基于GT911触控IC的电容屏在MSP430上的驱动

背景

最近参加公司一个电池测试仪的项目，负责电容屏驱动开发，电容屏的触控IC是汇顶科技的GT911，电容屏的总线接口是I2C。
因为项目沟通方面的失误，本应接到主控芯片的电容屏，被连到了MSP430这款负责供电管理的MCU，领导说等PCB改版太慢了，让我就在MSP430上开发驱动，于是电容屏接入系统的方式就变成了这样：
电容屏连接到系统的方式
本来写一份驱动就行，现在得MSP430和主机各写一部分，而且两边还要加一些SPI总线处理。

MSP430的I2C驱动调试

首先要打通MSP430跟电容屏之间的I2C通信。

I2C控制器的初始化

分配I2C控制器对应的GPIO管脚

需要配置PxSEL0和PxSEL1寄存器，二者的相同位置的一对bit可以确定一个GPIO管脚是复用成4种功能的哪一种，我们根据datasheet选择合适的值，就能将其配置成I2C的SCL，同理SDA要用另外一对bit
根据PxSEL配置管脚功能

配置I2C工作模式和波特率

这需要I2C控制器在复位状态下才能进行，因此需要先设置UCBxCTLW0的UCSWRST位，配置完毕后再清零相应bit位。

工作模式需要先设置UCBxCTLW0的UCMODE_3位，表示该USCI_B模块工作在I2C模式下，再设置UCMST位，表示I2C扮演Master角色。

波特率需要先设置UCBxCTLW0的UCSSEL__SMCLK位，表示时钟源选择SMCLK，再将UCB1BRW寄存器的值配成20，表示将SMCLK（我的是8M）分频20倍，就得到了400K，是GT911能支持的最高时钟频率。

配置I2C接收完成、发送完成、收发NACK中断

因为承载I2C功能的是USCI_B模块，因此中断向量要这样写

#pragma vector = USCI_B1_VECTOR
__interrupt void USCI_B1_ISR(void)
{
	switch(__even_in_range(UCB1IV, USCI_I2C_UCBIT9IFG))
	{
			case USCI_NONE:          		break;         // Vector 0: No interrupts
		case USCI_I2C_UCALIFG:   	break;         // Vector 2: ALIFG
		case USCI_I2C_UCNACKIFG:                	   // Vector 4: NACKIFG
			// NACK中断的处理
			UCB1CTLW0 |= UCTXSTP;           // pull up SCL
			break;
		case USCI_I2C_UCSTTIFG:  	break;         // Vector 6: STTIFG
		case USCI_I2C_UCSTPIFG:  	break;         // Vector 8: STPIFG
		case USCI_I2C_UCRXIFG3:  	break;         // Vector 10: RXIFG3
		case USCI_I2C_UCTXIFG3:  	break;         // Vector 12: TXIFG3
		case USCI_I2C_UCRXIFG2:  	break;         // Vector 14: RXIFG2
		case USCI_I2C_UCTXIFG2:  	break;         // Vector 16: TXIFG2
		case USCI_I2C_UCRXIFG1:  	break;         // Vector 18: RXIFG1
		case USCI_I2C_UCTXIFG1:  	break;         // Vector 20: TXIFG1
		case USCI_I2C_UCRXIFG0:                 	// Vector 22: RXIFG0
				// 接收完成中断的处理
				break;
		
		case USCI_I2C_UCTXIFG0:  				   // Vector 24: TXIFG0
				// 发送完成中断的处理
				break;
		case USCI_I2C_UCBCNTIFG:    break;    		// Vector 26: BCNTIFG
		case USCI_I2C_UCCLTOIFG: 	break;         // Vector 28: clock low timeout
		case USCI_I2C_UCBIT9IFG: 	break;         // Vector 30: 9th bit
		default: 					break;
	}
}

注意，NACK中断一定要使能，且在中断里发送stop condition，这会让SCL信号重新拉高，不这样做的话，一旦I2C地址输错，就会出现很诡异的现象：SCL一直为低。

其他两个中断在下面讲。

I2C控制器的发送、接收流程

I2C发送流程

主循环的处理流程
  1. 记录tx_buf、tx_buf_len、tx_buf_offset到全局变量
  2. 将slave的I2C地址写入UCBxI2CSA寄存器
  3. 设置UCBxCTLW0的UCTR位，表示自己扮演Transmitter，同时设置UCTXSTT位，在线路上生成start condition
  4. 等待tx_buf_offset == tx_buf_len
发送完成中断的处理流程

第一次I2C发送完成中断貌似是由I2C控制器发送完slave地址后触发的，后面的中断都是buf内第tx_buf_offset个字节发送完毕触发，不过中断里面的流程是一样的：

  1. tx_buf_offset是否等于tx_buf_len
  2. 是，说明buf发送完毕，设置UCBxCTLW0的UCTXSTP，发送stop condition，清零UCBxIFG寄存器的UCTXIFG位，主循环稍后会退出
  3. 否，说明buf还未发完，将第tx_buf_offset个字节送入UCBxTXBUF寄存器，该寄存器的内容会被发送到线路，然后tx_buf_offset++

I2C接收流程

  1. 记录rx_buf、rx_buf_len、rx_buf_offset到全局变量
  2. 将slave的I2C地址写入UCBxI2CSA寄存器
  3. 清零UCBxCTLW0的UCTR位，表示自己扮演Receiver，同时设置UCTXSTT位，在线路上生成start condition
  4. 等待rx_buf_offset == rx_buf_len
接收完成中断的处理流程

I2C控制器扮演receiver角色时，发送完slave地址貌似不会进入发送完成中断，当然也不会进入接收完成中断，所以就简单一些：

  1. rx_buf_offset是否等于rx_buf_len
  2. 是，说明buf接收完毕，设置UCBxCTLW0的UCTXSTP，发送stop condition，将UCBxRXBUF的内容存入rx_buf[rx_buf_offset]，主循环稍后会退出
  3. 否，说明buf还未收完，将将UCBxRXBUF的内容存入rx_buf[rx_buf_offset]，然后rx_buf_offset++

电容屏的MSP430驱动调试

电容屏的初始化

分配I2C之外的RST和INT管脚

I2C只是数据传输通道，但电容屏还需要RST（复位）管脚来获悉什么时候复位其内部状态，还需要INT（中断）管脚来主动告知MSP430触摸事件的发生，快来通过I2C读取触摸坐标吧

RST是输出管脚，且GT911要求默认为高电平，因此要先设置PxDIR的特定bit表示输出，再设置PxOUT的相应bit表示输出高电平。

INT按理说是输入管脚，但GT911还用它来配置slave地址，因此要先配置成输出，在复位一段约定的时间后，输出一个高/低的电平，让GT911知道自己的I2C地址是0x14还是0x5D，地址配好之后，再将该管脚配置成输入。

电容屏的复位流程

  1. 执行上面的管脚分配和初始化流程
  2. 延迟5ms后，拉低RST管脚，复位GT911
  3. 延迟20ms后，让INT管脚输出低电平，GT911从而知道自己的I2C地址是0x5D
  4. 延迟1ms后，拉高RST管脚
  5. 延迟10ms后，将RST管脚配置成输入，确保其不会无意中复位GT911
  6. 让INT管脚输出低电平
  7. 延迟50ms后，将INT管脚配置成输入

电容屏的初始化流程

电容屏的固件初始化
  1. 延迟5ms后，读取0x8140（CMD）寄存器获取GT911的chip PID
  2. 向CMD寄存器写入0x02复位GT911的固件
  3. 从0x8047（CFG_DATA）寄存器读取GT911的固件版本号
  4. 计算GT911的配置参数的校验和
  5. 将配置参数写到CFG_DATA起始的寄存器空间
  6. 将校验和写入0x80FF（CFG_CHECKSUM）寄存器
  7. 延迟1ms后，向CMD寄存器写入0x0，使得固件退出复位状态，进入坐标读取状态
  8. 向0x814E（COOR_ADDR）寄存器写0，清除上报的坐标信息
电容屏的中断初始化

GT911默认是下降沿触发，且是浮动输入

  1. 设置PxIES的相应bit，表示下降沿触发
  2. 清零PxREN的相应bit，表示浮动输入，不使能上拉or下拉电阻
  3. 设置PxIE相应bit，使能INT管脚的中断

电容屏的坐标读取流程

中断响应

为了最小化中断耗时，只在中断里更新一个触摸事件计数器，并清零中断，其他都在主循环里完成

#pragma vector = PORT2_VECTOR
__interrupt void GPIO_PORT2_ISR(void)
{
	switch(__even_in_range(P2IV, P2IV_P2IFG7))
	{
		case P2IV_NONE:     break;
		case P2IV_P2IFG0:   break;
		case P2IV_P2IFG1:	break;
		case P2IV_P2IFG2:  	break;
		case P2IV_P2IFG3:
			g_touch_event_cnt++;
			P2IFG &= ~TOUCH_INT;
			break;
		case P2IV_P2IFG4:  	break;
		case P2IV_P2IFG5:  	break;
		case P2IV_P2IFG6:  	break;
		case P2IV_P2IFG7:  	break;
		default:            break;
	}
}

坐标读取流程

  1. 检测当前触摸事件技术，为0则立即退出
  2. 读取COOR_ADDR寄存器，获得当前的触屏是否有坐标数据，有几个手指的坐标数据
  3. 如果COOR_ADDR寄存器的bit7为0，说明没数据，立即向COOR_ADDR写0，使得GT911恢复工作
  4. 再检查COOR_ADDR的bit[3:0]，为0说明所有手指离开，如果不为0，说明有手指触摸
  5. 读取从0x814F（COOR_DATA）寄存器开始的8*N个手指的坐标数据
  6. 向COOR_ADDR写0，使得GT911恢复工作

8字节坐标数据的格式：

/* 读取触摸点坐标数据，从0x814F寄存器开始读取
 * 其中每一个触摸点使用8个寄存器来描述
 * 以第一个触摸点为例，各寄存器描述信息如下：
 * 0x814F: 触摸点id
 * 0x8150: 触摸点X轴坐标低位字节
 * 0x8151: 触摸点X轴坐标高位字节
 * 0x8152: 触摸点Y轴坐标低位字节
 * 0x8153: 触摸点Y轴坐标高位字节
 * 0x8154~0x8155: 触摸点的大小信息，我们不需要
 * 0x8156: 保留
 */

主机侧的Linux接收流程

这块交给外包做了，我只做了些指导，略。

电容屏的数据上报到主机侧

使用SPI上报，因为之前的SPI口仅用于供电管理，因为可扩展性非常差，为了复用SPI通道及其通信代码，对相关数据结构和收发函数做了优化：

SPI数据结构的扩展

typedef struct
{
	uint8_t	cmd;			/*命令码控制字*/
	union {
		struct {
			uint8_t	dc:1;			/*适配器在位状态*/
			uint8_t	bat:	1;			/*电池在位状态*/
			uint8_t 	full: 1;			/*电池电量满状态*/
			uint8_t 	ad: 1;			/*电池电量数据模式*/
			uint8_t 	reserve_4: 1;		/*保留位4*/
			uint8_t 	reserve_5: 1;		/*保留位5*/
			uint8_t 	reserve_6: 1;		/*保留位6*/
			uint8_t 	pd: 1;     			/*操作电源*/
			uint8_t	battery_data;		/*电池电量数据*/
		};
		struct {
			uint8_t	state;
			uint8_t	x_l;
			uint8_t	x_h;
			uint8_t y_l;
			uint8_t y_h;
			uint8_t	rsv1;
			uint8_t	rsv2;
		};
		uint8_t data[7];
	};
} spi_pack;

为了最小化扩展带来的代码改动，用到了匿名联合体和匿名结构体，这个在我之前的文章中有描述。

供电管理的SPI上报流程

uint8_t  power_report(uint8_t opt)
{
	spi_pack power_pack = {0};

	power_pack.cmd = SPI_CMD_WRITE;
	if(opt == POWER_DOWN)
	{
		power_pack.pd = POWER_DOWN;
	} else {
        power_pack.pd = POWER_NORMAL;
    }
    DEBUG("spi-0:0x%02x, 1:0x%02x, 2:0x%02x\r\n",power_pack.cmd,power_pack.data[0],power_pack.data[1]);
    spi_sent(&power_pack, sizeof(power_pack));
}

触摸坐标的SPI上报流程

static int touch_report(uint8_t state, uint16_t x, uint16_t y)
{
	spi_pack touch_pack = {0};

	touch_pack.cmd = SPI_CMD_TOUCH;
	touch_pack.state = state;
	touch_pack.x_l = x & 0xff;
	touch_pack.x_h = (x >> 8) & 0xff;
	touch_pack.y_l = y & 0xff;
	touch_pack.y_h = (y >> 8) & 0xff;
	DEBUG("spi-touch: 0x%02x, 0x%02x, 0x%02x, 0x%02x, 0x%02x, 0x%02x\r\n",
          touch_pack.cmd, touch_pack.data[0], touch_pack.data[1],
          touch_pack.data[2], touch_pack.data[3], touch_pack.data[4]);
	spi_sent(&touch_pack, sizeof(touch_pack));
    return 0;
}

最终效果

在调通流程后，发现默认配置参数存在坐标x轴和y轴弄反、触摸灵敏度差等问题，反馈给FAE后，更新了一版配置参数，效果好多了。

F581触屏

总结

  1. 裸机开发在功能较多时非常不便，最好先移植个RTOS，磨刀不误砍柴工。
  2. 不要因为可以马上开始就选择步行，下地库取车能更快抵达目的地。

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