摘要 提出一種在嵌入式系統(tǒng)上由硬件同時(shí)實(shí)現(xiàn)中文手寫輸入法和觸摸屏控制器的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)功能的概要說(shuō)明；同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題給出了合理的解決方案，并驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性和實(shí)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(guò)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(guó)各個(gè)文化層次的人使用，因此越來(lái)越多地出現(xiàn)在時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)，將輸入法界面程序和后臺(tái)識(shí)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(jí)；然而，使用商用的手寫識(shí)別算法，較為高昂的費(fèi)用和繁重的移植工作，會(huì)大大增加開(kāi)發(fā)成本和延長(zhǎng)開(kāi)發(fā)周期。若使用開(kāi)源的手寫識(shí)別源代碼（如kanjipad）進(jìn)行移植開(kāi)發(fā)，則一方面涉及移植的工作量問(wèn)題，另一方面識(shí)別率比較低。針對(duì)以上這些由軟件實(shí)現(xiàn)中文手寫輸入法所帶來(lái)的一系列問(wèn)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(shí)實(shí)現(xiàn)中文手寫輸入及觸摸屏控制的設(shè)計(jì)方案。該方案有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

　　◇ 軟件方面將觸摸屏驅(qū)動(dòng)和手寫識(shí)別的工作合二為一。
　　◇ 完全在用戶空間實(shí)現(xiàn)觸摸屏的驅(qū)動(dòng)，減少了硬件平臺(tái)的依賴性，降低了驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的難度，分層的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)思想也不會(huì)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(shì)，從而大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，增強(qiáng)了實(shí)用性。

1? HW006簡(jiǎn)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(duì)外的UART接口，同時(shí)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(gè)簡(jiǎn)體中文（GB2312）、52個(gè)英文大小寫字母、10個(gè)數(shù)字、12個(gè)常用符號(hào)的手寫識(shí)別輸入，并可自由組合，設(shè)置識(shí)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(shí)別參數(shù)可設(shè)置。

　　可見(jiàn)，HW006完全可以實(shí)現(xiàn)預(yù)想的功能。根據(jù)實(shí)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(duì)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(shí)別字的編碼，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。

1.3? 命令碼的簡(jiǎn)單介紹

　　對(duì)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(jiǎn)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(yàn)位,無(wú)；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(shí)，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(shí)必須通過(guò)UART給系統(tǒng)發(fā)送4個(gè)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(dòng)的實(shí)現(xiàn)

　　選用的圖形界面系統(tǒng)Qtopia是由Trolltech公司所開(kāi)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(tái)，這里使用開(kāi)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(wú)線支持等。對(duì)于輸入法，它提供了一系列的通用API，便于開(kāi)發(fā)用戶自己的輸入法。

　　Qtopia軟件平臺(tái)可分為4個(gè)層次，如圖2所示。

圖2? Qtopia軟件平臺(tái)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(kù)，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(shí)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(kù)

　　主要是提供設(shè)置HW006工作模式、讀/寫HW006數(shù)據(jù)以及對(duì)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(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，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(kāi)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(gè)角的坐標(biāo)
　　write(*fd,&WAIT_T,2);//設(shè)置漢字識(shí)別等待時(shí)間
　　write(*fd,®_SCOPE,2);//設(shè)置識(shí)別范圍
　　write(*fd,®_CAN,2);//設(shè)置識(shí)別字候選個(gè)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(duì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(shí)還要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。又因?yàn)镠W006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(kāi)，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(wèn)題。不同進(jìn)程之間的通信主要有管道、共享內(nèi)存、消息隊(duì)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(shí)比較有優(yōu)勢(shì)；管道最容易實(shí)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(gè)對(duì)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(kāi)串口，設(shè)置HW006工作模式；再利用QT特有的信號(hào)和槽機(jī)制，定義一個(gè)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(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)串口數(shù)據(jù)的自動(dòng)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(shí)別字顯示界面

　　手寫輸入法的具體實(shí)現(xiàn)是在Qtopia層，利用Qtopia提供的API來(lái)完成中文手寫輸入法的手寫顯示及識(shí)別字顯示。在這里利用輸入法插件接口——InputMethodInterface類，通過(guò)對(duì)該類的繼承以及對(duì)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(kù)形式，被Qtopia服務(wù)器自動(dòng)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(shí)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(shí)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(lái)減小噪聲干擾的影響。

　　在讀到第一個(gè)點(diǎn)時(shí)，不做處理;讀到2個(gè)點(diǎn)時(shí)，取這2個(gè)值的平均。這樣，得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)量不會(huì)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(guò)讀有名管道來(lái)實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)HW006在發(fā)送漢字碼時(shí)，偶爾會(huì)出現(xiàn)發(fā)送的個(gè)數(shù)與所設(shè)置的不符。我們?cè)O(shè)置的識(shí)別字個(gè)數(shù)是5個(gè)，共10字節(jié)的數(shù)據(jù)。但如果所寫的漢字比較簡(jiǎn)單，HW006可能識(shí)別不了5個(gè)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(huì)造成最終顯示錯(cuò)誤。為此，在讀取漢字碼的開(kāi)始和結(jié)束處分別加一個(gè)起始位和結(jié)束位，這樣根據(jù)讀取管道得到的漢字碼個(gè)數(shù)和起始位、結(jié)束位來(lái)判斷識(shí)別結(jié)束，將最終得到的識(shí)別漢字正確地顯示出來(lái)。

4 ?結(jié)論

　　在“PXA255+Linux+Qtopia”平臺(tái)上的運(yùn)行及測(cè)試結(jié)果表明手寫識(shí)別率能達(dá)到95%以上。由于HW006也實(shí)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(lái)的觸摸屏控制器，因此并沒(méi)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(jì)方案具有實(shí)用性和普遍意義，完全可以應(yīng)用于其他嵌入式平臺(tái)上。

參考文獻(xiàn)

[1]? 倪繼利. Qt及Linux操作系統(tǒng)窗口設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,2006.
[2]? Rubini A. Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序[M]. 聊鴻斌,等譯. 北京：中國(guó)電力出版社,2000.
[3] ?Richard W Stevens. UNIX網(wǎng)絡(luò)編程第2卷:進(jìn)程間通信[M]. 楊繼張,譯. 北京：清華大學(xué)出版社,1999.

楊自鋒（碩士），主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)；
趙建業(yè)（教授），主要研究方向?yàn)?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)/" target="_blank">神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、DSP、嵌入式系統(tǒng)。

（收修改稿日期：2007-01-21）