基于Linux嵌入式系統的S3C6410和ADS1298R的SPI接口驅動的實現
2014-07-29 01:57:27湯沁徐學軍彭地卓李驥
中國新通信 2014年1期
湯沁 徐學軍 彭地卓 李驥
【摘要】 本文介紹了高速模數轉換芯片ADS1298R與ARM11微控制器S3C6410利用串行外設接口（SPI）進行數據通信的應用方案，給出了兩者SPI接口的連接圖和Linux操作系統下驅動的具體實現方法，最后編寫了應用程序進行測試，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據采集系統提供了一個解決方案。
【關鍵詞】 SPI驅動 ADS1298R S3C6410 Linux
SPI總線是一種同步串行外設接口， MCU通過它可以與各種外圍設備進行數據通信[7]。SPI總線只需3～4根數據線和控制線即可擴展具有SPI接口的各種I/O器件，其硬件功能很強，實現軟件相當簡單[1]。SPI為全雙工通信，顯得簡單高效，因而A/D轉換器與ARM通過SPI接口相結合而組成的基于Linux的數據采集系統顯得十分有效。
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位三角積分模數轉換器，此產品具有內置的可編程增益放大器（PGA），內部基準和一個板載振蕩器[4]。運行數據速率最高可達32KSPS，時鐘頻率2.048MHz，具有串行外設接口（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，串行時鐘為數據的輸入輸出提供了傳輸時序。當一次數據轉換完成后，DRDY變低，表示有數據可進行傳輸，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備傳數據，在下降沿從外部控制設備讀數據命令。數據傳輸階段CS必須保持低電平，傳輸一組數據需要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架構的16/32位微控制器，它基于ARM1176JZF-S內核，高效的八級流水線使其貫通率比以前的ARM內核提高了40%[6]。最高時鐘頻率可達667MHz。
S3C6410含有2通道的SPI接口，可來實現串行數據的傳輸。每個SPI通道含有兩個獨立的32位發送和接收數據寄存器和兩個32位移位寄存器，以及兩個64字節的接收和發送FIFO，三者在SPI通信中的關系如圖3所示。
三、SPI驅動
設備驅動是從操作系統當中提取物理或者虛擬設備的軟件，是連接硬件與操作系統的橋梁。SPI驅動程序屬于流接口驅動程序，導出標準的流接口函數，由流接口驅動管理器向應用程序提供文件系統，應用程序通過對文件系統的處理來完成對設備的操作[2，3]。
根據SPI接口連接原理，將ADS1298R和S3C6410的SPI接口引腳按圖4所示的方式進行連接。
為了實現S3C6410與ADS1298R的數據通信，編寫了基于嵌入式Linux操作系統下混雜設備驅動程序，該SPI驅動主要由以下幾個函數構成。
（1）spi_init_function（）完成SPI的初始化工作。首先將對應I/O口配置成SPI功能模式，然后對S3C6410的SPI寄存器進行如下順序的配置。
●將SPI傳輸模式（CPOL&CPHA）配置成與ADS1298R一致。
●設置串行時鐘配置寄存器CLK_CFG。
●設置SPI FIFO控制寄存器MODE_CFG。
●開Tx或Rx通道。
●將片選設置成手動模式，將NSSOUT設置成低并開始傳輸或接收數據[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（）函數向ADS1298R傳遞命令，使其工作在對應狀態。傳數據時開發送通道，并將CS信號拉低，然后將用戶層傳遞過來的命令通過圖3的發送通道傳送至ADS1298R，ADS1298R在SCLK的下降沿從DIN將數據讀入。
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AD轉換后的數據。ADS1298R將轉換的數據準備好后，DRDY信號變低，S3C6410便可開接收通道，并拉低CS，然后通過圖3的接收通道接收數據，ADS1298R在SCLK的上升沿將數據從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
為了測試驅動的正確性，編寫了測試應用程序對驅動進行測試。為了方便對ADS1298R工作模式和狀態的控制，我們將對ADS1298R的控制命令放在了應用程序里。對ADS1298R的控制主要是對其23個可讀可寫寄存器的配置。用ADS1298R內部自帶測試信號進行測試。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相應寄存器，本測試程序對ADS1298R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}；
第二部分循環讀ADS1298R，并將讀到的數據以數據流的形式存入文件中。
由以下兩個函數實現：
read（spi_fd，&data，3）；
fprintf（stream，"%06lx＼40"，data）；
測試結果如圖5所示。
并且我們還用信號源輸出正弦波形進行了單通道測試，其中正弦波幅值為100mVpp，頻率為10Hz。測試結果如圖6所示，由于配置的A/D增益為6，故輸出波形幅值為600mVpp。
對采集的波形進行功率譜分析，結果如圖7所示。
五、結論
經測試本SPI驅動能實現ADS1298R與S3C6410之間的串行數據通信。使用帶SPI接口的A/D與微控制器相連進行數據采集系統的開發具有占微控制器I/O資源少，硬件連接方便，軟件開發易于實現的特點。此SPI驅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微控制器結合能很好的應用于具有信號采集功能的嵌入式系統，如抄表系統、醫療儀器、監控設備等領域。endprint
{······
SPI_CS_LOW（ ）；
while（！DRDY）；
for（i=0；i<9；i++）
tab[i] = readByte（ ）；
SPI_CS_HIGH（ ）；
······}
四、SPI測試程序
為了測試驅動的正確性，編寫了測試應用程序對驅動進行測試。為了方便對ADS1298R工作模式和狀態的控制，我們將對ADS1298R的控制命令放在了應用程序里。對ADS1298R的控制主要是對其23個可讀可寫寄存器的配置。用ADS1298R內部自帶測試信號進行測試。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相應寄存器，本測試程序對ADS1298R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}；
第二部分循環讀ADS1298R，并將讀到的數據以數據流的形式存入文件中。
由以下兩個函數實現：
read（spi_fd，&data，3）；
fprintf（stream，"%06lx＼40"，data）；
測試結果如圖5所示。
并且我們還用信號源輸出正弦波形進行了單通道測試，其中正弦波幅值為100mVpp，頻率為10Hz。測試結果如圖6所示，由于配置的A/D增益為6，故輸出波形幅值為600mVpp。
對采集的波形進行功率譜分析，結果如圖7所示。
五、結論
經測試本SPI驅動能實現ADS1298R與S3C6410之間的串行數據通信。使用帶SPI接口的A/D與微控制器相連進行數據采集系統的開發具有占微控制器I/O資源少，硬件連接方便，軟件開發易于實現的特點。此SPI驅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微控制器結合能很好的應用于具有信號采集功能的嵌入式系統，如抄表系統、醫療儀器、監控設備等領域。endprint
{······
SPI_CS_LOW（ ）；
while（！DRDY）；
for（i=0；i<9；i++）
tab[i] = readByte（ ）；
SPI_CS_HIGH（ ）；
······}
四、SPI測試程序
為了測試驅動的正確性，編寫了測試應用程序對驅動進行測試。為了方便對ADS1298R工作模式和狀態的控制，我們將對ADS1298R的控制命令放在了應用程序里。對ADS1298R的控制主要是對其23個可讀可寫寄存器的配置。用ADS1298R內部自帶測試信號進行測試。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相應寄存器，本測試程序對ADS1298R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}；
第二部分循環讀ADS1298R，并將讀到的數據以數據流的形式存入文件中。
由以下兩個函數實現：
read（spi_fd，&data，3）；
fprintf（stream，"%06lx＼40"，data）；
測試結果如圖5所示。
并且我們還用信號源輸出正弦波形進行了單通道測試，其中正弦波幅值為100mVpp，頻率為10Hz。測試結果如圖6所示，由于配置的A/D增益為6，故輸出波形幅值為600mVpp。
對采集的波形進行功率譜分析，結果如圖7所示。
五、結論
經測試本SPI驅動能實現ADS1298R與S3C6410之間的串行數據通信。使用帶SPI接口的A/D與微控制器相連進行數據采集系統的開發具有占微控制器I/O資源少，硬件連接方便，軟件開發易于實現的特點。此SPI驅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微控制器結合能很好的應用于具有信號采集功能的嵌入式系統，如抄表系統、醫療儀器、監控設備等領域。endprint
