周海峰，李 俊，劉 嘉，陳 波

(南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，江蘇南京 211816)

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制中現(xiàn)場采集的信號(hào)多為模擬信號(hào)，而處理器不能直接處理模擬信號(hào)，因此就需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以供處理器處理［1］。AD7606是一個(gè)8通道16位AD轉(zhuǎn)換芯片可采用并口、SPI口與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。嵌入式Linux是一款開源的操作系統(tǒng)，在ARM處理器中移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)并進(jìn)行AD的驅(qū)動(dòng)編程可提高嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度，提高處理器資源利用率，增強(qiáng)系統(tǒng)可擴(kuò)展性。

1 系統(tǒng)硬件

本設(shè)計(jì)中AD轉(zhuǎn)換芯片采用AD7606，它是一款8通道16位同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可處理±10 V、±5 V雙極性輸入型號(hào)，提供16位/8位并口總線和SPI串行數(shù)據(jù)總線與處理器數(shù)據(jù)交換。處理器采用S3C2440，為32位精簡指令集(RISC)微處理器，基于ARM920T核心，低功耗、簡單、精致且全靜態(tài)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)接線如圖1所示。

(1)OS為過采樣倍率引腳，可根據(jù)實(shí)際需求選擇無過采樣、2倍過采樣、4倍過采樣、8倍過采樣等，將3個(gè)OS引腳與ARM的GPIO口引腳相連，來控制采樣模式。

(2)RAGE為量程范圍選擇引腳，當(dāng)RAGE引腳電平拉低表示信號(hào)輸入范圍、±5 V，反之要求信號(hào)輸入范圍為±10V。

(3)CONVSTA、B為啟動(dòng)轉(zhuǎn)換開始控制腳，和ARM的GPB1腳相連，定時(shí)觸發(fā)AD芯片啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。

圖1 系統(tǒng)框圖

(4)片選信號(hào)CS和RD信號(hào)與ARM的nGCS2相連，來控制轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)果的讀取控制。

(5)BUSY引腳接ARM的EINT1以中斷方式觸發(fā)ARM讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

(6)DB數(shù)據(jù)總線引腳和S3C2440的LDATA總線相連。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于Linux操作系統(tǒng)開源代碼，支持的處理器品種多，具有可根據(jù)實(shí)際控制的需求對(duì)其進(jìn)行剪切的特點(diǎn)［2］，其越來越多的被用于嵌入式中，加入Linux操作系統(tǒng)的嵌入式能更優(yōu)化的使用硬件資源，相比較于不加操作系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備其性能更好擴(kuò)展性更高。本系統(tǒng)開發(fā)過程采用Linux的網(wǎng)路文件NFS系統(tǒng)，可在計(jì)算機(jī)上面直接開發(fā)程序，調(diào)試過程直接通過網(wǎng)絡(luò)讀取硬盤上的內(nèi)核和文件系統(tǒng)可免去內(nèi)核制作燒錄Flash的麻煩。

2.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序采用模塊化方式加載，由處理器定時(shí)觸發(fā)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，AD轉(zhuǎn)換器8路模擬輸入信號(hào)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后將BUSY信號(hào)線拉低來觸發(fā)處理器執(zhí)行讀數(shù)據(jù)操作，處理器讀數(shù)據(jù)時(shí)將CS和RD信號(hào)線拉低，AD根據(jù)讀取觸發(fā)信號(hào)將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)引腳，處理器讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)存。

2.1.1 模塊加載和卸載

Linux采用模塊機(jī)制加載和卸載驅(qū)動(dòng)程序，可以在加入新驅(qū)動(dòng)程序的時(shí)候不用重新編譯內(nèi)核［3］，另外在運(yùn)行的過程中不需要用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)可以不加入內(nèi)存運(yùn)行，當(dāng)需要調(diào)用設(shè)備時(shí)候再由處理器調(diào)度加入內(nèi)存，這樣可大大提高設(shè)備的系統(tǒng)性能［4］。當(dāng)執(zhí)行輸入模塊加載指令時(shí)候，模塊初始化函數(shù)module_init()被調(diào)用，當(dāng)調(diào)用rmmod命令時(shí)候移除模塊，此時(shí)操作系統(tǒng)調(diào)用module_exit()模塊移除函數(shù)。

(1)注冊(cè)模塊函數(shù)實(shí)現(xiàn)adcdev_init():

若注冊(cè)成功misc_register()函數(shù)返回0。根據(jù)需要可將外部設(shè)備連接到內(nèi)存地址空間上或者連接到I/O地址空間，對(duì)于嵌入式設(shè)備，內(nèi)存一般使用很少，而ARM處理器支持1G內(nèi)存空間，所以可以將外部設(shè)備接到多余內(nèi)存空間上，這樣可以使用訪問內(nèi)存方式來讀寫外設(shè)數(shù)據(jù)，在調(diào)用read函數(shù)讀取數(shù)據(jù)前需將物理地址映射到虛擬地址，在此調(diào)用ioremap()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

(2)卸載模塊函數(shù)實(shí)現(xiàn)adcdev_exit():

調(diào)用雜設(shè)備注銷函數(shù)實(shí)現(xiàn)模塊移除。

2.1.2 file_operations結(jié)構(gòu)體

主要用來存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)模塊提供的對(duì)設(shè)備進(jìn)行各種操作的函數(shù)的指針。該結(jié)構(gòu)體的各個(gè)域都對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)模塊用來處理用戶層每個(gè)被請(qǐng)求的函數(shù)的地址，其實(shí)現(xiàn)如下。

例如當(dāng)上層應(yīng)用軟件調(diào)用open()函數(shù)打開設(shè)備時(shí)候，驅(qū)動(dòng)程序便會(huì)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的adcdev_open()函數(shù)返回打開的文件節(jié)點(diǎn)。

2.1.3 設(shè)備打開接口函數(shù)

該函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)中斷的注冊(cè)和定時(shí)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)和進(jìn)程的并發(fā)沖突。在上層多任務(wù)運(yùn)行的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)同時(shí)訪問同一個(gè)資源的時(shí)候，如果處理不好則會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)覆蓋甚至內(nèi)核奔潰的情況，因此在編寫驅(qū)動(dòng)的時(shí)候加上互斥鎖［5］，使得一個(gè)設(shè)備只能被一個(gè)進(jìn)程打開，在進(jìn)程結(jié)束之后釋放鎖以給其它進(jìn)程使用的機(jī)會(huì)，在open()函數(shù)中調(diào)用down_trylock(＆lock)來查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)是否可被用，若沒有被征用則獲得鎖，當(dāng)然在進(jìn)程結(jié)束后要在close()函數(shù)加入up(＆lock)釋放鎖。

設(shè)置GPB1為PWM輸出引腳，并實(shí)現(xiàn)5kHZ的采用頻率，主要配置如下:

在open函數(shù)注冊(cè)中斷，設(shè)置為EINT1中斷輸入，中斷的實(shí)現(xiàn)函數(shù)為adcdev_interrupt()，中斷的觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)。

2.1.4 中斷服務(wù)函數(shù)

當(dāng)AD芯片轉(zhuǎn)換完后拉低BUSY引腳，從而觸發(fā)ARM的中斷響應(yīng)，采用中斷避免了處理器不斷查詢導(dǎo)致的資源浪費(fèi)，這樣處理器可以將時(shí)間片分配給其它進(jìn)程，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。聲明等待隊(duì)列以實(shí)現(xiàn)阻塞型輸入［6］，在讀取完數(shù)據(jù)之后調(diào)用wake_up_interruptible()喚醒等待的進(jìn)程。

當(dāng)調(diào)用readw()時(shí)CS和RD引腳電平會(huì)被拉低，AD芯片會(huì)將AD轉(zhuǎn)化果從緩存區(qū)送到數(shù)據(jù)引腳。Linux下執(zhí)行著多個(gè)進(jìn)程，在中斷執(zhí)行的過程中如果有更高優(yōu)先級(jí)的中斷發(fā)生則會(huì)響應(yīng)更高級(jí)中斷可能會(huì)覆蓋一些變量［7］，為了可靠性執(zhí)行中斷處理函數(shù)過程中需禁止其它中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中調(diào)用local_irq_disable()函數(shù)。

2.1.5 讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果

Linux用戶層和內(nèi)核層分開，當(dāng)用戶層調(diào)用硬件讀取數(shù)值時(shí)候要通過調(diào)用copy_to_user()將數(shù)據(jù)傳送到用戶層。一般情況下在上層讀取數(shù)據(jù)而AD未轉(zhuǎn)換完時(shí)，進(jìn)程就會(huì)一直等待，直到AD轉(zhuǎn)換完并觸發(fā)中斷程序讀取數(shù)據(jù)后才能將數(shù)據(jù)讀到用空間［8］，在此期間CPU還是會(huì)分配給該線程時(shí)間片，這樣就浪費(fèi)了CPU的資源，因此在此采用阻塞的方式進(jìn)行讀取。建立等待隊(duì)列，在中斷函數(shù)響應(yīng)完后會(huì)喚醒等待讀取數(shù)據(jù)的進(jìn)程［9］，該進(jìn)程在等待期間為睡眠狀態(tài)，處理器可以將該睡眠狀態(tài)的進(jìn)程的時(shí)間片分給其它進(jìn)程以提高處理器多任務(wù)處理的能力。

2.2 驅(qū)動(dòng)程編譯加載

在編寫驅(qū)動(dòng)的同一目錄下編寫Makefile文件并執(zhí)行make命令，后將生成的adc.ko文件拷貝到網(wǎng)絡(luò)文件相關(guān)文件夾，開啟嵌入式系統(tǒng)，到相關(guān)目錄執(zhí)行insmod adc.ko命令。

2.3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

用戶空間在調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)讀取參數(shù)時(shí)候應(yīng)先調(diào)用open()函數(shù)打開設(shè)備找到相關(guān)文件節(jié)點(diǎn)［10］，然后調(diào)用相關(guān)的讀寫控制函數(shù)進(jìn)行讀寫和控制。

3 系統(tǒng)測試

將1號(hào)、5號(hào)通道加載3 V電，8號(hào)通道加載5 V電，其余通道接地，運(yùn)行應(yīng)用程序，將相關(guān)引腳接入示波器觀測AD轉(zhuǎn)換讀取狀態(tài)，示波器波形如圖2所示，其中CH1為PWM啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)化信號(hào)，CH3為讀取信號(hào)，CH4為轉(zhuǎn)AD換完信號(hào)。

從圖2中可看出AD芯片在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換后正常發(fā)出轉(zhuǎn)換完標(biāo)志，CONVA，B信號(hào)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)程序中斷響應(yīng)，中斷函數(shù)在接收到中斷信號(hào)后發(fā)出讀取8通道轉(zhuǎn)換結(jié)果信號(hào)。

圖2 數(shù)模轉(zhuǎn)換引腳信號(hào)顯示

在客戶端Linux操作系統(tǒng)輸入kermit啟動(dòng)串口客戶端，接收嵌入式系統(tǒng)讀出的轉(zhuǎn)換結(jié)果如圖3所示。

圖3 數(shù)模轉(zhuǎn)換結(jié)果

4 結(jié)束語

現(xiàn)有的ARM處理器內(nèi)部雖然集成了AD轉(zhuǎn)換器但大多為10位或13位，在測量控制要求較高的場合利用外部AD可實(shí)現(xiàn)更高精度的數(shù)據(jù)采集。同時(shí)若在外部開發(fā)的嵌入設(shè)備中加入嵌入式Linux操作系統(tǒng)可使硬件資源得到優(yōu)化使用，且能提高系統(tǒng)的性能和擴(kuò)展性，同時(shí)可剪切的設(shè)計(jì)可大大降低設(shè)備的硬件要求。本系統(tǒng)外擴(kuò)了16位AD芯片，采用動(dòng)態(tài)模塊方式編寫驅(qū)動(dòng)，采用這種方式節(jié)省了內(nèi)存的使用空間，經(jīng)測式系統(tǒng)安全可執(zhí)行，有廣泛的應(yīng)用空間。

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