嵌入式Linux中基于Qt/Embeded觸摸屏驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)
作者：申偉杰 彭楚武 胡輝紅

關(guān)鍵字：Linux Qt Embeded 觸摸屏驅(qū)動(dòng)

    嵌入式 Linux 以其開源性、內(nèi)核的健壯性和穩(wěn)定性、可裁減性，以及有著專業(yè)的商業(yè)公司和世界頂尖的自由軟件開發(fā)者的支持和維護(hù)等各方面優(yōu)勢，吸引了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)商的目光，成為嵌入式操作系統(tǒng)的新寵。觸摸屏由于其友善的人機(jī)交互性、操作簡單靈活、輸入速度快，大大簡化了嵌入式系統(tǒng)的輸入而被廣泛運(yùn)用。本文介紹了基于嵌入式 Linux 系統(tǒng)平臺上 Qt/Embedded 的觸摸屏驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。該方案已成功運(yùn)用于工程機(jī)械安全儀和電能質(zhì)量監(jiān)測儀項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了 GUI（圖形用戶操作接口）界面對觸摸屏的支持，并能根據(jù)觸摸屏的不同進(jìn)行定制。

1、Qt/Embedded 簡介

    Qt/Embedded 是著名的 Trolltech 公司發(fā)布的專門面向嵌入式系統(tǒng)的GUI 和應(yīng)用開發(fā)的開發(fā)庫。它是一種全面的 C++圖形界面應(yīng)用開發(fā)架構(gòu)，繼承了Qt 的全部標(biāo)準(zhǔn) API，提供了比 Xlib 和 XWindows 系統(tǒng)更加緊湊的窗口生成系統(tǒng)，對 FrameBuffer 直接進(jìn)行操作。完全模塊化的設(shè)計(jì)和高效的編譯系統(tǒng)減少了內(nèi)存的消耗，這些使 Qt/Embedded 成為嵌入式環(huán)境中，功能強(qiáng)大而全面的GUI開發(fā)工具。由于Qt/Embedded 的強(qiáng)大功能，被廣泛用于各種領(lǐng)域，從消費(fèi)電子（移動(dòng)電話、掌上電腦、機(jī)頂盒）到工業(yè)控制（醫(yī)療成像 設(shè)備、 移動(dòng)信息系統(tǒng)）。

2 、Linux 下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)

    Linux 系統(tǒng)主要將設(shè)備分成 3 種類型：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)接口。每個(gè)模塊通常實(shí)現(xiàn)其中一種類型，相應(yīng)的模塊可分為字符模塊、塊模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊 3 種。然而這種分類方式并不是非常嚴(yán)格，程序員可以構(gòu)造一個(gè)大的模塊，在其中實(shí)現(xiàn)不同類型的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。為了實(shí)現(xiàn)良好的伸縮性和擴(kuò)展性，通常還要為每個(gè)功能創(chuàng)建一個(gè)不同的模塊。

    字符設(shè)備是能夠像字節(jié)流一樣被訪問的設(shè)備，由字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)這種特性。它通常至少 需要實(shí)現(xiàn) open、close、read 和 write 系統(tǒng)調(diào)用。字 符設(shè)備可以通過文件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)來訪問，比如字符終端（/dev/console）和串口（/dev/ttyS0）就是字符 設(shè)備的例子。塊設(shè)備也是通過/dev 目錄下的文件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)被訪問的。塊設(shè)備能夠容納文件系統(tǒng)。Linux 允許應(yīng)用程序像字符設(shè)備那樣讀寫塊設(shè)備，可以一次傳遞任意多字節(jié)的數(shù)據(jù)。因此，塊設(shè)備與字符設(shè)備的區(qū)別僅僅在于內(nèi)核內(nèi)部管理數(shù)據(jù)的方式。也就是內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)程序的接口不同。另外，塊設(shè)備的接口必須支持掛裝文件系統(tǒng)。

    網(wǎng)絡(luò)接口是一個(gè)能夠和其他主機(jī)交換數(shù)據(jù)的設(shè)備。 它由內(nèi)核中的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，負(fù)責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包，它無須了解每項(xiàng)事務(wù)是如何映射到實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的。

    Linux 中還存在其他類型的驅(qū)動(dòng)程序模塊，這些模塊利用內(nèi)核提供的公共服務(wù)來處理特定類型的設(shè)備。 因此我們能夠和通用串行總線（USB）模塊、串口模塊等通信。

    在本系統(tǒng)中，控制器將觸摸屏采集的原始電壓信號通過專用 A/D 轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)數(shù)據(jù)，經(jīng)過 RS-232 總線傳送給嵌入式系統(tǒng)。Linux 系統(tǒng)利用內(nèi)核提供的串口模塊來處理觸摸屏設(shè)備，將該設(shè)備以文件/dev/ttyS0 的形式存放在/dev 目錄下，提供了 open、read、write、close 等系統(tǒng)調(diào)用。我們只需像操作普通 數(shù)據(jù)文件一樣對串口設(shè)備進(jìn)行操作，將觸摸屏的坐標(biāo) 數(shù)據(jù)送往上層的 Qt/Embedded 應(yīng)用層。

 

 
3 、Qt 下觸摸屏的驅(qū)動(dòng)

    Qt/Embedded 中與用戶輸入事件相關(guān)的信號，是建立在對底層輸入設(shè)備的接口調(diào)用之上的，一般通過 對設(shè)備文件的 I/O 讀寫來實(shí)現(xiàn)。大部分這樣的驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)被封裝進(jìn) Qt 庫當(dāng)中，形成了相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口，如顯示卡驅(qū)動(dòng)、鼠標(biāo)、鍵盤、串口和并口等。其中鼠標(biāo)設(shè)備的抽象基類為 QWSMouse Handler，從該類又重新派生出一些具體的鼠標(biāo)類設(shè)備的實(shí)現(xiàn)類。在 3.3.4 版本系列的 Qt/Embedded 中，鼠標(biāo)類設(shè)備的派生結(jié)構(gòu)如圖所示。

圖  鼠標(biāo)類設(shè)備的派生結(jié)構(gòu)圖（灰色線框表示可省略類結(jié)構(gòu)）
 

 
    鼠標(biāo)類設(shè)備的加載方式與 KeyBoard 設(shè)備加載方 式是類似的，在系統(tǒng)構(gòu)造 QWSServer 對象時(shí)，調(diào)用成 員函數(shù) QWSServer:: openMouse，程序在QWSServer:: openMouse 函數(shù)中再調(diào)用QmouseDriverFactory::create () 或QmouseDriverPlugin:: create ()。該函數(shù)根據(jù) Linux 系統(tǒng)的環(huán)境變量QWS_MOUSE_PROTO獲得鼠標(biāo)類設(shè)備的設(shè)備類型和設(shè)備節(jié)點(diǎn)。打開并返回相應(yīng)設(shè)備的基類指針 QWSMouseHandler 給系統(tǒng)，系統(tǒng)通過操作該基類派生出的具體子類設(shè)備指針QWSCustomMouseHandler。

    觸摸屏和鼠標(biāo)類設(shè)備在功能上基本是一致的，因 此，在 Qt 庫中一般把觸摸屏模擬成鼠標(biāo)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對觸摸屏設(shè)備的操作。但由于觸摸屏和鼠標(biāo)底層接口并不一樣，會(huì)造成對上層接口的不一致。例如，從鼠 標(biāo)驅(qū)動(dòng)接口中幾乎不會(huì)得到絕對位置信息，一般只會(huì)讀到相對移動(dòng)量。另外，鼠標(biāo)的移動(dòng)加速度也需要考慮在內(nèi)，而觸摸屏接口則幾乎是清一色的絕對位置信息和壓力信息。針對此類差別，Qt/Embedded 將同一類設(shè)備的接口部分也給予區(qū)別和抽象，具體實(shí)現(xiàn)在 QmouseDriverInterface 類中。

    在本系統(tǒng)中，Linux 系統(tǒng)從 COM1 口讀入觸摸屏的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，但由于與觸摸屏的底層接口并不一致，需通過添加 QWSCustomMouseHandler 程序接口類來實(shí)現(xiàn)對觸摸屏的控制。查看Qt/Embedded源代碼qwsmouselinuxtp_qws.cpp 和 qwsmousevr41xx_qws.cpp，可知 Qt 提供了 linuxtp 和 vr41xx 觸摸屏的驅(qū)動(dòng)接口類。如果使用的就是這兩種觸摸屏接口，可直接在執(zhí)行 Qt 的 configure 配置時(shí)加入配置選項(xiàng)-qt-mouse-<driver>。由于我們的觸摸屏并非以上兩種，因此需添加驅(qū)動(dòng)接口。

    由前面鼠標(biāo)設(shè)備驅(qū)動(dòng)類的派生結(jié)構(gòu)可知，添加驅(qū) 動(dòng)接口先要通過調(diào)用QmouseDriverFactory或QmouseDriverPlugin 類根據(jù)相應(yīng)的設(shè)備名生成相對應(yīng)的 QWSCustomMouseHandler 對象，這些具體的設(shè)備驅(qū)動(dòng) 接口類都是由 QWSMouseHandler 類派生出來的，都 繼承了 QWSMouseHandler 類。然后再由系統(tǒng)調(diào)用QWSCustomMouseHandler:: readMouseData ()，獲取到的觸摸屏定位和狀態(tài)信息都直接送到鼠標(biāo)設(shè)備驅(qū)動(dòng)類的抽象層 QWSMouseHandler 類，Qt/Embedded 通過 QWSMouseHandler 類來實(shí)現(xiàn)對鼠標(biāo)設(shè)備的操作。

    可以通過兩種方式添加設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口類，一種是 通過調(diào)用 QmouseDriverFactory 生成相應(yīng)的 QWSCustomMouseHandler，一種是由 QmouseDriverPlugin 添 加生成相應(yīng)的 QWSCustomMouseHandler。我們采用第 一種方案，在原有的接口 qwsmouselinuxtp_qws.cpp 上 進(jìn)行修改，以適合新的觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口。

    首先，我們在 qwsmouselinuxtp_qws.cpp 修改，先 把 TS_EVENT 的結(jié)構(gòu)改為相應(yīng)設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，再把 QWSLinuxTPMouseHandlerPrivate 函數(shù)中打開的設(shè)備 文件節(jié)點(diǎn)由/dev/ts 改為自己的設(shè)備文件/dev/ttyS1。然 后修改 readMouseData（）函數(shù)，按自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 讀取設(shè)備文件，傳遞給 QPoint 類對鼠標(biāo)進(jìn)行定位或轉(zhuǎn) 換為鼠標(biāo)按鍵狀態(tài)。這個(gè)函數(shù)的操作可以參照windows 下的鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)源代碼。

    其實(shí)這樣修改以后，已經(jīng)能正常使用觸摸屏設(shè)備 了，但是為了在該系統(tǒng)平臺上同時(shí)使用鼠標(biāo)和觸摸屏 操作還必須完成兩個(gè)步驟：一個(gè)是要正確的設(shè)置QWS_ MOUSE_PROTO 環(huán)境變量，閱讀 qwindowsystem_ qws.cpp 中 QWSServer:: openMouse () 函數(shù)可知，該環(huán) 境變量可同時(shí)設(shè)置多個(gè)設(shè)備<Driver> [: <Device>]，多個(gè)設(shè)備之間以空格隔開，由此可設(shè)置 QWS_MOUSE_PROTO="Auto LinuxTP", Qt/Embedded 通過該環(huán)境變量生成相應(yīng)的鼠標(biāo)和觸摸屏驅(qū)動(dòng)接口，對設(shè)備進(jìn)行操作。然后再對Qt/Embedded的鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)接口類的源代碼進(jìn)行修改。由于觸摸屏是采用了系統(tǒng)的串口，而Qt/Embedded 自動(dòng)搜索鼠標(biāo)接口時(shí)發(fā)現(xiàn)串口正在工作中，就會(huì)把它當(dāng)作一個(gè)鼠標(biāo)設(shè)備進(jìn)行操作，這就發(fā)生了設(shè)備沖突。因此，我們要在 qmousepc_qws.cpp 文件中將串口鼠標(biāo)的子驅(qū)動(dòng)去掉，找到函數(shù) QWSPcMouseHandlerPrivate:: openDevices () 中的代碼如下，把它注釋掉就行了。

    else if (driver=="Microsoft") {
   QString dev=device.isEmpty()? QString("/dev/ttyS0") : device;
   fd = open ( dev.latin1 (), O_RDWR | O_NDELAY );
  if ( fd >= 0 )
   sub[nsub++] = newQWSPcMouseSubHandler_ms(fd);
} else if (driver=="MouseSystems"){
   QStringdev=device.isEmpty()?QString("/dev/ttyS0"). : device;
   fd = open ( dev.latin1 (), O_RDWR | O_NDELAY );
   if ( fd >= 0 ) sub[nsub++] = new QWSPcMouseSubHandler_mous esystems (fd);
}

    關(guān)于觸摸屏的校準(zhǔn)，閱讀 qwsmouselinuxtp_qws.h 文件（代碼如下），可知在QWSMouseLinuxTPHandler 中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)的校準(zhǔn)，一般直接讀取坐標(biāo)的位置 和狀態(tài)即可。

class QWSLinuxTPMouseHandler:
      public QWSCalibratedMouseHandler
{
};

    最后只需要在配置 Qt/Embedded 的安裝configure 加入選項(xiàng)-qt-mouse-<linuxtp>，重新編譯，該 Qt/Embedded平臺上的應(yīng)用程序即能夠按照定制的要求提供對觸摸屏的支持。

4、 結(jié)束語

    本方案與 Qt 下普通鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)使用一致的框架，設(shè)計(jì)簡潔，條理清楚。已經(jīng)成功的運(yùn)用于電能質(zhì)量監(jiān)測儀平臺，并且運(yùn)行穩(wěn)定，定位準(zhǔn)確，反應(yīng)靈敏。友好的 GUI 界面和便捷的人機(jī)接口，使電能質(zhì)量檢測儀更具亮點(diǎn)。同時(shí)，開放源代碼的優(yōu)勢在此方案中得到充分的體現(xiàn)，通過大量地閱讀源代碼，可以充分的理解軟件工作機(jī)制并按用戶的要求進(jìn)行定制，做出真正適合用戶的產(chǎn)品。