湯沁　徐學(xué)軍　彭地卓　李驥

【摘要】 本文介紹了高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1298R與ARM11微控制器S3C6410利用串行外設(shè)接口（SPI）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用方案，給出了兩者SPI接口的連接圖和Linux操作系統(tǒng)下驅(qū)動的具體實現(xiàn)方法，最后編寫了應(yīng)用程序進(jìn)行測試，論證了該方法的可行性。ADS1298R和S3C6410基于SPI的串行通信方式為嵌入式高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一個解決方案。

【關(guān)鍵詞】 SPI驅(qū)動 ADS1298R S3C6410 Linux

SPI總線是一種同步串行外設(shè)接口， MCU通過它可以與各種外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[7]。SPI總線只需3～4根數(shù)據(jù)線和控制線即可擴(kuò)展具有SPI接口的各種I/O器件，其硬件功能很強，實現(xiàn)軟件相當(dāng)簡單[1]。SPI為全雙工通信，顯得簡單高效，因而A/D轉(zhuǎn)換器與ARM通過SPI接口相結(jié)合而組成的基于Linux的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯得十分有效。

一、ADS1298R的特性和使用

ADS1298R是美國德州儀器公司推出的一款低功率，8通道，同步采樣，24位三角積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器，此產(chǎn)品具有內(nèi)置的可編程增益放大器（PGA），內(nèi)部基準(zhǔn)和一個板載振蕩器[4]。運行數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)32KSPS，時鐘頻率2.048MHz，具有串行外設(shè)接口（SPI），并兼容串口。其引腳定義如圖1所示。

如圖2所示為ADS1298R的串行接口時序圖，串行時鐘為數(shù)據(jù)的輸入輸出提供了傳輸時序。當(dāng)一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，DRDY變低，表示有數(shù)據(jù)可進(jìn)行傳輸，將片選信號CS拉低，串行時鐘開始工作，DRDY電平在SCLK的第一個時鐘下降沿升高，在SCLK上升沿往外部控制設(shè)備傳數(shù)據(jù)，在下降沿從外部控制設(shè)備讀數(shù)據(jù)命令。數(shù)據(jù)傳輸階段CS必須保持低電平，傳輸一組數(shù)據(jù)需要216個串行時鐘周期。

二、S3C6410概述

S3C6410是三星公司推出的一款采用RISC架構(gòu)的16/32位微控制器，它基于ARM1176JZF-S內(nèi)核，高效的八級流水線使其貫通率比以前的ARM內(nèi)核提高了40%[6]。最高時鐘頻率可達(dá)667MHz。

S3C6410含有2通道的SPI接口，可來實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的傳輸。每個SPI通道含有兩個獨立的32位發(fā)送和接收數(shù)據(jù)寄存器和兩個32位移位寄存器，以及兩個64字節(jié)的接收和發(fā)送FIFO，三者在SPI通信中的關(guān)系如圖3所示。

三、SPI驅(qū)動

設(shè)備驅(qū)動是從操作系統(tǒng)當(dāng)中提取物理或者虛擬設(shè)備的軟件，是連接硬件與操作系統(tǒng)的橋梁。SPI驅(qū)動程序?qū)儆诹鹘涌隍?qū)動程序，導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)的流接口函數(shù)，由流接口驅(qū)動管理器向應(yīng)用程序提供文件系統(tǒng)，應(yīng)用程序通過對文件系統(tǒng)的處理來完成對設(shè)備的操作[2，3]。

根據(jù)SPI接口連接原理，將ADS1298R和S3C6410的SPI接口引腳按圖4所示的方式進(jìn)行連接。

為了實現(xiàn)S3C6410與ADS1298R的數(shù)據(jù)通信，編寫了基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)下混雜設(shè)備驅(qū)動程序，該SPI驅(qū)動主要由以下幾個函數(shù)構(gòu)成。

（1）spi_init_function（）完成SPI的初始化工作。首先將對應(yīng)I/O口配置成SPI功能模式，然后對S3C6410的SPI寄存器進(jìn)行如下順序的配置。

●將SPI傳輸模式（CPOL&CPHA）配置成與ADS1298R一致。

●設(shè)置串行時鐘配置寄存器CLK_CFG。

●設(shè)置SPI FIFO控制寄存器MODE_CFG。

●開Tx或Rx通道。

●將片選設(shè)置成手動模式，將NSSOUT設(shè)置成低并開始傳輸或接收數(shù)據(jù)[5]。

static void spi_init_function（void）

{······

CH_CFG = （（0 << 6） | （0 << 5） | （0 << 4） | （0 << 3） | （1 << 2） | （0 << 1） | （0 << 0））；

CLK_CFG = （（0 << 9） | （1 << 8） | （0x4 << 0））；

MODE_CFG = （（0 << 29） | （0 << 19） | （0 << 17） | （1 << 11） | （1 << 5）

| （0 << 2） | （0 << 1） | （0 << 0））；

SLAVE_SEL = （0x00）；

······}

（2）spi_write（）用于向ADS1298R傳遞控制命令。S3C6420通過spi_write（）函數(shù)向ADS1298R傳遞命令，使其工作在對應(yīng)狀態(tài)。傳數(shù)據(jù)時開發(fā)送通道，并將CS信號拉低，然后將用戶層傳遞過來的命令通過圖3的發(fā)送通道傳送至ADS1298R，ADS1298R在SCLK的下降沿從DIN將數(shù)據(jù)讀入。

static ssize_t spi_write（struct file *filp，const char __user *buff，size_t count，loff_t *offp）

{······

SPI_CS_LOW（ ）；

for（i=0；i

writeByte（kbuf[i]）；

SPI_CS_HIGH（）；

······}

（3）spi_read（ ）用于讀取經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。ADS1298R將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，DRDY信號變低，S3C6410便可開接收通道，并拉低CS，然后通過圖3的接收通道接收數(shù)據(jù)，ADS1298R在SCLK的上升沿將數(shù)據(jù)從DOUT送出。

static ssize_t spi_read（struct file *filp， char __user *buff， size_t count， loff_t *offp）

{······

SPI_CS_LOW（ ）；

while（！DRDY）；

for（i=0；i<9；i++）

tab[i] = readByte（ ）；

SPI_CS_HIGH（ ）；

······}

四、SPI測試程序

為了測試驅(qū)動的正確性，編寫了測試應(yīng)用程序?qū)︱?qū)動進(jìn)行測試。為了方便對ADS1298R工作模式和狀態(tài)的控制，我們將對ADS1298R的控制命令放在了應(yīng)用程序里。對ADS1298R的控制主要是對其23個可讀可寫寄存器的配置。用ADS1298R內(nèi)部自帶測試信號進(jìn)行測試。測試程序包括兩部分，第一部分目的是通過傳遞命令方式配置ADS1298R相應(yīng)寄存器，本測試程序?qū)DS1298R的控制命令集為：

ADS1299RegVal[27]=

{0x41，0x18，0x85，0x10，0xdc，0x03，0x05，0x80，0x80，0x80，0x80，0x80，0x80，0x80，0x01，0x01，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x02，0x0a，0xe3}；

第二部分循環(huán)讀ADS1298R，并將讀到的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的形式存入文件中。

由以下兩個函數(shù)實現(xiàn)：

read（spi_fd，&data，3）；

fprintf（stream，"%06lx＼40"，data）；

測試結(jié)果如圖5所示。

并且我們還用信號源輸出正弦波形進(jìn)行了單通道測試，其中正弦波幅值為100mVpp，頻率為10Hz。測試結(jié)果如圖6所示，由于配置的A/D增益為6，故輸出波形幅值為600mVpp。

對采集的波形進(jìn)行功率譜分析，結(jié)果如圖7所示。

五、結(jié)論

經(jīng)測試本SPI驅(qū)動能實現(xiàn)ADS1298R與S3C6410之間的串行數(shù)據(jù)通信。使用帶SPI接口的A/D與微控制器相連進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)具有占微控制器I/O資源少，硬件連接方便，軟件開發(fā)易于實現(xiàn)的特點。此SPI驅(qū)動只需稍加修改便可與其他帶SPI接口的A/D相連，具有很好的可移植性。帶SPI接口的A/D與ARM微控制器結(jié)合能很好的應(yīng)用于具有信號采集功能的嵌入式系統(tǒng)，如抄表系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、監(jiān)控設(shè)備等領(lǐng)域。endprint

{······

SPI_CS_LOW（ ）；

while（！DRDY）；

for（i=0；i<9；i++）

tab[i] = readByte（ ）；

SPI_CS_HIGH（ ）；

······}

四、SPI測試程序

為了測試驅(qū)動的正確性，編寫了測試應(yīng)用程序?qū)︱?qū)動進(jìn)行測試。為了方便對ADS1298R工作模式和狀態(tài)的控制，我們將對ADS1298R的控制命令放在了應(yīng)用程序里。對ADS1298R的控制主要是對其23個可讀可寫寄存器的配置。用ADS1298R內(nèi)部自帶測試信號進(jìn)行測試。測試程序包括兩部分，第一部分目的是通過傳遞命令方式配置ADS1298R相應(yīng)寄存器，本測試程序?qū)DS1298R的控制命令集為：

ADS1299RegVal[27]=

{0x41，0x18，0x85，0x10，0xdc，0x03，0x05，0x80，0x80，0x80，0x80，0x80，0x80，0x80，0x01，0x01，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x02，0x0a，0xe3}；

第二部分循環(huán)讀ADS1298R，并將讀到的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的形式存入文件中。

由以下兩個函數(shù)實現(xiàn)：

read（spi_fd，&data，3）；

fprintf（stream，"%06lx＼40"，data）；

測試結(jié)果如圖5所示。

并且我們還用信號源輸出正弦波形進(jìn)行了單通道測試，其中正弦波幅值為100mVpp，頻率為10Hz。測試結(jié)果如圖6所示，由于配置的A/D增益為6，故輸出波形幅值為600mVpp。

對采集的波形進(jìn)行功率譜分析，結(jié)果如圖7所示。

五、結(jié)論

經(jīng)測試本SPI驅(qū)動能實現(xiàn)ADS1298R與S3C6410之間的串行數(shù)據(jù)通信。使用帶SPI接口的A/D與微控制器相連進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)具有占微控制器I/O資源少，硬件連接方便，軟件開發(fā)易于實現(xiàn)的特點。此SPI驅(qū)動只需稍加修改便可與其他帶SPI接口的A/D相連，具有很好的可移植性。帶SPI接口的A/D與ARM微控制器結(jié)合能很好的應(yīng)用于具有信號采集功能的嵌入式系統(tǒng)，如抄表系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、監(jiān)控設(shè)備等領(lǐng)域。endprint

{······

SPI_CS_LOW（ ）；

while（！DRDY）；

for（i=0；i<9；i++）

tab[i] = readByte（ ）；

SPI_CS_HIGH（ ）；

······}

四、SPI測試程序

為了測試驅(qū)動的正確性，編寫了測試應(yīng)用程序?qū)︱?qū)動進(jìn)行測試。為了方便對ADS1298R工作模式和狀態(tài)的控制，我們將對ADS1298R的控制命令放在了應(yīng)用程序里。對ADS1298R的控制主要是對其23個可讀可寫寄存器的配置。用ADS1298R內(nèi)部自帶測試信號進(jìn)行測試。測試程序包括兩部分，第一部分目的是通過傳遞命令方式配置ADS1298R相應(yīng)寄存器，本測試程序?qū)DS1298R的控制命令集為：

ADS1299RegVal[27]=

{0x41，0x18，0x85，0x10，0xdc，0x03，0x05，0x80，0x80，0x80，0x80，0x80，0x80，0x80，0x01，0x01，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x02，0x0a，0xe3}；

第二部分循環(huán)讀ADS1298R，并將讀到的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的形式存入文件中。

由以下兩個函數(shù)實現(xiàn)：

read（spi_fd，&data，3）；

fprintf（stream，"%06lx＼40"，data）；

測試結(jié)果如圖5所示。

并且我們還用信號源輸出正弦波形進(jìn)行了單通道測試，其中正弦波幅值為100mVpp，頻率為10Hz。測試結(jié)果如圖6所示，由于配置的A/D增益為6，故輸出波形幅值為600mVpp。

對采集的波形進(jìn)行功率譜分析，結(jié)果如圖7所示。

五、結(jié)論

經(jīng)測試本SPI驅(qū)動能實現(xiàn)ADS1298R與S3C6410之間的串行數(shù)據(jù)通信。使用帶SPI接口的A/D與微控制器相連進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)具有占微控制器I/O資源少，硬件連接方便，軟件開發(fā)易于實現(xiàn)的特點。此SPI驅(qū)動只需稍加修改便可與其他帶SPI接口的A/D相連，具有很好的可移植性。帶SPI接口的A/D與ARM微控制器結(jié)合能很好的應(yīng)用于具有信號采集功能的嵌入式系統(tǒng)，如抄表系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、監(jiān)控設(shè)備等領(lǐng)域。endprint