基于MinuGUI的嵌入式智能儀器觸摸屏設計

0 引言

在現代化生產中，為了確保機械設備安全可靠地運行，通常要采用適宜的儀器儀表，利用故障診斷技術及時發現故障，并采取合理的維修或保護措施來排除故障，預防和避免事故的發生。基于對儀器尺寸、便攜性和操作方便性的考慮，在工業領域如煤炭、鋼鐵、冶金、電力、化工等行業中大量的儀器儀表和設備，都逐漸選用觸摸屏作為系統的輸入設備。

針對這一情況，作者在開發面向機械故障診斷的智能儀表過程中，對觸摸屏輸入接口進行了研究。設計了四線電阻式觸摸屏與PXA255 處理器的接口電路，分析了Linux框架下的字符設備驅動程序設計原理，完成了觸摸屏的接口驅動程序開發，并設計了用觸摸屏作為輸入設備的MiniGUI用戶程序。觸摸屏作為儀器的輸入設備，人機交互直截了當，大大方便了現場操作人員的使用。

1 硬件結構和工作原理

依據工作原理和傳輸介質的不同，觸摸屏主要分電阻式、電容式、紅外線式以及表面聲波式等多種類型。電阻式觸摸屏是一塊4層透明的復合薄膜屏，如圖1所示。下面是玻璃或有機玻璃構成的基層;上面是一層外表面經過硬化處理從而光滑防刮的塑料層;中間是兩層金屬導電層，在導電層之間有許多細小的透明隔離點把兩層隔開。兩個金屬導電層是觸摸屏的工作面，其兩端各涂有一條銀膠，稱為觸摸屏工作面的一對電極。四線式觸摸屏的X工作面和Y工作面分別加在兩個導電層上，共有4根引出線，分別連到觸摸屏的X 電極對和Y 電極對上。在觸筆觸摸屏幕時，兩導電層在接觸點處接觸。電阻式觸摸屏作為輸入設備與顯示屏配合使用時，其工作的實質就是通過測量X、Y兩個方向電阻的分壓， 確定觸摸屏的觸點坐標， 并將該坐標映射到顯示屏坐標上，從而實現人機交互。由于電阻式觸摸屏工作面與外界完全隔離， 受環境影響小， 所以具有不怕灰塵和水汽、穩定性高、不漂移等優點， 特別適合工業現場使用。

圖1 電阻式觸摸屏結構

在設計過程中， 選用ADS7843 作為觸摸屏接口的AD轉換芯片，它具有12 位的轉換精度， 最大支持4 096 ×4 096點陣的LCD， 滿足儀器設計要求。

儀器系統處理器選用Intel Xscale架構的PXA255處理器，用其GPIO口模擬SPI接口與ads7843進行通信。其接口原理如圖2所示。ADS7843完成采集通道的切換和接觸點處電壓的采集， 其操作時序主要由控制字輸入、電壓采集和模數轉換組成， 詳見參考文獻。只要在驅動程序中根據時序要求向D IN口發送控制字， 即可從DOUT處得到相應通道的采集結果。

圖2 ADS7843與PXA255的接口電路

2 觸摸屏接口驅動程序

Linux驅動程序是系統內核的一部分， 它把軟件和硬件分離開來， 并向上提供應用程序訪問硬件的通信接口， 向下管理保護系統硬件。觸摸屏在Linux下被定義為字符設備， 其驅動主要完成觸點電壓的采集， 并向用戶空間傳遞X 坐標、Y坐標和筆動作(按下、抬起或拖拽) 數據。當觸筆按下時， ADS7843的11腳輸出低電平， 觸發PXA255通用IO口的12腳產生外部中斷， 開啟定時器， 實現觸摸屏的動作。觸摸屏的驅動流程如圖3所示。

圖3 觸摸屏驅動程序結構流程