基于ARM-Linux 的MAX1303 接口與驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

楊 斌，滿 峰，姜秀杰，劉 波

（1.中國(guó)科學(xué)院 空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院 研究生院，北京 100049）

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通常是通過(guò)傳感器將自然世界的物理量轉(zhuǎn)化成電量，電量是模擬量，必須經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換才能被系統(tǒng)的處理器讀取。現(xiàn)在的很多微處理器都有片內(nèi)AD，但這些AD 多數(shù)是8 位、10 位或者12 位，有時(shí)候很難滿足精度要求。所以需要利用處理器的接口資源外擴(kuò)精度較高的AD 芯片。然而精度越高，價(jià)格越貴。所以在選擇AD 芯片時(shí)，必須充分考慮這兩個(gè)方面。本系統(tǒng)在對(duì)采樣精度和價(jià)格進(jìn)行權(quán)衡后，決定選擇16 位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。由于設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)放置于環(huán)境惡劣的野外，所以全部器件都要滿足工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，所以最終選擇了MAXIM 公司的MAX1303。處理器選用了恩智普公司的ARM9 微處理器LPC3250。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了硬件連接，以及Linux2.6.29 內(nèi)核下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，并通過(guò)編寫(xiě)的應(yīng)用程序?qū)︱?qū)動(dòng)程序進(jìn)行了測(cè)試。

1 芯片介紹

1.1 LPC3250 簡(jiǎn)介

LPC3250 是恩智普公司推出的、采用RISC 結(jié)構(gòu)、基于ARM926EJ-S 內(nèi)核的32 位工業(yè)級(jí)處理器，可工作于-40～+85 ℃的范圍內(nèi)。它的最高工作頻率可達(dá)266 MHz，具有完整的存儲(chǔ)管理單元（MMU），可以嵌入Linux/Wince 等需要MMU 支持的操作系統(tǒng)；高達(dá)256 kB 的內(nèi)部SRAM 可用于數(shù)據(jù)和代碼存儲(chǔ)；32 kB 數(shù)據(jù)高速緩存和32 kB 指令高速緩存；矢量浮點(diǎn)協(xié)處理器具有硬件浮點(diǎn)計(jì)算功能。另外，片內(nèi)有SD/MMC 卡主機(jī)控制器和以太網(wǎng)控制器使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)文件存儲(chǔ)和以太網(wǎng)功能變得簡(jiǎn)單，這對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)非常有用。

1.2 AD 芯片MAX1303 簡(jiǎn)介

MAX1303 是MAXIM 公司推出的工業(yè)級(jí)、低功耗、多量程、16 位精度的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，采用+5 V 單電源供電，最高采樣率可達(dá)115kbps。可使用+4.096 V 片上基準(zhǔn)或者3.800 到4.136 V 之間的外部電壓基準(zhǔn)[1]。采用20 引腳的TSSOP 封裝。它的引腳如圖1 所示。

從引腳圖可以看出，芯片外部有多種電源引腳，這些引腳對(duì)應(yīng)芯片內(nèi)部獨(dú)立的功能模塊。對(duì)芯片采用獨(dú)立的電源供電可以盡可能的使工作環(huán)境保持低噪聲。第16、17 引腳在使用外部電壓基準(zhǔn)時(shí)分別連接AVDD 和基準(zhǔn)電壓，在使用芯片內(nèi)部基準(zhǔn)時(shí)，分別通過(guò)0.01 μF 和1 μF 的電容旁路到AGND1即可。其他引腳功能如表1 所示。

圖1 MAX1303 引腳圖Fig.1 Pin diagram of MAX1303

表1 MAX1303 引腳功能Tab.1 Pin function of MAX1303

CH0-CH4 支持4 路單端輸入，或者2 路差分輸入。SSTRB 在AD 轉(zhuǎn)換器的某些工作模式下可指示轉(zhuǎn)換狀態(tài)。另外4 種數(shù)字接口可通過(guò)SPI/QSPI/MICROWIRE 兼容的串行接口與2.7 V 至5.25 V 的系統(tǒng)連接。

MAX1303 支持7 種單端輸入范圍或者3 種差分輸入范圍，有7 種工作模式。這些都可以通過(guò)輸入控制字進(jìn)行配置。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

已提到，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1303 可以通過(guò)SPI/QSPI/MICROWIRE 兼容的串行接口進(jìn)行控制。由于SPI 比較常見(jiàn)，并且協(xié)議簡(jiǎn)單，本系統(tǒng)使用SPI 協(xié)議控制此AD 芯片。然而，雖然LPC3250 有內(nèi)置的SPI 控制器，但本系統(tǒng)選擇使用LPC3250 的GPI/O 口模擬SPI 接口對(duì)MAX1303 進(jìn)行控制。下面分析原因。

已提到，MAX1303 有7 中工作模式，其中，有3 種用于數(shù)據(jù)采集。這3 種工作模式是：外部時(shí)鐘模式；外部采集模式；內(nèi)部時(shí)鐘模式。這3 種采集模式各有優(yōu)缺點(diǎn)。外部時(shí)鐘模式的吞吐率最高，同時(shí)，給處理器帶來(lái)的負(fù)擔(dān)也最高；內(nèi)部時(shí)鐘模式吞吐率次之，能適當(dāng)減輕處理器的負(fù)擔(dān)；外部采集模式的吞吐率最低，但卻能最大限度的減輕處理器負(fù)擔(dān)。由于LPC3250 性能強(qiáng)大，所以系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)時(shí)，使用吞吐率高的外部時(shí)鐘模式。然而，使用外部時(shí)鐘模式時(shí)，不像使用內(nèi)部時(shí)鐘模式和外部采集模式，處理器向MAX1303 寫(xiě)完控制字和轉(zhuǎn)換啟動(dòng)字后，只需等待MAX1303 的SSTRB 引腳輸出的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，然后就可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。使用外部時(shí)鐘模式，需要精確的控制時(shí)鐘個(gè)數(shù)，這使得在驅(qū)動(dòng)程序中，要經(jīng)常修改SPI 的相關(guān)控制器，而且還要通過(guò)查詢(xún)來(lái)確定時(shí)鐘的個(gè)數(shù)。如果使用LPC3250 的GPI/O 口模擬SPI 協(xié)議控制AD 芯片就簡(jiǎn)單的多。控制GPO 口不斷翻轉(zhuǎn)輸出電平就可以產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，而且可隨意控制時(shí)鐘個(gè)數(shù)。對(duì)于發(fā)送數(shù)據(jù)，只需要簡(jiǎn)單的把數(shù)據(jù)字節(jié)的每個(gè)位根據(jù)時(shí)鐘變化通過(guò)GPI 口輸出給AD 芯片。讀取數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)是一個(gè)相反的過(guò)程，但類(lèi)似。

所以，用GPI/O 口模擬SPI 總線控制MAX1303 非常簡(jiǎn)單。本系統(tǒng)有兩路模擬信號(hào)需要采集，使用單端輸入，MAX1303 的另外兩個(gè)輸入端接地。LPC3250 與MAX1303 的硬件連接如圖2 所示。

圖2 LPC3250 和MAX1303 的連接圖Fig.2 Connection diagram of LPC3250 and MAX1303

3 Linux 下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是應(yīng)用程序和硬件之間的橋梁，它為應(yīng)用程序屏蔽硬件細(xì)節(jié)，并將硬件封裝成一個(gè)文件的形式[2-3]。當(dāng)應(yīng)用程序需要操作硬件時(shí)，只需操作硬件相對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件即可。Linux 對(duì)設(shè)備的分類(lèi)有許多種，常見(jiàn)的分類(lèi)是將設(shè)備分成3 種：字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備[4]。這三類(lèi)設(shè)備對(duì)應(yīng)3 種設(shè)備文件。不同設(shè)備的開(kāi)發(fā)模式以及與內(nèi)核的接口也不相同。MAX1303 屬于字符設(shè)備，本文將分析Linux2.6.29 內(nèi)核下MAX1303 的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序不同，應(yīng)用程序從main 函數(shù)開(kāi)始執(zhí)行，而驅(qū)動(dòng)程序在被安裝時(shí)，則是從module_init 宏指定的函數(shù)處開(kāi)始執(zhí)行[5]。module_init 宏指定的函數(shù)被稱(chēng)為模塊加載函數(shù)，它可以看成是驅(qū)動(dòng)程序的入口。它通常完成地址映射，向內(nèi)核注冊(cè)并初始化cdev 結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建設(shè)備文件等工作。模塊加載函數(shù)的程序流程圖如圖3 所示。

與模塊加載函數(shù)對(duì)應(yīng)的，有一個(gè)模塊卸載函數(shù)，此函數(shù)由module_exit 宏指定，它在驅(qū)動(dòng)模塊被卸載時(shí)執(zhí)行。它主要完成的工作包括：銷(xiāo)毀設(shè)備文件；注銷(xiāo)設(shè)備所對(duì)應(yīng)的cdev 結(jié)構(gòu)；釋放內(nèi)存；注銷(xiāo)設(shè)備號(hào)。

Struct cdev 在內(nèi)核內(nèi)部被用來(lái)表示設(shè)備，這是一個(gè)非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它內(nèi)部有一個(gè)成員結(jié)構(gòu) struct file_operations[6]，用于連接設(shè)備編號(hào)和驅(qū)動(dòng)程序的操作。這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含一組函數(shù)指針，這一組函數(shù)的實(shí)現(xiàn)是設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序的重點(diǎn)和難點(diǎn)。這一組函數(shù)有很多，但根據(jù)項(xiàng)目需求，本系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)open，write，read，release 4個(gè)函數(shù)。

圖3 模塊加載函數(shù)流程圖Fig.3 Flow diagram of module loading function

結(jié)構(gòu)struct file_operations 中的open 字段對(duì)應(yīng)著系統(tǒng)調(diào)用中的open 函數(shù)。在應(yīng)用程序中，通過(guò)open 函數(shù)打開(kāi)MAX1303 對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件時(shí)，內(nèi)核會(huì)跳轉(zhuǎn)到此函數(shù)指針處。此函數(shù)指針的實(shí)現(xiàn)，主要完成初始化工作。這包括MAX1303的初始化配置和LPC3250 驅(qū)動(dòng)相關(guān)的寄存器設(shè)置。MAX1303的初始化包括工作模式選擇、量程范圍選擇、單端/差分輸入選擇、初始化通道選擇。對(duì)于這四項(xiàng)，本系統(tǒng)全部使用默認(rèn)設(shè)置：外部時(shí)鐘模式；-Vref 到+Vref 的測(cè)量范圍；單端輸入；初始化輸入通道0。所以，在open 中不用配置MAX1303。對(duì)LPC3250 的寄存器配置也比較簡(jiǎn)單，需要完成的配置有：片選信號(hào)拉高；時(shí)鐘信號(hào)拉低；處理器輸出拉低。

Write 字段需要接收應(yīng)用程序從用戶(hù)空間[7]傳遞到內(nèi)核的的數(shù)據(jù)，然后將此數(shù)據(jù)通過(guò)GPO_17 端口發(fā)送給MAX1303。這些數(shù)據(jù)主要用于修改MAX1303 的配置，例如通道選擇。向MAX1303 寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)需要注意MAX1303 電氣特性中的兩個(gè)時(shí)間參數(shù)Tcss 和Tcspw。Tcss 對(duì)應(yīng)著芯片的片選信號(hào)被拉低后到第一個(gè)時(shí)鐘到來(lái)前所必需的時(shí)間間隔[8]。Tcspw對(duì)應(yīng)著寫(xiě)模擬輸入配置字節(jié)、模式控制字節(jié)、轉(zhuǎn)換啟動(dòng)字節(jié)時(shí)，任意兩者之間的時(shí)間間隔。這兩個(gè)時(shí)間參數(shù)都必須大于40 ns，且沒(méi)有上限。本系統(tǒng)中，在Read 中寫(xiě)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)字節(jié)，write 中只做通道的切換，其他配置都使用默認(rèn)的。

Read 字段是MAX1303 驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵點(diǎn)。它負(fù)責(zé)讀取采樣結(jié)果，并將結(jié)果傳遞給應(yīng)用程序。在read 中，首先是用8個(gè)時(shí)鐘向MAX1303 寫(xiě)轉(zhuǎn)換起始字節(jié)，然后使用8個(gè)是時(shí)鐘周期等待AD 轉(zhuǎn)換完成。最后使用16個(gè)時(shí)鐘周期讀取MAX1303輸出的轉(zhuǎn)換結(jié)果。由于轉(zhuǎn)換結(jié)果是以串行方式輸出，故需要將讀取的數(shù)據(jù)拼湊起來(lái)。又由于ARM 使用的是端口3 的GPI_06 管腳讀取MAX1303 的輸出數(shù)據(jù)，且對(duì)于端口3 的操作是以32 位進(jìn)行的，所以還需要考慮拼接端口3 的哪個(gè)數(shù)據(jù)位。本文的處理方式是先將端口3 讀出的數(shù)據(jù)右移6 位。具體的操作代碼如下：

release 對(duì)應(yīng)著系統(tǒng)調(diào)用中的close 函數(shù)。它需要完成這個(gè)驅(qū)動(dòng)所涉及的配置寄存器的復(fù)位，操作過(guò)程與open 相反。在還原寄存器的默認(rèn)設(shè)置后，打印一條設(shè)備文件關(guān)閉的信息，供應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者調(diào)試時(shí)觀察使用。

4 Linux 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與測(cè)試

本文介紹的應(yīng)用程序是整個(gè)系統(tǒng)的一部分，這里僅供測(cè)試驅(qū)動(dòng)程序使用。測(cè)試的功能主要是驅(qū)動(dòng)中的write 和read功能。由于驅(qū)動(dòng)程序的read 中沒(méi)有對(duì)讀取的采樣值做處理，所以得到的數(shù)據(jù)還不是輸入信號(hào)的實(shí)際值，應(yīng)用程序必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于MAX1303 采用單端、雙極性輸入，所以處理公式為：

式中，實(shí)際值的單位是毫伏；采樣值是從MAX1303 讀取的數(shù)據(jù)；FSR 是滿量程范圍，對(duì)于本系統(tǒng)，F(xiàn)SR 是2*Vref；本系統(tǒng)采用內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，Vref 的理論值是4.096 V，但實(shí)際系統(tǒng)中會(huì)有一定的漂移，范圍一般在4.056 V 到4.136 V 之間。

為了測(cè)試，應(yīng)用程序每秒讀取一次兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)，并打印。應(yīng)用程序的流程圖如圖4 所示。

圖4 應(yīng)用程序流程圖Fig.4 Flow diagram of application

根據(jù)應(yīng)用程序的打印結(jié)果和CH1、CH2 的實(shí)際輸入，系統(tǒng)采樣結(jié)果正確，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)論

A/D 轉(zhuǎn)換器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)中有極其重要的用途。嵌入式Linux 在現(xiàn)代的嵌入式系統(tǒng)中也被廣泛應(yīng)用。本文描述的16 位AD 芯片的Linux 驅(qū)動(dòng)和硬件接口設(shè)計(jì)不僅在筆者所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)中具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)，對(duì)其他具有SPI 接口的AD 芯片的硬件接口設(shè)計(jì)和Linux 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)也有一定的參考價(jià)值。

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