存放在/home/cvtech/jx2410/root/下面，則操作如下：

$cd /home/cvtech/jx2410/root/

$mkdir rd

$gunzip ramdisk.gz

經(jīng)過(guò)上述操作后，已將ramdisk.gz解壓成ramdisk系統(tǒng)映像文件。

$mount -o loop ramdisk rd/

$cd rd/

其中命令mount的-o參數(shù)loop表示將文件當(dāng)作硬盤(pán)的掛接方式。這樣，rd下面的就是Linux的文件系統(tǒng)，此時(shí)就可以加入自己的應(yīng)用程序，或者對(duì)其中的文件進(jìn)行修改，修改完成后，使用如下命令重新生成文件系統(tǒng)映像文件：

$umount rd

$gzip ramdisk ramdisk.gz

這樣再用tftp下載到JXARM9-2410實(shí)驗(yàn)箱上，然后運(yùn)行Linux系統(tǒng)就可以看到程序了。

2)Linux 2.6.14內(nèi)核的移植。

獲取Linux源碼后解壓，解壓完成后安裝編譯器；通過(guò)修改Makefile,添加對(duì)ARM的支持以及編譯器的制定；用make menuconfig命令進(jìn)入系統(tǒng)配置菜單，下載配置文件s3c2410_defconfig，保存退出后，進(jìn)行編譯。編譯通過(guò)后，在目錄arch/arm/boot/下，得到一個(gè)新的內(nèi)核文件zImage，將內(nèi)核下載到ARM9S3C2410實(shí)驗(yàn)箱中[5-6]。

1.2硬件平臺(tái)

1) 觸摸屏的配置。

S3C2410帶有1個(gè)電阻式觸摸屏面板、4個(gè)外部晶體管和1個(gè)外部電壓源。將觸摸屏接口控制和選擇控制信號(hào)(nYPON、YMON、nXPON和XMON)以及模擬pad(AIN[7],AIN[5])都連接到觸摸屏面板和X、Y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換外部晶體管。觸摸屏接口包括一個(gè)外部晶體控制邏輯和一個(gè)帶有中斷發(fā)生器的A/D轉(zhuǎn)換邏輯[7-10]。

在Linux操作系統(tǒng)中，S3C2410微控制器對(duì)應(yīng)的字符型驅(qū)動(dòng)源文件為s3c2410_ts.c。將該驅(qū)動(dòng)編譯為模塊后，生成驅(qū)動(dòng)模塊s3c2410.ko,將該驅(qū)動(dòng)模塊用insmod插入到內(nèi)核后，自動(dòng)在Linux的/dev/目錄下創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)touchscreen。

編寫(xiě)應(yīng)用程序讀取觸摸屏的觸點(diǎn)坐標(biāo)值及動(dòng)作信息時(shí)，只需利用觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序就可以實(shí)現(xiàn)，利用open函數(shù)打開(kāi)觸摸屏設(shè)備，然后用讀函數(shù)read()函數(shù)讀取觸摸屏的按壓信息和對(duì)應(yīng)的觸摸屏坐標(biāo)x,y即可。

此外，如果要正常使用ARM9 S3C2410實(shí)驗(yàn)箱上的LCD，還需完成如下操作：

$ cd/home/cvtech/jx2410/linux-2.6.14

$ make menuconfig

在Linux配置菜單中，添加Frame buff支持，添加后，保存退出。觸摸屏Framebuffer內(nèi)核加載如圖1所示。

圖1 觸摸屏Framebuffer內(nèi)核加載

在程序中，通過(guò)下面一段代碼打開(kāi)觸摸屏：

if((fd = open("/dev/fb0", O_RDWR)) < 0)

{perror("fail to open");

return 0; }

2)LCD內(nèi)核驅(qū)動(dòng)配置。

如果要正常使用ARM9 S3C2410實(shí)驗(yàn)箱上的LCD，還需完成如下操作：

$cd/home/cvtech/jx2410/linux-2.6.14

$ make menuconfig

在Linux配置菜單中，添加LCD支持，Device Drivers->Graphics support->添加后，保存退出。添加LCD Framebuffer支持選項(xiàng)如圖2所示。

圖2 添加LCD Framebuffer支持選項(xiàng)

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1電阻式觸摸屏取點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于4線電阻式觸摸屏，當(dāng)觸摸點(diǎn)接觸到屏幕時(shí)，它在X、Y方向產(chǎn)生模擬信號(hào)，通過(guò)S3C2410的A/D轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。對(duì)觸摸屏的操作除了打開(kāi)、關(guān)閉設(shè)備外，一般只有讀操作。讀操作將在觸摸屏上讀取到的信息保存在一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量中。這個(gè)結(jié)構(gòu)體定義在Linux源碼的include/asm-arm/linuette_ioctl.h文件中，定義如下：

//觸摸屏觸點(diǎn)坐標(biāo)值及動(dòng)作信息

typedef struct

{

unsigned short pressure; //觸摸筆動(dòng)作unsigned short x; //觸點(diǎn)x坐標(biāo)值

unsigned short y; //觸點(diǎn)y坐標(biāo)值

unsigned short pad;

}TS_EVENT;

從而獲得其對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)x和y，關(guān)鍵算法如下：

while(1)

{ flag=1;

for(i=0;flag!=0;i++)

{ read (ts, &ts_event, sizeof (TS_EVENT));

if (ts_event.pressure > 0)

{ x[i]= ts_event.x;

y[i]= ts_event.y;

printf("x[%d] =%d, y[%d] = %d ", i,x[i],i,y[i]);

}}

else flag=0; }

但通過(guò)以上算法獲得的坐標(biāo)點(diǎn)是觸摸屏上的坐標(biāo)點(diǎn)，并不是與LCD完全匹配的坐標(biāo)點(diǎn)。觸摸屏常和LCD疊加在一起配套使用,構(gòu)成一個(gè)矩形的實(shí)際物理平面; 而由用戶觸摸的觸摸點(diǎn)集合經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換器,得到具體顯示坐標(biāo)的集合,這個(gè)集合構(gòu)成了一個(gè)邏輯平面，由于存在誤差,這2個(gè)平面并不重合。觸摸屏部分坐標(biāo)點(diǎn)值如圖3所示。

圖3 觸摸屏部分坐標(biāo)點(diǎn)值

2.2 3點(diǎn)觸摸屏校準(zhǔn)算法

當(dāng)觸摸屏和LCD的角度存在較小的偏差時(shí)，可采用3點(diǎn)校準(zhǔn)法對(duì)觸摸屏進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)算法選取3個(gè)采樣點(diǎn)來(lái)收集校準(zhǔn)信息。

假設(shè)LCD顯示器上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)可以通過(guò)觸摸屏上的點(diǎn)轉(zhuǎn)換得到，只需3個(gè)采樣點(diǎn)就可得到校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。從圖3中這3個(gè)采樣點(diǎn)可獲得足夠的信息來(lái)建立并求解這一聯(lián)立方程組。

2.3采用3點(diǎn)校準(zhǔn)法校準(zhǔn)屏幕坐標(biāo)

由于電阻式觸摸屏的電壓成線性均勻分布,因此A/D 轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)也成線性，基于此原理，下面給出3點(diǎn)校準(zhǔn)法的基本思想。

如果已知觸摸屏上一點(diǎn)A,其觸摸屏坐標(biāo)為(X,Y),希望相應(yīng)的顯示坐標(biāo)為(XD,YD),根據(jù)假定的線性關(guān)系,得到:

XD=AX+BY+C

YD=DX+EY+F

為了求得對(duì)應(yīng)的6個(gè)常數(shù)A、B、C、D、E、F, 需要選取3個(gè)采樣點(diǎn)來(lái)收集校準(zhǔn)信息。取LCD坐標(biāo)分別為(20,20)，(620,20)，(620，460)的3個(gè)點(diǎn)，可列出以下非冗余方程式：

XD0=AX0+BY0+C

XD1=AX1+BY1+C

XD2=AX2+BY2+C

YD0=DX0+EY0+F

YD1=DX1+EY1+F

YD2=DX2+EY2+F

通過(guò)以上方程式，即可求解出對(duì)應(yīng)的6個(gè)常數(shù)。

校準(zhǔn)步驟為：

1)在坐標(biāo)(XD0,YD0)中畫(huà)出第1個(gè)目標(biāo)。

2)收集從觸摸屏中返回的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在坐標(biāo)(X0,Y0)中。

3)在坐標(biāo)(XD1,YD1)中畫(huà)出第2個(gè)目標(biāo)。

4)收集從觸摸屏中返回的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在坐標(biāo)(X1,Y1)中。

5)在坐標(biāo)(XD2,YD2)中畫(huà)出第3個(gè)目標(biāo)。

6)收集從觸摸屏中返回的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在坐標(biāo)(X2,Y2)中。

上述聯(lián)立方程組的未知量已求解出，此處不再推導(dǎo)。直接跳過(guò)中間步驟得出最后結(jié)論，將K作為各方程式的公分母，便可得出未知量：

k=(x0-x2)*(y1-y2)-(x1-x2)*(y0-y2);

A=((XD0-XD2)*(y1-y2)-(XD1-XD2)*(y0-y2))/k;

B=((x0-x2)*(XD1-XD2)- (XD1-XD2)*(y0-y2))/k;

C=(y0*(x2*XD1-x1*XD2)+y1*(x0*XD2-x2*XD0)+y2*(x1*XD0-x0*XD1))/k;

D=((YD0-YD2)*(y1-y2)-(YD1-YD2)*(y0-y2))/k;

E=((x0-x2)*(YD1-YD2)-(YD0-YD2)*(x1-x2))/k;

F=(y0*(x2*YD1-x1*YD2)+y1*(x0*YD2-x2*YD0)+y2*(x1*YD0-x0*YD0))/k;

根據(jù)概算法思路，可較準(zhǔn)確地求出觸摸屏任意點(diǎn)的LCD坐標(biāo)值。

2.4鼠標(biāo)追隨算法實(shí)現(xiàn)

1)Framebuffer原理。

Framebuffer (幀緩沖)是Linux內(nèi)核的一種圖形設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口，提供了LCD控制器的抽象性描述。它將LCD控制器上的顯存抽象成一種字符設(shè)備，應(yīng)用程序通過(guò)定義好的接口可以訪問(wèn)LCD控制器的顯存，直接對(duì)顯示緩沖區(qū)進(jìn)行read/write操作，而不需要知道底層的任何細(xì)節(jié)。

事實(shí)上，幀緩沖只是一塊顯示緩沖區(qū)，向這個(gè)顯示緩沖區(qū)中寫(xiě)入特定格式的數(shù)據(jù)就意味著更新顯示屏的輸出。幀緩沖與顯示屏上的點(diǎn)存在著映射關(guān)系，顯示屏上的每個(gè)點(diǎn)都與緩沖區(qū)某個(gè)特定的位置相關(guān)聯(lián)，向幀緩沖設(shè)備寫(xiě)入數(shù)據(jù)就相當(dāng)于改變顯示屏顯示的相關(guān)信息[11-13]。

2)Framebuffer實(shí)現(xiàn)畫(huà)線。

在計(jì)算映射緩沖區(qū)之前，需要知道固定顯示屏信息和可變顯示屏信息。其中，固定顯示屏信息由硬件和驅(qū)動(dòng)決定；可變顯示屏信息由硬件的當(dāng)前狀態(tài)決定。通常在程序中使用ioctl()函數(shù)來(lái)查詢幀緩沖設(shè)備信息。需要用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要分為以下2種：

struct fb_var_screeninfo vinfo; //存儲(chǔ)可變顯示屏信息。

struct fb_fix_screeninfo finfo; //存儲(chǔ)固定顯示屏信息。

其中，可變顯示屏信息使用FBIOGET_VSCREENINFO通過(guò)ioctl()函數(shù)獲得。得到顯示屏相關(guān)信息后，使用內(nèi)存映射(mmap)將幀緩沖設(shè)備中的顯示緩存區(qū)映射到進(jìn)程中的一段虛擬地址空間，然后通過(guò)讀寫(xiě)這一塊虛擬地址來(lái)訪問(wèn)顯示緩沖區(qū)，實(shí)現(xiàn)在顯示屏上繪圖畫(huà)線等操作。

幀緩沖基本使用步驟如下：

1) 計(jì)算需要映射的內(nèi)存大小。

2) 映射內(nèi)存。

3) 獲取手指觸摸坐標(biāo)。

4) 根據(jù)觸摸坐標(biāo)利用Framebuffer顯示軌跡。

3 調(diào)試運(yùn)行

加載Linux系統(tǒng)完成后，可以執(zhí)行Linux系統(tǒng)命令，驅(qū)動(dòng)觸摸屏設(shè)備用手指在觸摸屏上劃線并在LCD顯示屏上顯示。

文件系統(tǒng)加載完成后，掛載nfs文件系統(tǒng)，調(diào)試過(guò)程如下：

# mount 192.168.1.180:/tftpboot /mnt/nfs

# cd /mnt/nfs

# ./3

即可在實(shí)驗(yàn)箱上看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在觸摸屏上劃線時(shí)，應(yīng)盡量用大一點(diǎn)的力量來(lái)畫(huà)線，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)使用的實(shí)驗(yàn)箱配置的是電阻式觸摸屏，必須用足夠的力量點(diǎn)擊觸摸，才能使電阻式觸摸屏2層導(dǎo)電層完全接觸，從而減小實(shí)際畫(huà)線位置和LCD顯示畫(huà)線位置的誤差。程序執(zhí)行效果圖如圖4所示。

圖4 程序執(zhí)行效果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

觸摸屏手指追隨的設(shè)計(jì)完成以后，還完成了觸摸屏的校準(zhǔn)，但仍然存在一些邊緣誤差，即取得的觸摸屏坐標(biāo)和LCD的坐標(biāo)仍然存在較小的偏差。如果采用Ts_lib包自帶的Ts_calibrate來(lái)校準(zhǔn)觸摸屏，則可進(jìn)一步準(zhǔn)確校準(zhǔn)。

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(責(zé)任編輯桂堤)

Design of Application Programming of Touch-screen Handwriting Based on S3C2410

GaoQin,LiuZuodong

(School of Computer Science, Hubei Polytechnic University，Huangshi Hubei 435003)

As a new electronic input device,the touch screen technology has been gained popularity in various fields.Touch screen with its simple,natural human-computer interaction,has been widely used in industrial process control,public information consultation,finance and securities trading market,household appliances and many other fields.This paper describes the application of touchscreen based on S3C2410,introduces the principles and structure of touchscreen,its application in the embedded system and configuration in the embedded file system configuration,LCD and touch screen.Three-point calibration method is expounded and the algorithm is implemented by using framebuffer to realize touchscreen's finger follow based on S3C2410.

embedded;LCD;touchscreen;framebuffer;finger follow

2013-09-09

湖北理工學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)12xjz41Q)；湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)20130920019)。

高芹(1980— )，女，講師，碩士。

10.3969/j.issn.2095-4565.2014.01.010

TP368.1

A

2095-4565(2014)01-0039-05