為標(biāo)準(zhǔn)觸摸屏編寫驅(qū)動程序
盡管觸摸屏正在迅速普及開來，但大多數(shù)開發(fā)人員以前從來沒有開發(fā)過觸摸屏產(chǎn)品。本文詳細(xì)介紹了觸摸屏產(chǎn)品的設(shè)計步驟，指導(dǎo)讀者了解使觸摸屏首次工作需要的軟硬件細(xì)節(jié)。
觸摸屏如今隨處可見。工業(yè)控制系統(tǒng)、消費電子產(chǎn)品，甚至醫(yī)療設(shè)備上很多都裝備了觸摸屏輸入裝置。我們平時不經(jīng)意間都會用到觸摸屏。在ATM機(jī)上取款、簽署包裹，辦理登機(jī)手續(xù)或查找電話號碼時都可能會用到觸摸屏。
本文介紹了二種較新的CPU，它們都內(nèi)建了對觸摸屏輸入的支持。本文將介紹如何編寫軟件驅(qū)動程序，從而能夠使用這些微處理器配置、校準(zhǔn)觸摸屏以及對觸摸屏輸入持續(xù)響應(yīng)。最終將提供可免費下載和使用的工作代碼，作為讀者進(jìn)一步設(shè)計的基礎(chǔ)。
觸摸屏作為輸入手段的優(yōu)點和缺點
沒有一種輸入方式是十全十美的，對某些特定的應(yīng)用和產(chǎn)品類型來說，觸摸屏不是最好的輸入手段。為了讓讀者清楚的了解觸摸屏的特性，下面先概括使用觸摸屏作為輸入手段的優(yōu)點和缺點。
首先是優(yōu)點：觸摸屏不可否認(rèn)的具有酷的感覺，立刻就能使產(chǎn)品的使用變得更有樂趣。同時觸摸屏也非常直觀。當(dāng)用戶想要選擇A選項時，他伸出手指碰一下A選項就可以了。這還不夠直觀嗎？連兩歲的嬰兒都知道怎樣伸手去觸摸他(或她)想要的東西。
最后要說的是，觸摸屏作為輸入裝置和系統(tǒng)固定在了一起。如果用戶忘記遙控器或鼠標(biāo)放的位置，就會無法進(jìn)行輸入。而如果具有觸摸屏的設(shè)備放在用戶前面，用戶馬上就可以用觸摸屏進(jìn)行輸入。
再說缺點，觸摸屏可能會在不合適的場合下被錯誤的使用。這里我是指對安全性要求嚴(yán)格的設(shè)備，對于這些設(shè)備，如果沒有適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，使用觸摸屏?xí)浅ＮｋU。下面我將概括一些最明顯的潛在的問題，如果讀者想作更進(jìn)一步的了解，可以參考更多的資料。
第一個問題是視差，即屏幕上看到的對象的位置與其在觸摸面板上的實際有效位置之間的差異。圖1說明了這個問題。我能想到的最佳例子是典型的“免下車”ATM機(jī)。這種ATM機(jī)不會根據(jù)汽車的高度升高或降低自己的高度，因此如果你坐在較高的SUV或卡車?yán)�，那么你就會從抬高的位置俯視顯示屏。為了保護(hù)昂貴的顯示器件免受惡意破壞，ATM機(jī)都會在用戶和顯示屏之間放置幾層強(qiáng)化玻璃。
觸摸屏是不能這樣保護(hù)的。如果真這樣做的話，用戶就無法進(jìn)行觸摸了。因此觸摸屏放在表層上，而顯示屏放在表層下的幾層玻璃后面。這就造成了觸摸層和顯示層之間的物理隔離。如果用戶以某個角度觀看屏幕，就意味著用戶按壓觸摸屏進(jìn)行選擇的位置會與用戶接口軟件預(yù)期的輸入位置之間存在一定的距離偏差。
圖1：視差(橫截面圖)。
人們能很快適應(yīng)這種偏差。經(jīng)過幾次嘗試和錯誤，使用者學(xué)習(xí)在觸摸屏的表面找到顯示信息的映射位置，然后觸摸到正確的位置。ATM設(shè)計師也認(rèn)識到這一點，他們會采用大面積的按鍵，并盡量使它們相互遠(yuǎn)離，因此有助于防止錯誤按鍵的誤觸發(fā)。當(dāng)然，不小心按下錯誤的ATM按鍵不會使你得癌癥或使你失明。但如果這樣的失誤發(fā)生在醫(yī)療控制設(shè)備上，并且系統(tǒng)設(shè)計師沒有在系統(tǒng)內(nèi)置足夠的安全預(yù)防措施，那么以上兩種后果確實都有可能發(fā)生。
通過縮短顯示層和觸摸層之間的物理距離可以盡量減少視差。在CRT或LCD前面總會有玻璃存在。最好的方法是將對觸摸敏感的電子元件嵌入到玻璃里，并且這層玻璃做得盡可能薄。這樣就減少了觸摸輸入層和顯示層之間的相隔距離。像Palm這樣的手持設(shè)備就可以采用這樣的策略，因為它們不必太擔(dān)心機(jī)械強(qiáng)度不夠或者遭受惡意破壞。隨著相隔距離的縮小(用戶覺得真的觸摸到了圖形元件)，精度會大大提高。
第二個明顯的問題是，在用戶觸摸屏幕的過程中，觸摸屏幕的物體(觸控筆、手指)至少會遮擋屏幕上的一小部分面積，從而影響用戶的觀察。在工廠自動化應(yīng)用中這種情況更容易發(fā)生，因為用戶很可能使用手指或手套而非觸控筆，即使是使用觸控筆，在屏幕上做選擇動作也會不時遮擋住一部分你給用戶展示的信息。例如，想象一下你想展示一個滑動控制條給用戶調(diào)節(jié)數(shù)值（如速度或音量），并且你將用戶選擇的數(shù)值以數(shù)字形式顯示在滑動控制條的左邊。這樣做一般工作情況會很好，但當(dāng)左撇子用戶操作你的系統(tǒng)時，只有移開他的手指他才能看到所選的值。因此你必須在你的用戶界面設(shè)計中考慮這類因素。
觸摸屏硬件原理簡介
我們在開始編寫觸摸屏驅(qū)動程序之前，必須對硬件的工作原理有個基本的了解。許多不同的觸摸技術(shù)會把屏幕某個位置的壓力或接觸轉(zhuǎn)換成有意義的數(shù)字坐標(biāo)。典型的觸摸技術(shù)包括電阻觸摸屏、聲表面波觸摸屏、紅外線觸摸屏和電容觸摸屏。如果想詳細(xì)了解這些技術(shù)，你可以登錄www.elotouch.com或www.apollodisplays.com網(wǎng)站。
這里側(cè)重介紹電阻觸摸屏。電阻觸摸屏非常普及，你會發(fā)現(xiàn)許多評估板和開發(fā)套件中都集成了電阻觸摸屏。電阻觸摸屏普及的主要原因是價格便宜，而且在電氣上可以直接接入用戶的系統(tǒng)中。
之所以叫電阻觸摸屏，是因為它們本質(zhì)上就是電阻分壓器。它們由兩個電阻薄層組成，這兩個薄層被非常薄的絕緣層隔開，絕緣層通常以塑料微粒子的形式存在。當(dāng)你觸摸屏幕時，會使兩個電阻薄層變形到足以使它們之間發(fā)生電氣連接。然后由軟件通過檢測分壓器上產(chǎn)生的電壓計算出兩層的短接位置，并最終確定觸摸位置。
電阻觸摸屏分為幾種類型，比如"四線"，"五線"和"八線"。線越多，精度就越高，溫度漂移也越少，但基本的操作是一樣的。在最簡單的四線設(shè)計中，有一層稱為"X軸"的電阻層，上面加有一定的電壓，另一個稱為"Y軸"的電阻層作為接受層測量對應(yīng)X軸位置的電壓值。這一過程再反過來執(zhí)行一遍，即Y軸層加電，X軸層用于電壓檢測。
圖2是電阻觸摸屏的簡單等效電路。注意必須獲取二個完全獨立的讀數(shù)，即X軸位置和Y軸位置數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在四線或五線電阻觸摸屏中是無法同時讀取的。軟件必須先讀一個軸，然后再讀另外一個軸。讀取的順序則無關(guān)緊要。
將電阻觸摸屏產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字需要用到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。直到不久前這個ADC幾乎一直是主CPU的外圍器件。Burr Brown NS7843或NS7846就是這種ADC控制器。該器件為12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)嵌的邏輯電路通過交替給一個薄層加電，再從另外一層轉(zhuǎn)換來控制觸摸屏。雖然可以使用諸如GPIO之類的信號線來完成薄層加電的切換，但該器件能夠分擔(dān)許多任務(wù)，還能提供產(chǎn)生觸摸或筆壓中斷的方式。
最近有幾家CPU制造商開始在主CPU中集成ADC模塊和專用的觸摸屏控制電路。在消費類設(shè)備、遠(yuǎn)程信息通信或一些面向其它市場的產(chǎn)品中，LCD顯示屏和觸摸屏非常普遍，當(dāng)想把CPU用于這類產(chǎn)品中時，在CPU中集成ADC和觸摸屏控制電路的做法會非常有意義。
基于兩種CPU的參考板
本文設(shè)計兩種集成了觸摸屏控制功能的CPU的參考板。這二種CPU都基于ARM處理器架構(gòu)。
第一塊板是飛思卡爾的MX9823ADS評估板，采用了飛思卡爾的MC9328MX1處理器。該評估板可以直接從飛思卡爾的分銷商處定購。評估套件包括QVGA(240x320)彩色LCD和觸摸屏。
第二塊板采用了夏普LH79524 ARM處理器。這塊夏普的參考板以及集成的顯示和觸摸套件都可以從LogicPD公司處定購。有幾種可更換的顯示套件供選擇，分辨率范圍從QVGA到800x600像素不等。
本文中不提供每個驅(qū)動程序的詳細(xì)代碼，而是介紹驅(qū)動程序的設(shè)計和流程，并重點介紹其中的重要部分。讀者可以從ftp://ftp.embedded.com/pub/2005/07maxwell下載每個驅(qū)動程序的全部源代碼。總的來看，軟件提供的功能完成以下這些步驟：
1. 配置控制器硬件
2. 判斷屏幕是否被觸摸
3. 獲得穩(wěn)定的、去抖動的位置測量數(shù)據(jù)
4. 校準(zhǔn)觸摸屏
5. 將觸摸狀態(tài)和位置變化信息發(fā)送給更高層的圖形軟件
下面開始詳細(xì)介紹每個步驟。
硬件配置
觸摸驅(qū)動程序要做的第一件事是配置硬件。對這些集成控制器來說，這意味著通過向映射到存儲器的寄存器中寫入數(shù)據(jù)將控制器配置成某個確定狀態(tài)。這一過程是由每個驅(qū)動程序中的TouchConfigureHardware()函數(shù)完成的。
為了配置硬件，需要事先做好某些決定。例如，驅(qū)動程序應(yīng)該使用中斷驅(qū)動嗎？為了獲得能夠響應(yīng)并且精確的觸摸位置信息需要什么樣的轉(zhuǎn)換速率？讓我們看看做出這些決定的具體過程吧。
圖2：觸摸屏電路簡單等效電路。
關(guān)于觸摸驅(qū)動程序是否應(yīng)該使用中斷驅(qū)動，事實上在范例的驅(qū)動程序中用的就是中斷驅(qū)動方式。坦率地講，我之所以這樣做是因為使用中斷很有趣。千萬不要由這個例子推斷出采用中斷永遠(yuǎn)是最好或最正確的設(shè)計方式，也不要聽信別人說不采用中斷驅(qū)動方式的觸摸驅(qū)動程序就是"錯誤的"。
之所以這樣說只是因為"輪詢"對嵌入式系統(tǒng)程序員來說似乎變成了貶義詞。我曾經(jīng)問過一位客戶，他的輸入設(shè)備采用的是輪詢還是中斷服務(wù)方式。回答是"這是嵌入式系統(tǒng)，我們不做任何輪詢"。我當(dāng)時感覺問這個問題時我就像一個傻瓜，但進(jìn)一步探討后發(fā)現(xiàn)查詢其實也是一種合理且值得考慮的方式。如果使用的是RTOS，并且所有任務(wù)經(jīng)常為了等待某類外部事件而被中斷，處理器經(jīng)常處于空閑的循環(huán)狀態(tài)，沒有什么有意義的事做。這種情況下使用空閑任務(wù)查詢觸摸屏上的輸入也許是更好的設(shè)計方式。根據(jù)你的總體系統(tǒng)需求，查詢也可能是一個值得考慮的合理的設(shè)計方式。
配置中斷的方法因具體操作系統(tǒng)而異。讀者會發(fā)現(xiàn)對于每一個支持的RTOS都有被(#ifdef)限定的代碼段。在所有情況下驅(qū)動程序?qū)嶋H會使用二種不同的中斷：
1 當(dāng)屏幕被初次觸摸時喚醒主機(jī)的中斷，稱為PEN_DOWN中斷
2 當(dāng)完成一組模數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時的第二種中斷信號
后文會詳細(xì)介紹這些中斷和它們產(chǎn)生的過程。
接下來的問題是我們希望以多快的速度從ADC接收采樣輸入讀數(shù)。采樣速度會影響我們需要如何配置時鐘來驅(qū)動觸摸屏和ADC。我們希望時鐘有足夠快的速度來提供可響應(yīng)的輸入和實現(xiàn)精確的跟蹤，但也不要太快，以至于影響轉(zhuǎn)換精度，或讓系統(tǒng)消耗超過所需的功率。
根據(jù)我的經(jīng)驗，觸摸屏至少需要以20Hz或50ms間隔的速度向更高層軟件提供位置更新數(shù)據(jù)，只要高層軟件跟得上，速度越快越好，我們不太擔(dān)心功耗問題。如果觸摸輸入響應(yīng)比這慢得多，那么在用戶的觸摸輸入和顯示屏上可觀察到的響應(yīng)之間會出現(xiàn)明顯和煩人的遲滯現(xiàn)象。
20Hz的更新速度聽起來并不是太有挑戰(zhàn)性，但提供20Hz的更新速度實際上要求采樣速度接近200Hz，具體數(shù)值取決于我們在確定輸入穩(wěn)定之前準(zhǔn)備采用多少讀數(shù)。為了去抖動和對觸摸輸入位置值進(jìn)行平均，我們需要進(jìn)行過采樣。電阻觸摸屏，特別是便宜的那種，一般會有很大的噪聲和抖動。
在向更高層軟件發(fā)送位置更新數(shù)據(jù)之前，驅(qū)動程序需要多次采樣每個軸上的輸入。我們提供的驅(qū)動程序默認(rèn)情況下將以最少200Hz(5ms)的采樣速率配置各自處理器上的ADC時鐘。這樣就能讓驅(qū)動程序?qū)斎朐紨?shù)據(jù)進(jìn)行充分的去抖動和過濾，并仍能向高層用戶接口軟件提供20Hz的實際位置更新速率。
飛思卡爾i.MX處理器中的觸摸控制器模塊叫做模擬信號處理器(ASP)，i.MX處理器提供兩個由內(nèi)核CPU時鐘分頻得到的外設(shè)時鐘。輸入ASP模塊端口的是PERCLK2(外設(shè)時鐘2)，它經(jīng)過再分頻產(chǎn)生ASP所需的最終輸入時鐘。需要注意的是，PERCLK2除了驅(qū)動ASP模塊外，還驅(qū)動包括內(nèi)部LCD控制器在內(nèi)的其它子模塊，因此觸摸驅(qū)動程序無法只是為了更好的配合觸摸采樣而對PERCLK2進(jìn)行編程。PERCLK2被編程為所有附屬外設(shè)所要求的最高速率(在大多數(shù)情況下是LCD控制器)，然后通過分頻產(chǎn)生速度較慢的外設(shè)所需的時鐘。MC9328MX1參考手冊中包含一份表格，該表格定義了達(dá)到200Hz數(shù)據(jù)輸出速率所需的時鐘編程值。
夏普LH79524在硬件配置時要求對幾個GPIO引腳進(jìn)行編程以便給這些引腳分配ADC功能，并要求編程和激活A(yù)DC時鐘，還要對ADC序列器編程。
LH79524 ADC本身是一個令人稱奇的電路系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)完全可編程的狀態(tài)機(jī)和序列器。該ADC無需核心CPU的任何干預(yù)就可以通過編程完成：驅(qū)動一個觸摸層；延時；進(jìn)行測量；驅(qū)動另一層；延時；進(jìn)行測量等操作。理解如何對LH79524 ADC序列器控制單元編程可能是一個挑戰(zhàn)，不過利用夏普(www.sharpsma.com)公司提供的應(yīng)用指南可以使這項工作簡單很多。本文提供的驅(qū)動程序完全符合該應(yīng)用指南對如何配置夏普ADC序列控制器提出的建議。
圖3：X軸移動時Y軸上的偏移。
屏幕被觸摸到了嗎？
一旦完成了基本的硬件設(shè)置，接下來就需要一種可靠的方法判斷屏幕是否被觸摸了。如果用戶沒有觸摸屏幕，那么運行ADC獲得轉(zhuǎn)換后的讀數(shù)毫無意義。上述兩個控制器都提供了屏幕是否被觸摸的檢測機(jī)制，并且當(dāng)觸摸事件發(fā)生時還可選擇是否中斷主處理器。判斷屏幕是否被觸摸的驅(qū)動程序的函數(shù)名叫WaitForTouchState()。
當(dāng)控制器處于觸摸檢測模式時，Y軸觸摸層通過一個上拉電阻上拉到高電平，X軸觸摸層則連接到地。當(dāng)用戶觸摸屏幕的任何地方時，這兩層就發(fā)生短接，Y軸層被拉到低電平。該事件可以在驅(qū)動程序內(nèi)部連接到名為PEN_OWN IRQ的中斷發(fā)生機(jī)制。
在正常工作期間，當(dāng)觸摸事件發(fā)生時驅(qū)動程序利用PEN_DOWN IRQ喚醒觸摸驅(qū)動任務(wù)。這樣做可以讓驅(qū)動程序在屏幕沒有被觸摸時中斷自己的執(zhí)行，而不消耗任何CPU資源，而一旦用戶觸摸屏幕，驅(qū)動程序就被喚醒并進(jìn)入轉(zhuǎn)換模式。我們也可以在轉(zhuǎn)換模式?jīng)]被激活時停止(disable)ADC時鐘來節(jié)省功耗。
在校準(zhǔn)和主動采樣期間，驅(qū)動程序使用與上述基本相同的機(jī)制檢測屏幕是否被觸摸；不過在這些模式下驅(qū)動程序會屏蔽實際的中斷，并通過人工方式簡單的檢查觸摸狀態(tài)。對于飛思卡爾的處理器，這時要求把控制器編程到觸摸檢測模式，并檢查PEN_DOWN IRQ的數(shù)據(jù)位。對于夏普的處理器，觸摸檢測內(nèi)建在ADC命令序列中，不需要額外的步驟。
讀取觸摸數(shù)據(jù)
在校準(zhǔn)和正常操作期間，我們需要讀取X和Y軸的原始數(shù)據(jù)并去抖動，然后確定屏幕被觸摸時是否有穩(wěn)定的讀數(shù)。該過程在兩個驅(qū)動程序中都叫TouchScan()。該過程的要點是：
1. 檢查屏幕是否被觸摸；
2. 采集每個軸上的多個原始讀數(shù)用于以后的過濾；
3. 檢查屏幕是否仍在被觸摸。
在執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時，兩個控制器都提供了由編程產(chǎn)生延遲的方法，以在給觸摸層加電和開始實際的模數(shù)轉(zhuǎn)換之間插入一段時延。飛思卡爾把這段時延稱作數(shù)據(jù)建立計數(shù)(DSCNT)，在兩層切換后會有很多個ASP輸入時鐘長度的延時。夏普把這段時延稱為預(yù)充時延。
兩種CPU都需要這種時延，因為電阻觸摸面板是二塊由薄絕緣層隔離的大面積導(dǎo)體，正好形成一個電容。當(dāng)從將要執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的層切換到正在加電的層時，需要一定的延時才能保證電容達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
對于飛思卡爾的i.MX1處理器來說，一旦我們啟動轉(zhuǎn)換過程，那么由ADC產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將被保存在一個16位寬x12個條目深度的FIFO中。ADC產(chǎn)生9位無符號數(shù)據(jù)，因此每個16位條目的高7位將被忽略掉。這意味著這種觸摸控制器的全部數(shù)據(jù)范圍從0到511，不過實際上沒有ADC或電阻觸摸屏?xí)a(chǎn)生接近這個極限值的數(shù)據(jù)。
我們可以通過編程讓處理器在FIFO存有任何有效數(shù)據(jù)時就產(chǎn)生中斷，或在輸入FIFO裝滿時產(chǎn)生中斷。由于我們通常會做多次讀取，因此驅(qū)動程序一般會在FIFO裝滿時產(chǎn)生中斷。當(dāng)該中斷產(chǎn)生時，會有12個原始的模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)等待處理，分別對應(yīng)于X軸的6次讀數(shù)和Y軸的6次讀數(shù)。
夏普LH79524處理器允許在產(chǎn)生中斷前通過編程完成精確的步驟序列。在執(zhí)行每個步驟時，結(jié)果同樣會保存在輸入FIFO中，等待驅(qū)動程序軟件的讀取。結(jié)果是以16位數(shù)值進(jìn)行保存。每個結(jié)果的高10位是模數(shù)轉(zhuǎn)換值，最低4位是序列索引。10位轉(zhuǎn)換結(jié)果意味著這種觸摸控制器的最大數(shù)值范圍是0到1023，當(dāng)然你永遠(yuǎn)也不會觀察到接近極限值的結(jié)果。
一旦序列器控制字在LH79524上被編好程，驅(qū)動程序獲取原始讀數(shù)所需要做的就是命令序列器執(zhí)行。當(dāng)EOS（序列結(jié)束）中斷產(chǎn)生時，我們獲得的結(jié)果就可以用于采集和檢查了。序列器可以被配置為當(dāng)屏幕被觸摸時自動觸發(fā)、根據(jù)軟件命令觸發(fā)或連續(xù)觸發(fā)三種模式。
要注意原始轉(zhuǎn)換器讀數(shù)中經(jīng)常會有一些噪聲和偏差，這是正常的。你只有緊緊壓住電阻觸摸屏才能得到兩個連續(xù)的讀數(shù)，并取得一致的9位或10位原始數(shù)據(jù)。然而你會發(fā)現(xiàn)當(dāng)觸控筆或手指按上或離開觸摸屏?xí)r，讀數(shù)的變化要比你保持穩(wěn)定壓力時大得多。要記住用戶是以機(jī)械的方式連通二個平面電阻-觸摸層。當(dāng)用戶按壓和釋放觸摸屏?xí)r，在很短的一段時間內(nèi)兩層之間的電氣連接處于臨界狀態(tài)。我們需要丟棄這些讀數(shù)直到系統(tǒng)穩(wěn)定下來，否則我們提交的觸摸位置讀數(shù)會產(chǎn)生大幅跳躍，導(dǎo)致更高層的軟件無法進(jìn)行合適的操作。
這里不可避免要進(jìn)行折衷考慮。如果我們要求較窄的穩(wěn)定窗口，那么驅(qū)動程序?qū)o法跟蹤快速的"拖曳"操作。對于在簽名輸入期間發(fā)生的滑動或筆劃跟蹤事件來說快速拖曳是非常重要的。如果我們加寬穩(wěn)定窗口，我們就可能面臨著風(fēng)險，這些風(fēng)險包括接收到不精確的觸摸數(shù)據(jù)和上文描述過的處于臨界狀態(tài)的層連接結(jié)果。因此需要通過實驗來確定適合自己系統(tǒng)的最佳值。智能化的觸摸控制器同樣允許你通過軟件命令調(diào)整這些參數(shù)。
每個樣值所需的讀取次數(shù)、連續(xù)讀取間允許的偏差以及采樣速率是每個驅(qū)動程序的全部可編程參數(shù)�？梢酝ㄟ^#defines調(diào)整這些參數(shù)以便在你的系統(tǒng)上產(chǎn)生最佳結(jié)果。智能化的外部觸摸控制器一般會以很快的速度讀取數(shù)十或數(shù)百個數(shù)據(jù)用以改善精度。由于我們是用核心CPU完成這種過濾，因此我們需要確定有多少時間可以合理地分配給觸摸采樣任務(wù)。嵌入式系統(tǒng)包含折衷，你的任務(wù)就是想出最佳的折衷辦法，以產(chǎn)生能使用戶滿意的系統(tǒng)。
出于游戲目的，我喜歡測試日常生活中所遇到的商業(yè)觸摸系統(tǒng)。下一次當(dāng)你使用觸摸屏進(jìn)行購物簽名或包裹簽名時，你可以嘗試快速大范圍波浪形地移動觸控筆，然后觀察結(jié)果，查看屏幕跟蹤你移動的程度如何。如果你能看到漂亮光滑的跟蹤軌跡，你就知道驅(qū)動程序的采樣速率相當(dāng)快，可能在200Hz以上。經(jīng)常你會觀察到移動軌跡變成了一條直線(慢速采樣)或完全丟失(由于數(shù)值改變過大而被拒絕輸入)。當(dāng)你在零售商店進(jìn)行這種小測試的時候千萬不要大呼小叫，否則人們會用異樣的目光看你。正常人是不會理解什么東西會使工程師那么激動。
觸摸屏的校準(zhǔn)
到此我們已經(jīng)介紹了驅(qū)動程序所支持的全部功能，這是我們進(jìn)入下一步之前必須完成的繁瑣工作。既然各種功能都已就緒，可以讓用戶實際觸摸屏幕了。電阻觸摸屏需要校準(zhǔn)。我們需要一些參考值，以便我們能夠?qū)⒔邮盏降脑寄?shù)轉(zhuǎn)換值轉(zhuǎn)換成高層軟件所需的屏幕像素坐標(biāo)。理想情況下校準(zhǔn)程序只要在產(chǎn)品初次加電測試過程中運行一次就可以了，參考值被存儲在非易失性存儲器中。我已經(jīng)安排好讓觸摸驅(qū)動程序在一啟動時就運行校準(zhǔn)程序，但要記住，你要把參考值保存起來，以免讓用戶在以后的加電啟動期間再做校準(zhǔn)。不過無論如何你仍然需要向用戶提供一種進(jìn)入校準(zhǔn)例程的途徑，從而在由于溫度漂移或其它因素造成校準(zhǔn)不準(zhǔn)確時進(jìn)行重新校準(zhǔn)。
校準(zhǔn)例程的名稱是CalibrateTouchScreen()，它是一個簡單的逐步操作過程，會在屏幕上向用戶提供圖形目標(biāo)，并要求用戶觸摸目標(biāo)，然后記錄下原始的ADC讀數(shù)，該讀數(shù)將用于后面的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到像素位置的調(diào)整例程。圖形目標(biāo)和用戶提示通過使用便攜式圖形用戶界面(PEG)圖形軟件API顯示在屏幕上，不過這也可以通過類似的圖形軟件實現(xiàn)。
在理想情況下你只需兩組(X和Y)原始數(shù)據(jù)，即在屏幕對角讀取的最小和最大值。而在實際應(yīng)用中，因為許多電阻觸摸屏存在顯著的非線性，因此如果在最小和最大值之間簡單的插入位置數(shù)值會導(dǎo)致驅(qū)動程序非常的不精確。
非線性意味著在屏幕上的等距物理移動會導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)的增量不等。更糟的情況下，即使我們只改變X軸的觸摸位置，但從Y軸讀取的數(shù)據(jù)也會發(fā)生很大的變化。為了演示這一現(xiàn)象，我用觸控筆在一個典型的電阻觸摸屏上從左到右移動，盡量保持Y軸位置不變，同時在圖上記錄Y軸的讀數(shù)。你當(dāng)然希望觸控筆從左到右在X軸上滑動時Y軸讀數(shù)能保持一定程度的恒定，但從圖3可以看出完全不是這回事。
得出的結(jié)論是采用的校準(zhǔn)點越多越好，盡量減小內(nèi)插窗口的間距，才能產(chǎn)生可能的最佳精度。如果你能在工廠做一次校準(zhǔn)，那么得到大量采樣點并不是件難事。如果無法在工廠完成校準(zhǔn)，那你必須確定用戶需要輸入多少個點才能產(chǎn)生足夠精確的校準(zhǔn)。本文提供的校準(zhǔn)例程用了四個數(shù)據(jù)點，即屏幕的每個角一個。對于參考板上的VGA分辨率(640x480)顯示屏幕來說，這樣做的精度可達(dá)到一個或二個像素之內(nèi)。對于更高的屏幕分辨率或其它觸摸屏，要產(chǎn)生一個精確的驅(qū)動程序這些點也許過多，也許不夠。做出準(zhǔn)確判定的唯一途徑只能是對具體的硬件進(jìn)行大量反復(fù)測試。
在任何情況下，我的建議是盡可能多做些校準(zhǔn)點。對用戶來說，難得做一次較長時間的校準(zhǔn)操作總比正常狀態(tài)下系統(tǒng)無法對觸摸輸入做出精確響應(yīng)要好。
正常操作
一旦校準(zhǔn)過程完成，我們就可以開始正常的操作，并開始向更高層軟件發(fā)送觸摸事件。我把提供的每個觸摸驅(qū)動程序在每種支持的RTOS環(huán)境中都作為低優(yōu)先級任務(wù)加以執(zhí)行。任務(wù)的入口名叫PegTouchTask，因為驅(qū)動程序需要與PEG圖形軟件進(jìn)行交互操作。這些驅(qū)動程序修改后，可與其它圖形軟件甚至你自己編寫的用戶接口環(huán)境協(xié)同工作。在任何時候PegTouchTask總是先調(diào)用硬件配置例程，然后調(diào)用校準(zhǔn)例程，最后進(jìn)入等待觸摸輸入的無限循環(huán)中。
在MX1驅(qū)動程序中，無限循環(huán)通過等待前文描述的PEN_DOWN中斷事件中止自身循環(huán)。當(dāng)屏幕被觸摸時，該任務(wù)會持續(xù)讀取原始數(shù)據(jù)，將他們轉(zhuǎn)換成屏幕像素坐標(biāo)，并將觸摸位置或狀態(tài)的變化發(fā)送給更高層的軟件。我把這稱為"活動跟蹤"模式。
LH79524驅(qū)動程序以相似的方式工作。當(dāng)產(chǎn)生PEN_DOWN中斷時，我們命令A(yù)DC序列器開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換。驅(qū)動程序以20Hz的速度工作，檢查位置的變化，直到屏幕不再處于被觸摸的狀態(tài)。
當(dāng)屏幕被觸摸時，我們需要對每個軸連續(xù)讀取多個轉(zhuǎn)換值以確定觸摸位置是否穩(wěn)定。如果任何兩個連續(xù)讀數(shù)中的增量或變化超出#defined定義的噪聲窗口范圍，我們就要重新開始。我們一直這樣做，直到讀取的多個連續(xù)值處于#defined定義的穩(wěn)定范圍內(nèi)，此時我們可以調(diào)整該結(jié)果并向更高層軟件報告更新。當(dāng)屏幕不再被觸摸時，我們又可以中斷此任務(wù)，等待觸摸輸入事件的發(fā)生。
在每個轉(zhuǎn)換過程的前后，驅(qū)動程序必須檢查并確認(rèn)屏幕仍處于被觸摸狀態(tài)。我們不希望向更高層的軟件報告實際上是處于"開路狀態(tài)"的穩(wěn)定讀數(shù)。我也看到過有的驅(qū)動程序在屏幕被初始觸摸后會忽略掉N個讀數(shù)。不過對于這兩塊參考電路板，我沒有發(fā)現(xiàn)忽略掉一定數(shù)量的初始讀數(shù)是有必要或有益的。
當(dāng)屏幕被觸摸時，驅(qū)動程序得到每個穩(wěn)定的讀數(shù)，并利用簡單的線性插值法將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成像素坐標(biāo)。讀取原始數(shù)據(jù)并將它們轉(zhuǎn)換成屏幕坐標(biāo)的例程名字叫GetScaleTouchPosition()。
最后部分
好了,我們終于調(diào)整好驅(qū)動程序，獲得了精確、調(diào)整過的、可靠的觸摸信息。這些重要的數(shù)據(jù)能用來干什么呢？如果你正在運行象PEG這樣的圖形用戶接口系統(tǒng)，大部分工作到此就結(jié)束了。你只要簡單的將這些觸摸數(shù)據(jù)整理成消息，并將消息發(fā)送到PEG消息隊列。PEG軟件會對這些數(shù)據(jù)作出正確地處理。
PEG可以識別三種觸摸輸入事件類型，分別對應(yīng)于向下觸摸、向上觸摸和拖曳。發(fā)送拖曳事件是可選的，但如果你希望向用戶提供平滑的屏幕移動操作，那么發(fā)送拖曳事件就是必須的了。確定該發(fā)送哪種類型的消息給PEG消息隊列的邏輯包含在所提供的源代碼中名為SendTouchMessage()的函數(shù)中。
這里需要強(qiáng)調(diào)的一點是用于發(fā)送drag(PM_POINTERMOVE)消息的名為Fold()的函數(shù)的使用。這是一個方便使用的PEG API函數(shù)，可以防止用戶接口的響應(yīng)落后于用戶的輸入。例如，如果用戶正在高分辨率顯示器上滾動一個大窗口，那么用戶接口很可能在重畫滾動窗口時遲滯一段時間。在用戶接口的響應(yīng)能跟上時，用戶一釋放滾動條屏幕就應(yīng)該立即停止?jié)L動。但如果消息隊列已經(jīng)包含了一個PM_POINTERMOVE消息，我們只需要將這條消息更新到最新位置，而不用再發(fā)送新的消息。這樣做的效果就是用戶接口滾動到最新位置，跳過了對處理器來說太快的所有中間位置更新。
這就是PEG提供Fold函數(shù)的目的。它會檢查這個消息類型是否已經(jīng)在消息隊列中，如果在，那么它只是簡單的更新這條已有的消息，而不是發(fā)送全新的消息。如果你正在使用另外一種圖形軟件包，你也會希望實現(xiàn)類似的功能。
動手下載
本文主要介紹了如何為兩個集成了觸摸屏控制電路的主流CPU編寫觸摸屏驅(qū)動程序。你可以從ftp://ftp.embedded.com/pub/2005/07maxwell 網(wǎng)站免費下載每個驅(qū)動程序的源代碼，并按照你的意圖使用和修改。
提供精確可靠的觸摸信息顯然要花費大量的處理器時間。專門設(shè)計用于支持觸摸屏輸入的智能化的ADC可以顯著地減輕核心CPU的負(fù)擔(dān)，并有效地提高觸摸屏輸入系統(tǒng)的精度。
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