摘  要： 給出一種在三星S5PV210處理器的Linux系統(tǒng)下基于PIC24F單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的觸摸傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,。利用PIC24F充電時(shí)間測(cè)量單元（CTMU）和ADC實(shí)現(xiàn)觸摸信息采集，S5PV210通過I2C總線與觸摸傳感器通信,，讀取傳感器觸摸狀態(tài)信息,；設(shè)計(jì)了PIC24F固件程序和其在主控S5PV210處理器Linux系統(tǒng)下的I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,。測(cè)試結(jié)果表明，在主控Linux系統(tǒng)下可以精確獲得觸摸狀態(tài)信息,。
　　關(guān)鍵詞： 觸摸傳感,；CTMU；I2C,；Linux驅(qū)動(dòng)
0 引言
　　隨著科技的進(jìn)步,，各種形式的觸摸傳感器被應(yīng)用于機(jī)器人、家電,、便攜式消費(fèi)電子等領(lǐng)域,。
　　常用觸摸傳感器主要有電阻式和電容式兩種，電容式以靈敏度高,、抗損性好的特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用,。一般電容傳感器由專用ASIC實(shí)現(xiàn)，本文基于PIC24F MCU（微控制器）實(shí)現(xiàn)電容觸摸傳感器,，由于傳感器只是MCU外接的金屬片,，具有成本低、形狀靈活,、外圍電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn),，主控端可在嵌入式Linux下通過I2C總線獲得多個(gè)傳感器狀態(tài)。
1 系統(tǒng)組成
　　如圖1所示,，觸摸傳感系統(tǒng)由多個(gè)電容觸摸傳感器端（由PIC24F MCU實(shí)現(xiàn)）和S5PV210主控端（運(yùn)行Linux系統(tǒng)）兩部分組成,。電容傳感器端處理觸摸信息，主控端通過I2C總線與傳感器通信,，得到其處理好的傳感器數(shù)據(jù)（包含傳感器ID和是否觸摸狀態(tài)）,。一片PIC24F最多可實(shí)現(xiàn)16個(gè)觸摸傳感器。

2 功能實(shí)現(xiàn)
　　2.1 基于PIC24F CTMU方式實(shí)現(xiàn)觸摸檢測(cè)
　　圖2為PIC24F CTMU框圖,。

　　PIC24F的CTMU是由一個(gè)可調(diào)節(jié)恒流源和邏輯控制塊構(gòu)成的可配置模擬單元,。觸摸檢測(cè)采用CTMU恒流源與A/D轉(zhuǎn)換器的連接[1]如圖3所示。

　　通過CTMU在傳感器上施加恒流源實(shí)現(xiàn)觸摸檢測(cè),。
　　I×T=C×V（1）
　　其中,，I是CTMU恒流源電流，T是CTMU充電的固定周期,，C是觸摸電路的電容,，V是充電完成后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器讀取的電壓值。
　　由于CTMU恒流源I是恒定的,，設(shè)置充電周期T保持恒定,，則電路中電容C的變化將表現(xiàn)為電壓V的變化，當(dāng)人手指接觸到傳感器時(shí),，總電容將增加,，A/D轉(zhuǎn)換器讀取的電壓減小,。
　　圖4為傳感器電壓采集子程序，它由CTMU單元和ADC單元配合完成[2],。傳感器電容與ADC的保持電容并聯(lián),，每次測(cè)量電壓前使兩個(gè)電容接地放電至0 V，隨后控制CTMU的恒流源對(duì)兩個(gè)電容注入一定量的電荷,，再通過ADC讀取電壓,。可以計(jì)算觸摸前后電壓差值為：

　　其中,，CF是手指電容,，CB是金屬片基礎(chǔ)電容，CA/D是ADC保持電容,，I是CTMU恒流源的電流,，t是充電時(shí)間。

　　實(shí)際中由手指電容引起的電容增量為pF量級(jí),，為獲得較高的靈敏度,，需增大ΔCTMU，由式（2）可知,，減小基礎(chǔ)電容CB和適當(dāng)增加注入電荷（It）為有效方式,。傳感器面積會(huì)影響CB，形狀不是主要影響因素,，本文設(shè)計(jì)的傳感器尺寸為15 mm×15 mm的正方形,，配置CTMU恒流源為最大55 μA（CTMUICON=0x0300）以提高充電速度和電量。
　　2.2 S5PV210與觸摸傳感器I2C通信
　　I2C總線（Inter Integrated Circuit）是主從結(jié)構(gòu)的兩線式（數(shù)據(jù)線SDA,，時(shí)鐘線SCL）串行總線,。它接口簡(jiǎn)單、互聯(lián)成本低,，數(shù)據(jù)的傳輸和時(shí)鐘頻率均由主機(jī)控制,，因此各種傳感器芯片大都采用I2C通信。
　　開始通信時(shí),，由主機(jī)端S5PV210發(fā)送S,，接著發(fā)送Addr（從機(jī)地址7 bit）、R/W（讀寫位1 bit）給PIC24F,，PIC24F收到8 bit（Addr+R/W）確認(rèn)是本機(jī)后,，將SDA線拉低作為ACK，主機(jī)在第9個(gè)SCL采集到低電平ACK后,，確認(rèn)連接到從機(jī)，接著主從將根據(jù)R/W位接收或者發(fā)送1 B傳感器數(shù)據(jù),。本文為2個(gè)傳感器（一片PIC24F最多可實(shí)現(xiàn)16個(gè)傳感器,，多于16個(gè)時(shí)可通過I2C總線進(jìn)行擴(kuò)展）,，設(shè)置傳感器1被觸摸則發(fā)送0x01，傳感器2被觸摸發(fā)送0x02,，沒有觸摸為0x00,。單片機(jī)PORTE口接有LED將接收數(shù)據(jù)賦給PORTE做為接收測(cè)試（0-亮，1-滅）,。圖5為總線時(shí)序圖,。

       2.3 從機(jī)端電容觸摸傳感器固件設(shè)計(jì)
　　PIC24F固件程序流程如圖6所示。

　　系統(tǒng)初始化使能Time1,、ADC,、CTMU和I2C（slave模式），Time1中斷用于觸發(fā)讀取傳感器1和傳感器2經(jīng)CTMU和ADC處理的電壓值,，并將有無觸摸（電壓降低）狀態(tài)保存到I2C的發(fā)送緩存里,，隨后利用主機(jī)端發(fā)起通信引起的中斷發(fā)送觸摸狀態(tài)或接收數(shù)據(jù)。
　　2.4 主機(jī)端Linux I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
　　S5PV210 Linux下I2C驅(qū)動(dòng)層次結(jié)構(gòu)如圖7所示,。

　　Linux系統(tǒng)分為用戶層和內(nèi)核層,，系統(tǒng)下應(yīng)用程序訪問硬件設(shè)備需要位于內(nèi)核層的設(shè)備驅(qū)動(dòng)提供的接口支持[3]。
　　整個(gè)I2C驅(qū)動(dòng)程序由I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)和總線驅(qū)動(dòng)兩部分組成,，Linux下對(duì)S5PV210 I2C控制器驅(qū)動(dòng)即總線驅(qū)動(dòng)已經(jīng)支持,，要做的是針對(duì)觸摸傳感器設(shè)計(jì)I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)。I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)在Linux中屬于字符設(shè)備,，字符設(shè)備可以以設(shè)備文件形式存在,，由應(yīng)用程序打開并進(jìn)行讀寫操作，從而實(shí)現(xiàn)控制硬件的目的,。
　　S5PV210有3個(gè)I2C主控制器,，觸摸傳感器驅(qū)動(dòng)采用第一個(gè)主控制器。Linux下設(shè)備驅(qū)動(dòng)可以直接編譯到內(nèi)核,，也可以在外部編譯好生成.ko文件,，然后使用insmod命令動(dòng)態(tài)加載到運(yùn)行的內(nèi)核中，為了方便開發(fā)采用動(dòng)態(tài)加載方式,。
　　I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可分為兩部分[4]：首先定義和注冊(cè)I2C設(shè)備即i2c_client,；然后定義和注冊(cè)I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)即i2c_driver。i2c_client即是PIC24F模塊,，所以要在i2c_client中設(shè)置PIC24F的設(shè)備名和地址信息,，i2c_client里關(guān)鍵代碼及結(jié)構(gòu)有：
　　struct i2c_board_info pic_touch_info={
　　i2c_board_info（"pic_touch"，0x40）,，
　　//注意PIC實(shí)際地址0x80,，這里要右移1位：0x80>>1=0x40
　　}；//設(shè)置i2c_board_info結(jié)構(gòu)體保存設(shè)備名和設(shè)備地址
　　structi2c_adapter*i2c_adap；
　　i2c_adap=i2c_get_adapter（0）,；
　　//使用S5PV210第一個(gè)控制器
　　pic_touch_client=i2c_new_device（i2c_adap,，&pic_touch_info）；
　　//調(diào)用i2c_new_device創(chuàng)建并注冊(cè)I2C
　　//設(shè)備對(duì)應(yīng)的i2c_client結(jié)構(gòu)體
　　第二部分定義和注冊(cè)I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng),，其中i2c_driver為核心結(jié)構(gòu)體,，設(shè)置驅(qū)動(dòng)所能支持的設(shè)備列表pic_touch_id_table[]，提供探測(cè)函數(shù)pic_touch_probe（）,，當(dāng)總線驅(qū)動(dòng)發(fā)現(xiàn)i2c_client設(shè)備名與id_table中相同時(shí),，會(huì)自動(dòng)發(fā)出設(shè)備地址，如果收到ACK,，則確定設(shè)備存在,，總線驅(qū)動(dòng)會(huì)把設(shè)備掛接到此驅(qū)動(dòng)并調(diào)用pic_touch_probe（），在此函數(shù)中注冊(cè)字符設(shè)備創(chuàng)建設(shè)備訪問節(jié)點(diǎn),，構(gòu)造file_openration結(jié)構(gòu)體,，在此結(jié)構(gòu)體中編寫實(shí)際操作硬件的讀寫函數(shù)。
　　i2c_driver關(guān)鍵代碼及結(jié)構(gòu)：
　　struct i2c_device_id pic_touch_id_table
　　[]={{"pic_touch",，0},，{}}；//填充與i2c_client相同的
　　//設(shè)備名pic_touch,，使此驅(qū)動(dòng)適用于傳感器設(shè)備
　　//創(chuàng)建i2c_driver結(jié)構(gòu)體對(duì)象
　　struct i2c_driver pic_touch_driver={
　　.driver={
　　.name="pic_touchdrv",，
　　.owner=THIS_MODULE，
　　},，
　　.probe=pic_touch_probe,，//設(shè)置探測(cè)函數(shù)，此函數(shù)在驅(qū)動(dòng)
　　//與i2c_client匹配時(shí)調(diào)用,，在此函數(shù)中完成字符設(shè)備的注冊(cè)
　　.remove=__devexit_p（pic_touch_remove）,，
　　//去除驅(qū)動(dòng)時(shí)調(diào)用
　　.id_table=pic_touch_id_table，
　　//在此id_table中查找本驅(qū)動(dòng)支持的設(shè)備
　　},；
　　探測(cè)函數(shù)pic_touch_probe（）中關(guān)鍵段：
　　major=register_chrdev（0,，"pic_touch"，
　　&pic_touch_fops）,；//注冊(cè)字符設(shè)備
　　class=class_create（THIS_MODULE,，"pic_touch"）；
　　device_create（class,，NULL,，MKDEV（major，0）,，NULL,，"pic_touch"）,；
　　//生成設(shè)備訪問節(jié)點(diǎn)/dev/pic_touch
　　構(gòu)造file_operations結(jié)構(gòu)體填充讀寫函數(shù)
　　file_operations pic_touch_fops={
　　.owner=THIS_MODULE，
　　.read=pic_touch_read,，
　　.write=pic_touch_write,，
　　}；
　　pic_touch_read（）和pic_touch_write（）是實(shí)際操作硬件的函數(shù),。需要根據(jù)從機(jī)端觸摸傳感器I2C固件需求的時(shí)序設(shè)計(jì)。
　　本文采用Linux內(nèi)核提供的SMBus讀寫函數(shù)實(shí)現(xiàn),，SMBus（System Management Bus）是I2C的子集,。
　　讀函數(shù)pic_touch_read（）關(guān)鍵程序段：
　　data=i2c_smbus_read_byte（pic_touch_client）；
　　//從傳感器讀數(shù)據(jù)存在內(nèi)核緩沖data
　　copy_to_user（buf,，&data,，1）；
　　//將讀取的傳感器數(shù)據(jù)data拷貝到用戶buf空間
　　寫函數(shù)pic_touch_write（）關(guān)鍵程序段：
　　copy_from_user（&data,，buf,，1）；
　　//從用戶空間buf拷貝1 B數(shù)據(jù)到內(nèi)核緩沖區(qū)data
　　i2c_smbus_write_byte（pic_touch_client,，data）
　　//將數(shù)據(jù)發(fā)送給傳感器設(shè)備
3 測(cè)試
　　無觸摸ADC取值穩(wěn)定,，觸摸后因每次觸摸面積不同使得讀取ADC值差別較大，本設(shè)計(jì)根據(jù)表1測(cè)試結(jié)果設(shè)置觸發(fā)閾值為0x0200,，實(shí)際中需根據(jù)靈敏度要求和測(cè)試結(jié)果合理設(shè)置閾值,，利用Time1中斷定時(shí)掃描讀取2個(gè)觸摸傳感器值，設(shè)置的中斷時(shí)間為480 ,，CTMU充電時(shí)間為1.25 ,。
　　主控端Linux下讀取傳感器狀態(tài)，先insmod加載驅(qū)動(dòng),，生成設(shè)備節(jié)點(diǎn)/dev/pic_touch：
　　#insmod pic_touch_dev.ko
　　#insmod pic_touch_drv.ko
　　打印調(diào)試信息：
　　pic_touch_pad is probed,， make chdev node：/dev/pic_touch
　　#ls/dev/pic_touch
　　/dev/pic_touch
　　無觸摸時(shí)，Linux下運(yùn)行如下測(cè)試程序：
　　#./pic_touch_testrw r
　　readdata=0x00 touch state is：0x00
　　成功返回?zé)o觸摸狀態(tài)0x00,。
　　分別觸摸傳感器1和傳感器2,，運(yùn)行測(cè)試程序：
　　#./pic_touch_testrw r
　　readdata=0x01 touch state is：0x01
　　#./pic_touch_testrw r
　　readdata=0x02 touch state is：0x02
　　成功讀取傳感器1和2被觸摸狀態(tài)0x01，0x02,。
　　發(fā)送數(shù)據(jù)0xaa給傳感器接收測(cè)試LED：
　　#./pic_touch_testrw w 0xaa
　　cmmd=0xaa write success!,，cmd=0xaa
　　發(fā)送成功，LED狀態(tài)正確,。
　　為檢測(cè)傳感器性能,，實(shí)測(cè)時(shí)傳感器表面蓋一層1 mm厚的透明塑料，LED同時(shí)指示傳感器狀態(tài),。測(cè)試結(jié)果表明,，設(shè)置的觸摸傳感器掃描頻率和觸發(fā)閾值有很好的靈敏度和穩(wěn)定性，在主控端Linux I2C速率為100 kb/s下可實(shí)時(shí)精確地獲取傳感器觸摸狀態(tài)信息，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo),。本文在Linux下基于MCU實(shí)現(xiàn)觸摸傳感系統(tǒng)也便于后續(xù)利用MCU擴(kuò)展傳感器功能,。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1] Microchip Technology Inc.PIC24FJ256GA110 Family Data Sheet[Z]. 2010.
　　[2] Microchip Technology Inc.Microchip CTMU for Capacitive Touch Applications[Z]. 2009.
　　[3] 宋寶華.Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)詳解（第2版）[M].北京：人民郵電出版社，2010.
　　[4] 韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社,，2008.