漢王手寫芯片的觸摸屏控制器應(yīng)用設(shè)計

摘要 提出一種在嵌入式系統(tǒng)上由硬件同時實現(xiàn)中文手寫輸入法和觸摸屏控制器的設(shè)計方案，給出硬件結(jié)構(gòu)圖以及軟件從底層到應(yīng)用層所實現(xiàn)功能的概要說明；同時對設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題給出了合理的解決方案，并驗證了該設(shè)計方案的可行性和實用性。

關(guān)鍵詞 中文手寫芯片 HW006 觸摸屏 進(jìn)程通信 Qtopia

引言

　　在PDA和中高端手機(jī)等手持設(shè)備中，觸摸屏已經(jīng)成為一種比較常用的輸入設(shè)備，用戶可以通過在觸摸屏上的點(diǎn)擊和寫劃完成與手持設(shè)備的交互。此外，由于基于觸摸屏的中文手寫輸入法更符合我國各個文化層次的人使用，因此越來越多地出現(xiàn)在時下流行的各種手持設(shè)備中。大多數(shù)中文手寫輸入法完全由軟件來實現(xiàn)，將輸入法界面程序和后臺識別算法集成到一起。其好處是不改變系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，而且便于升級；然而，使用商用的手寫識別算法，較為高昂的費(fèi)用和繁重的移植工作，會大大增加開發(fā)成本和延長開發(fā)周期。若使用開源的手寫識別源代碼（如kanjipad）進(jìn)行移植開發(fā)，則一方面涉及移植的工作量問題，另一方面識別率比較低。針對以上這些由軟件實現(xiàn)中文手寫輸入法所帶來的一系列問題，本文提出一種在“PXA255微處理器＋Linux＋Qtopia圖形界面”上由HW006芯片同時實現(xiàn)中文手寫輸入及觸摸屏控制的設(shè)計方案。該方案有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

　　◇ 軟件方面將觸摸屏驅(qū)動和手寫識別的工作合二為一。
　　◇ 完全在用戶空間實現(xiàn)觸摸屏的驅(qū)動，減少了硬件平臺的依賴性，降低了驅(qū)動設(shè)計的難度，分層的驅(qū)動設(shè)計思想也不會破壞原有程序的完整性。
　　◇ 硬件方面，省去了專用的觸摸屏控制器芯片，降低了成本。

　　因此，該方案在工作量、成本、難度方面均有著明顯的優(yōu)勢，從而大大縮短了開發(fā)周期，增強(qiáng)了實用性。

1? HW006簡介

　　HW006是一款漢王手寫芯片，它內(nèi)置了觸摸屏控制電路和對外的UART接口，同時提供了靈活的控制命令接口，可以滿足觸摸屏LCD分離型、觸摸屏LCD一體型等不同情況下的各種應(yīng)用需求。

1.1? HW006主要功能

　　◇ 支持6 763個簡體中文（GB2312）、52個英文大小寫字母、10個數(shù)字、12個常用符號的手寫識別輸入，并可自由組合，設(shè)置識別范圍；
　　◇ 支持點(diǎn)擊模式、手寫模式和混合模式；
　　◇ 內(nèi)嵌觸摸屏控制硬件和軟件，可直接與觸摸屏相連接；
　　◇ 支持異步串行通信接口（UART），通信波特率可設(shè)置，便于與各種CPU進(jìn)行通信；
　　◇ 在手寫狀態(tài)下，識別參數(shù)可設(shè)置。

　　可見，HW006完全可以實現(xiàn)預(yù)想的功能。根據(jù)實際需要，選用混合模式。

1.2? HW006的通信協(xié)議

　　HW006為從設(shè)備，主設(shè)備對該芯片發(fā)送控制命令，HW006可以執(zhí)行相應(yīng)的功能。

（1）? 主設(shè)備向手寫芯片發(fā)送命令
　　格式如下：

（2）? 手寫芯片向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)
　　這里主要介紹混合模式下的數(shù)據(jù)格式，如下：

　　在混合模式下，手寫芯片先發(fā)送軌跡坐標(biāo)，屬性表示該點(diǎn)的狀態(tài)：0x00，落筆；0x05，移筆；0x0f，抬筆。EOF表示發(fā)送軌跡結(jié)束標(biāo)志，其值為0xff。之后發(fā)送識別字的編碼，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。

1.3? 命令碼的簡單介紹

　　對HW006進(jìn)行操作控制的主要命令碼如表1所列。

表1? HW006的主要命令碼

2? 硬件框圖以及通信格式簡介

　　硬件框圖如圖1所示。

圖1? 硬件框圖

　　UART通信格式： 上電默認(rèn)波特率，9 600 bps；數(shù)據(jù)位,8位；校驗位,無；停止位,1位；先低位后高位。觸摸屏采用了4線電阻屏，在觸摸屏與HW006連線處，需要加上濾波電容。

　　上電初始化時，默認(rèn)工作模式為點(diǎn)擊模式。用戶可根據(jù)應(yīng)用需要，設(shè)置相應(yīng)工作模式。使用混合模式時必須通過UART給系統(tǒng)發(fā)送4個數(shù)據(jù)X1、Y1、X2、Y2,以確定矩形手寫區(qū)域的范圍。

3? 手寫輸入法及觸摸屏驅(qū)動的實現(xiàn)

　　選用的圖形界面系統(tǒng)Qtopia是由Trolltech公司所開發(fā)的專門用于嵌入式Linux操作系統(tǒng)電子設(shè)備的應(yīng)用平臺，這里使用開放源代碼的Qtopia PDA版。它具有可定制的用戶界面和集成的組件，其組件包括窗口操作界面、游戲和多媒體、PIM應(yīng)用程序、輸入法、本地化支持和無線支持等。對于輸入法，它提供了一系列的通用API，便于開發(fā)用戶自己的輸入法。

　　Qtopia軟件平臺可分為4個層次，如圖2所示。

圖2? Qtopia軟件平臺層次結(jié)構(gòu)

　　其中在Qt/Embedded層提供了觸摸屏的API，在Qtopia層提供了輸入法的API。需要完成的工作： ①? 在Linux層編寫觸摸屏庫，提供給Qt/Embedded層調(diào)用;② ?改寫Qt/Embedded層的觸摸屏API;③ ?在Qtopia層利用輸入法API完成手寫輸入法的手寫顯示和識別字顯示的界面。下面詳細(xì)介紹以上步驟。

3.1? 在Linux層編寫觸摸屏庫

　　主要是提供設(shè)置HW006工作模式、讀/寫HW006數(shù)據(jù)以及對讀到的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送的接口函數(shù)，最終編譯成動態(tài)鏈接庫，可供上層的應(yīng)用程序調(diào)用。主要的接口函數(shù)及程序的主要代碼如下：

（1） ?打開串口
int *ts_open(const char * device) {
　　…
　　*fd=open(device,O_RDWR| O_NONBLOCK);
　　if ( (*fd) < 0 ){
　　　　printf("open error!\n");
　　　　return NULL;
　　}
　　return fd;
}

（2） ?設(shè)置HW006的混合工作模式
void ts_config(int* fd) {
　　…
　　write(*fd,&SET_96,2); //設(shè)置HW006波特率為9600bps
　　write(*fd,&SET_X1,2);
　　write(*fd,&SET_Y1,2);
　　write(*fd,&SET_X2,2);
　　write(*fd,&SET_Y2,2);//設(shè)置手寫區(qū)域4個角的坐標(biāo)
　　write(*fd,&WAIT_T,2);//設(shè)置漢字識別等待時間
　　write(*fd,®_SCOPE,2);//設(shè)置識別范圍
　　write(*fd,®_CAN,2);//設(shè)置識別字候選個數(shù)
　　…
}

（3） ?讀串口
int ts_read(int *fd,unsigned char *buf) {
　　int res;
　　res=read(*fd,buf,3);
　　return res;
}

（4） 發(fā)送到有名管道
void sendFifo(unsigned char* buf,int i) {
　　…
　　fd=open("/dev/myfifo",O_WRONLY | O_NONBLOCK);
　　write(fd,buf,i);
　　close(fd);
}

3.2? 改寫Qt/Embedded層的觸摸屏API

　　對讀到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括變換、校正、分發(fā)等。Qt/Embedded中提供觸摸屏API的文件是qwsmouse_qws.cpp，其中的類QCalibratedMouseHandler實現(xiàn)了對觸摸屏數(shù)據(jù)的讀取及其處理。本文所用的HW006是8位的，而顯示分辨率是640×480，因此在讀到觸摸屏數(shù)據(jù)時還要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。又因為HW006工作在混合模式狀態(tài)下，因此需要把所讀到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和漢字碼分開，將坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后送給圖形界面，并將漢字碼送給輸入法，這涉及到了不同進(jìn)程之間通信的問題。不同進(jìn)程之間的通信主要有管道、共享內(nèi)存、消息隊列等幾種方式。其中： 共享內(nèi)存速度最快，在傳送大量數(shù)據(jù)時比較有優(yōu)勢；管道最容易實現(xiàn)，這里需要傳送的數(shù)據(jù)量不大，因此選用管道的通信方式。

　　在qwsmouse_qws.cpp中，定義了一個對觸摸屏數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的類——QSitsangTPanelHandlerPrivate。該類繼承了QCalibratedMouseHandler。在它的構(gòu)造函數(shù)中，利用Linux層提供的函數(shù)打開串口，設(shè)置HW006工作模式；再利用QT特有的信號和槽機(jī)制，定義一個QSocketNotifier類把串口描述符和QSitsangTPanelHandlerPrivate類的成員函數(shù)——讀觸摸屏數(shù)據(jù)函數(shù)readTSData()連接起來，實現(xiàn)對串口數(shù)據(jù)的自動監(jiān)視與讀取。

　　部分代碼如下：

QSitsangTPanelHandlerPrivate::QSitsangTPanelHandlerPrivate(MouseProtocol, QString) {
　　fd=ts_open("/dev/ttyS1");
　　…
　　ts_config(fd);
　　QSocketNotifier *mouseNotifier;
　　TS_Notifier=new QSocketNotifier(*fd, QSocketNotifier::Read, this);
　　connect(TS_Notifier, SIGNAL(activated(int)),this, SLOT(readTSData()));
}

　　讀觸摸屏數(shù)據(jù)函數(shù)readTSData()的程序流程如圖3所示。

圖3? 讀觸摸屏數(shù)據(jù)函數(shù)的流程

3.3? 完成手寫顯示和識別字顯示界面

　　手寫輸入法的具體實現(xiàn)是在Qtopia層，利用Qtopia提供的API來完成中文手寫輸入法的手寫顯示及識別字顯示。在這里利用輸入法插件接口——InputMethodInterface類，通過對該類的繼承以及對該類成員函數(shù)的重載，完成手寫輸入法，最終編譯成鏈接庫形式，被Qtopia服務(wù)器自動調(diào)用。

class QTOPIA_PLUGIN_EXPORT UniKeyboardImpl : public InputMethodInterface {
public:
　　…
　　Q_REFCOUNT
　　virtual QWidget*inputMethod(QWidget*parent, Qt::WFlags f);
　　　　//需要重載的虛函數(shù)，在該函數(shù)中可以添加用戶自定義的輸入法類
　　…
　　private:
　　HandWrKeyboard *input;
　　　　//HandWrKeyboard是手寫輸入法的類
　　…
};

　　函數(shù)virtual QWidget *inputMethod( QWidget *parent, Qt::WFlags f )重載為：

QWidget *UniKeyboardImpl::inputMethod( QWidget *parent, Qt::WFlags f ) {
　　if ( !input )
　　input=new HandWrKeyboard( parent, "HandWriting", f );
　　return input;
}

　　從功能上手寫輸入法軟件部分可分為兩種：顯示筆劃軌跡與顯示識別候選字。

　　觸摸屏和HW006連接部分是完全的模擬量，由于液晶逆變器高頻高壓的干擾，筆劃軌跡變得明顯，與實際所寫軌跡不符。除了需要在硬件上加濾波電容外，軟件中也需要進(jìn)行一定的修正。這里，采用3點(diǎn)均值濾波的方式來減小噪聲干擾的影響。

　　在讀到第一個點(diǎn)時，不做處理;讀到2個點(diǎn)時，取這2個值的平均。這樣，得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)量不會不足，而且均值濾波可以很好地消除噪聲的影響。

　　讀漢字碼是通過讀有名管道來實現(xiàn)的。經(jīng)過實驗，發(fā)現(xiàn)HW006在發(fā)送漢字碼時，偶爾會出現(xiàn)發(fā)送的個數(shù)與所設(shè)置的不符。我們設(shè)置的識別字個數(shù)是5個，共10字節(jié)的數(shù)據(jù)。但如果所寫的漢字比較簡單，HW006可能識別不了5個漢字，這樣發(fā)送給管道的數(shù)據(jù)不足10字節(jié)，結(jié)果會造成最終顯示錯誤。為此，在讀取漢字碼的開始和結(jié)束處分別加一個起始位和結(jié)束位，這樣根據(jù)讀取管道得到的漢字碼個數(shù)和起始位、結(jié)束位來判斷識別結(jié)束，將最終得到的識別漢字正確地顯示出來。

4 ?結(jié)論

　　在“PXA255+Linux+Qtopia”平臺上的運(yùn)行及測試結(jié)果表明手寫識別率能達(dá)到95%以上。由于HW006也實現(xiàn)了觸摸屏控制器的功能，在硬件結(jié)構(gòu)上完全可以代替原來的觸摸屏控制器，因此并沒有增加硬件的成本和復(fù)雜度。從上面的分析可以清楚地看出，此設(shè)計方案具有實用性和普遍意義，完全可以應(yīng)用于其他嵌入式平臺上。

參考文獻(xiàn)

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楊自鋒（碩士），主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)；
趙建業(yè)（教授），主要研究方向為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、DSP、嵌入式系統(tǒng)。

（收修改稿日期：2007-01-21）