嵌入式Linux下ADS1256驅(qū)動程序的設(shè)計與實現(xiàn)

段月驍 郭 斌 胡曉峰 羅 哉 陸 藝

(中國計量學(xué)院計量測試工程學(xué)院，杭州 310018)

在自動化測試系統(tǒng)中，處理器往往需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲取傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)。S3C2440A微處理器自帶八通道10位的AD轉(zhuǎn)換器，在測量精度要求不高時可以直接使用。在實際應(yīng)用中，為滿足高精度測量要求，需要外擴(kuò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。筆者選用24位分辨率帶SPI接口的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1256作為S3C2440A的外部AD轉(zhuǎn)換器。SPI是一種高速、全雙工、同步通信總線。因其傳輸穩(wěn)定、高效、占用引腳數(shù)量少，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器、Flash及MCU等串行設(shè)備中應(yīng)用廣泛。Linux是全球知名的開源自由多任務(wù)操作系統(tǒng)，任何人都可以在遵循GPL(General Public License)協(xié)議的基礎(chǔ)上修改其源代碼以適應(yīng)實際需求。正是Linux操作系統(tǒng)的免費、開放源代碼及內(nèi)核可裁剪等諸多優(yōu)點，使其廣泛應(yīng)用于智能儀表及工業(yè)控制等嵌入式系統(tǒng)中。

筆者采用S3C2440A微處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，結(jié)合實際工程氣密性檢測系統(tǒng)，設(shè)計S3C2440A與ADS1256的SPI接口，詳細(xì)分析了Linux2.6.32.2下ADS1256驅(qū)動程序的設(shè)計、編譯、加載和測試過程。

1.1 ARM微處理器S3C2440A

筆者選用S3C2440A微處理器，該處理器采用ARM920T的核心，0.13μm的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲單元，主頻400MHz，最高工作頻率可達(dá)533MHz。S3C2440A提供了兩個SPI接口，每個接口分別包含兩個8位發(fā)送移位寄存器和接收移位寄存器，通過串行時鐘線(SCK)、主機輸出從機輸入(MOSI)、主機輸入從機輸出(MISO)和片選控制線(nSS)與外圍設(shè)備進(jìn)行通信。處理器帶有增強型ARM架構(gòu)內(nèi)存管理單元(MMU)，支持Linux及Windows CE等多任務(wù)操作系統(tǒng)，可擴(kuò)展能力強。

1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1256

ADS1256是24位八通道Sigma-Delta(Σ-Δ)高分辨率低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。ADS1256通過串行總線SPI與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，簡化了接口電路設(shè)計。芯片支持對PGA(可編程增益放大器)設(shè)置所造成的偏移與增益誤差進(jìn)行自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)。芯片帶有通用數(shù)字I/O口和可編程時鐘輸出。

1.3 穩(wěn)壓芯片LM285D-2.5

LM285D-2.5是低動態(tài)阻抗、低溫度系數(shù)和低噪聲的電壓基準(zhǔn)芯片。設(shè)計中LM285D-2.5的電源電壓為5.0V，輸出電壓2.5V，為ADS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換提供穩(wěn)定的參考電壓。

1.4 接口電路

實際工程中需采集氣密性檢測系統(tǒng)中的壓差信號和壓力信號。差壓傳感器和壓力傳感器輸出的模擬信號由ADS1256轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后通過SPI接口傳入S3C2440A。ADS1256屬于高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其外圍電路設(shè)計需要尤其注意以保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度。ADS1256外圍電路和S3C2440A的接口電路如圖1所示，ADS1256除了包含標(biāo)準(zhǔn)SPI總線的信號線SCLK、DIN、DOUT、CS外，還帶有指示數(shù)據(jù)是否已轉(zhuǎn)換好的標(biāo)志信號線DRDY(低有效)與串口配合使用。MCU可以把DRDY作為外部中斷源信號，或者通過查詢方式訪問ADS1256狀態(tài)寄存器中的DRDY位來判斷是否有數(shù)據(jù)可讀。此處ADS1256的信號線SCLK、DIN、DOUT、CS、DRDY分別接S3C2440A的信號線SPICLK0、SPIMOSI0、SPIMISO、nSS0、EINT0。LM285D-2.5與ADS1256的連接電路如圖2所示。LM285D-2.5的輸出VREFN和VREFP為ADS1256數(shù)模轉(zhuǎn)換提供穩(wěn)定的2.5V工作電壓。

圖1 ADS1256外圍電路和S3C2440A的SPI接口電路

圖2 LM285D-2.5與ADS1256的連接電路

2 設(shè)備驅(qū)動程序

設(shè)備驅(qū)動程序是連接應(yīng)用程序和實際硬件的紐帶，它使得應(yīng)用軟件只需要調(diào)用操作系統(tǒng)的應(yīng)用編程接口(API)就可讓硬件完成要求的工作。Linux的外設(shè)分為3類：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)接口[1]。模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1256屬于字符型設(shè)備，字符型設(shè)備是使用最廣泛的一類外設(shè)。筆者選用Linux2.6.32.2為嵌入式操作系統(tǒng)，arm-linux-gcc 4.4.3交叉編譯器用于編譯生成目標(biāo)驅(qū)動程序。Linux給用戶提供了兩種開發(fā)設(shè)備驅(qū)動的方式：設(shè)計成可加載模塊和直接編譯到Linux內(nèi)核中。前者適合驅(qū)動處于開發(fā)調(diào)試的階段，驅(qū)動開發(fā)采用模塊化思想，使得不需要修改內(nèi)核代碼，單獨編譯所開發(fā)的驅(qū)動模塊即可，可以使用命令insmod和rmmod動態(tài)加載和卸載驅(qū)動。后者適合驅(qū)動功能已經(jīng)調(diào)試成功的階段，直接編譯進(jìn)內(nèi)核后，該驅(qū)動就能隨機啟動，應(yīng)用程序可以直接調(diào)用相應(yīng)的接口以操作硬件。為方便調(diào)試，筆者使用前者。

2.1 初始化和退出函數(shù)

在加載驅(qū)動程序時，系統(tǒng)將首先調(diào)用驅(qū)動的入口函數(shù)即初始化函數(shù)，完成存儲空間分配、SPI0配置和字符設(shè)備注冊工作。初始化流程如圖3所示。

圖3 初始化流程

部分程序如下：

static int __init ads1256_spi0_init(void)

{

int ret;

spi_gpacon=ioremap(0x56000000, 4); //以下采用ioremap函數(shù)實現(xiàn)重定向功能，使定義的指針指向相應(yīng)的寄存器

…

s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPE(11), S3C2410_GPE11_SPIMISO0); //設(shè)置SPI0端口

…

*spi_sppin0 = (0<<2) | (1<<1) | (0<<0) ; //配置SPI0的相關(guān)寄存器

…

*spi_clkcon |= (1<<18); //使能SPI時鐘

ret = register_chrdev(ADS1256_MAJOR, DEVICE_NAME, &ads1256_spi0_fops); //調(diào)用函數(shù)register_chrdev進(jìn)行設(shè)備注冊

…

}

在Linux下，無論是用戶程序還是內(nèi)核程序，都不能直接訪問物理內(nèi)存，必須先通過函數(shù)ioremap()把物理地址映射成相應(yīng)的虛擬地址，再通過虛擬地址來對內(nèi)存進(jìn)行訪問[2]。所以在ads1256_spi0_init中，首先完成SPI0配置寄存器的地址映射。其次完成SPI0端口和工作模式寄存器的設(shè)置。最后調(diào)用函數(shù)register_chrdev完成字符設(shè)備的注冊。退出函數(shù)static void _exit ads1256_spi0_exit(void)主要負(fù)責(zé)完成與初始化函數(shù)相反的操作，包括使用函數(shù)unregister_chrdev注銷設(shè)備和使用函數(shù)iounmap取消地址映射。

2.2 文件操作

結(jié)構(gòu)體file_operations中的成員全部是函數(shù)指針。這些函數(shù)指針?biāo)赶虻暮瘮?shù)就是驅(qū)動程序與Linux內(nèi)核的接口，是用戶空間對Linux進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用最終的落實者[3]。編寫字符設(shè)備驅(qū)動程序的主要任務(wù)就是實現(xiàn)file_operations結(jié)構(gòu)體中函數(shù)指針?biāo)赶虻暮瘮?shù)[4]。Linux內(nèi)核提供了功能豐富的接口函數(shù)，如open、write及ioctl等，設(shè)計驅(qū)動程序時只要實現(xiàn)實際需要的接口函數(shù)，其他未實現(xiàn)的部分不對驅(qū)動程序造成影響。

本驅(qū)動程序定義的file_operations為：

static struct file_operations ads1256_spi0_fops = {

.owner=THIS_MODULE,

.open=ads1256_spi0_open,

.write=ads1256_spi0_write,

.read=ads1256_spi0_read,

.release=ads1256_spi0_close,

}

函數(shù)ads1256_spi0_open和ads1256_spi0_close分別用于打開和關(guān)閉ADS1256設(shè)備，將模塊的使用計數(shù)加1和減1；ads1256_spi0_write用于向ADS1256寄存器組發(fā)送設(shè)置參數(shù)以控制設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模式，如PGA、數(shù)據(jù)輸出速率及是否自校準(zhǔn)等；ads1256_spi0_read用于讀取指定采集通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

2.3 寫函數(shù)

讀寫設(shè)備時需要在內(nèi)核地址空間和用戶地址空間之間傳輸數(shù)據(jù)。在Linux中，跨空間復(fù)制是通過定義在里的特殊函數(shù)實現(xiàn)的[7]。

在本驅(qū)動程序中，用戶程序通過函數(shù)static ssize_t ads1256_spi0_write(struct file *filp, const char *buf, size_t count, loff_t *f_ops)實現(xiàn)對ADS1256的配置。在該函數(shù)中通過copy_from_user(dataTx, buf, count)把用戶空間的設(shè)置參數(shù)buf復(fù)制到內(nèi)核空間的dataTx中，然后在SPI0狀態(tài)寄存器的數(shù)據(jù)發(fā)送/接收準(zhǔn)備位為1時，將dataTx寫入SPI0的發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器中以實現(xiàn)對ADS1256工作模式的設(shè)置。

函數(shù)的關(guān)鍵代碼如下：

if(copy_from_user(dataTx, buf, count))

{

return-EFAULT;

}

*spi_gpgdat &= ～(1<<2); //使能ADS1256

udelay(500); //等待ADS1256穩(wěn)定

for(x = 0; x

{

while(!(*spi_spsta0&0x01)); //SPI0是否準(zhǔn)備好發(fā)送/接收數(shù)據(jù)？

*spi_sptdat0 = dataTx[x];

udelay(8);

}

*spi_gpgdat |= (1<<2); //停用 ADS1256

2.4 讀函數(shù)

本驅(qū)動中的函數(shù)static ssize_t ads1256_spi0_read(struct file *filp,char *buf,size_t count,loff_t *f_ops)實現(xiàn)接收ADS1256的轉(zhuǎn)換結(jié)果。因為S3C2440A的SPI接收寄存器為8位移位寄存器，要接收24位的ADS1256轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，需要分3次順序讀取SPI0的接收數(shù)據(jù)寄存器。函數(shù)copy_to_user(buf, dataRx, count)負(fù)責(zé)把內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)dataRx復(fù)制到用戶空間的buf中。

函數(shù)的關(guān)鍵代碼如下：

*spi_gpgdat &= ～(1<<2); //使能 ADS1256

udelay(500); //等待ADS1256穩(wěn)定

for(x = 0; x

{

while(!(*spi_spsta0&0x01)); // SPI0是否準(zhǔn)備好發(fā)送/接收數(shù)據(jù)？

dataRx[x] = *spi_sprdat0;

*spi_sptdat0 = 0xFF;

}

*spi_gpgdat |= (1<<2); //停用ADS1256

copy_to_user(buf, dataRx, count);

2.5 驅(qū)動模塊編譯和加載

完成驅(qū)動源程序后需要編寫Makefile文件用于編譯驅(qū)動模塊，Makefile的作用是制定Linux內(nèi)核編譯設(shè)備驅(qū)動程序的規(guī)則，如指定Linux的內(nèi)核版本、驅(qū)動源文件所在的目錄及目標(biāo)驅(qū)動的名稱等。本項目使用的Makefile文件格式如下：

KERN_DIR = /opt/FriendlyARM/mini2440/linux-2.6.32.2 //編譯驅(qū)動所需的內(nèi)核版本

all:

make -C S|(KERN_DIR) M=′pwd′ modules //使用KERN_DIR中的Makefile編譯當(dāng)前目錄下的驅(qū)動源文件

obj-m+= ads1256_drv.o //編譯生成目標(biāo)驅(qū)動模塊ads1256_drv

編譯完成驅(qū)動程序后，在控制臺輸入insmod ads1256_drv.ko加載ADS1256驅(qū)動模塊。Linux將實際的外圍硬件在內(nèi)核中映射為相應(yīng)的設(shè)備節(jié)點，使用戶程序控制實際硬件如同操作普通文件，輸入命令mknod /dev/ads1256_spi0 c 153 0創(chuàng)建ADS1256的字符設(shè)備節(jié)點，這里c代表此驅(qū)動程序是字符型設(shè)備驅(qū)動，153是主設(shè)備號，0是次設(shè)備號。應(yīng)用程序通過open("/dev/ads1256_spi0",O_RDWR | O_NOCTTY)打開設(shè)備，調(diào)用驅(qū)動程序提供的接口函數(shù)即可對ADS1256進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作。

圖4為ADS1256驅(qū)動模塊加載后控制臺的輸出結(jié)果。

圖4 ADS1256驅(qū)動模塊加載測試結(jié)果

由圖4可知，在加載模塊后，Linux依次正確地完成了寄存器映射、SPI0配置和驅(qū)動模塊注冊，輸入命令lsmod可以查詢到該驅(qū)動。

3 驅(qū)動在氣密性檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用

將驅(qū)動應(yīng)用在氣密性檢測系統(tǒng)中，ADS1256接壓力傳感器和差壓傳感器進(jìn)行工程測試。以壓力傳感器信號采集為例說明驅(qū)動測試情況，壓力傳感器采用Huba 511型陶瓷壓力傳感器，24V直流供電，采集的氣壓量程為0～1MPa。壓力傳感器的4～20mA電流信號，通過250Ω精密電阻轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的1～5V電壓信號。ADS1256輸入電壓量程為0～5V，24位分辨率對應(yīng)的輸出值為0～16 777 215。在控制臺輸入命令./ads1256_test，開始運行工程測試程序。筆者設(shè)置采樣周期為1s，采樣10次，采樣結(jié)果如圖5所示，計算得到采樣平均值為11 817 308，對應(yīng)的測試氣壓為630.458kPa，與數(shù)字壓力表測量的630.500kPa相符，ADS1256驅(qū)動成功。

圖5 采樣通道的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果

4 結(jié)束語

設(shè)計了微處理器S3C2440A和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1256之間的硬件接口電路，詳細(xì)介紹了在嵌入式操作系統(tǒng)Linux 2.6.32.2下基于SPI總線的ADS1256驅(qū)動程序的實現(xiàn)過程。將ADS1256應(yīng)用在氣密性檢測系統(tǒng)中，測試得到正確可靠的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，表明硬件設(shè)計正確，驅(qū)動工作正常，為高精度多通道數(shù)據(jù)采集的嵌入式系統(tǒng)提供了一種解決方案。

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[2] 尉軍軍.基于嵌入式系統(tǒng)的電流互感器準(zhǔn)確度測試儀的設(shè)計與實現(xiàn)[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2010:56～60.

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