基于s3c2410和嵌入式Linux的D/A轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

1 引言

在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，特別是智能儀器、儀表、機(jī)電設(shè)備及裝置控制中，需要使用A/D轉(zhuǎn)換將模擬的電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，而后再將處理的結(jié)果通過D/A轉(zhuǎn)換為模擬量實(shí)現(xiàn)對被控過程和對象的控制[1]。

基于ARM920T內(nèi)核的s3c2410是一款低功耗，高性價(jià)比的處理器[2]。這款處理器內(nèi)部集成了多種控制接口，自帶8路10位的A/D轉(zhuǎn)換器[3]，用于支持對于觸摸屏輸入的控制，而且足以滿足外部模擬量采集的需要，但是s3c2410內(nèi)部沒有集成D/A轉(zhuǎn)換器，因此在上述應(yīng)用中，就需要采用獨(dú)立的D/A轉(zhuǎn)換芯片與s3c2410配合，滿足應(yīng)用的需要。而MAX504一款通用的10位串行D/A轉(zhuǎn)換器，可以滿足一般應(yīng)用對于分辨率和精度的要求，并且采用串行通信，芯片面積小，占用的處理器管腳數(shù)少，因此本文中以s32410外接MAX504，并基于Linux操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的功能。

2 系統(tǒng)硬件電路

2.1 10位的D/A轉(zhuǎn)換器MAX504[4]

MAX504是MAXIUM公司推出的低功耗，電壓輸出，10位串行數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換芯片，支持+5V單供電和±5V雙供電方式，并且該芯片對于包括偏移、增益和線性誤差在內(nèi)的各項(xiàng)誤差均以調(diào)整，所以應(yīng)用非常簡單，不需要再度校正。

MAX504采用的是三線串行接口，與SPI，QSPI和Microwire標(biāo)準(zhǔn)均兼容。MAX504可通過寫入兩個(gè)8位長的數(shù)據(jù)進(jìn)行編程，其寫入的先后順序?yàn)椋?個(gè)填充位，10個(gè)數(shù)據(jù)位和最低兩位的0。此處，最高4位的填充位只有當(dāng)MAX504采用菊花鏈方式連接時(shí)必須寫入，而最低的兩位0則一定需要寫入。當(dāng)且僅當(dāng)CS片選有效時(shí)，數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿逐位打入片內(nèi)的16位移位寄存器，并在CS上升沿，將有效的10位數(shù)據(jù)（第2~第11位）傳送到D/A轉(zhuǎn)換寄存器中，修改原寄存器內(nèi)容。

MAX504芯片為14管腳的DIP或者SO封裝形式，除電源和地管腳外，管腳可以分為兩組，一組與處理器相連接，另一組管腳的不同連接可以改變MAX504的工作模式。

MAX504具有三種工作模式，分別是單極性輸出，雙極性輸出和四象限乘法器。通過將MAX504的REIN,VOUT ,BIPOFF和RFB幾個(gè)管腳的不同連接方式，可以根據(jù)需要將MAX504定義為需要的工作模式。

2.2 MAX504與S3c2410的連接

MAX504與處理器之間可以使用SPI，QSPI和Microwire中的任何一種串行通信方式，而s3c2410帶有兩個(gè)SPI接口，所以MAX504與s32410之間通過SPI進(jìn)行連接非常方便。電路如圖所示

圖2.1 電路連接原理圖

MAX504與處理器連接的主要管腳有四個(gè)，分別是：

(1) DIN―數(shù)據(jù)輸入端，該管腳用于接收串行通信數(shù)據(jù)信號(hào)，直接與s3c2410的MOSI管腳連接即可。MOSIn(n可以為0或1，分別對應(yīng)兩個(gè)SPI口)管腳，s3c2410作為SPI串行通信的主模塊使用，該管腳由s3c2410輸出信號(hào)，MAX504作為通信的從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。

(2) SCLK―串行時(shí)鐘輸入端，該管腳用于接收串行通信的時(shí)鐘信號(hào)，以便串行通信過程中的通信雙方的同步，直接與s3c2410的SPI時(shí)鐘輸出管腳SPICLK連接即可。

(3) CS―片選管腳，該管腳為低電平有效，只有當(dāng)CS有效時(shí)，MAX504接收數(shù)據(jù)，并在CS失效時(shí)，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。本電路中，使用s3c2410的一根外部I/O管腳進(jìn)行控制。

(4) CLR―清除端，該管腳也是低電平有效，可將MAX504的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寄存器復(fù)位清零，本電路，使用s3c2410的另一個(gè)外部I/O腳進(jìn)行控制。

該電路中，采用的是單極性工作模式，輸出電壓范圍為0~2VREF，參考電壓VREF由片內(nèi)電路形成，為2.048V，故該電路的輸出電壓范圍為0~4.096V。

3 系統(tǒng)的編程實(shí)現(xiàn)

3.1 嵌入式Linux簡介

目前嵌入式系統(tǒng)為了更好的適應(yīng)高效，穩(wěn)定，可移植的需要，廣泛地應(yīng)用了嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行資源管理。Linux因其開放性特點(diǎn)，成為在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的操作系統(tǒng)。嵌入式Linux包括RT-linux,µClinux以及ARM處理器使用的ARM-Linux等多種適應(yīng)不同應(yīng)用需要的版本。

ARM-Linux將Linux內(nèi)核移植到各種ARM處理器上，因此，在開發(fā)基于ARM處理器的應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，如果對于實(shí)時(shí)性的要求不是很嚴(yán)格，且處理器又支持MMU時(shí)，采用ARM-Linux作為操作系統(tǒng)可以縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

3.2 D/A驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

考慮到一個(gè)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，不僅僅包含A/D，D/A轉(zhuǎn)換，還包括其他，如通信，顯示，輸入等等功能，所以在實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換功能時(shí)，是基于嵌入式操作系統(tǒng)的，以嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)。嵌入式Linux在操作外設(shè)時(shí)，將外設(shè)分為三種類型的設(shè)備進(jìn)行操作，即：字符型、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備[5]。在支持D/A操作時(shí)，將D/A設(shè)備作為字符型設(shè)備，需要編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。

驅(qū)動(dòng)程序s3c2410-da.h>主要包含的內(nèi)容就是對文件結(jié)構(gòu)體open, ctrl,realse的重定向函數(shù)的編寫，即定向?yàn)閟3c2410_da_open,s3c2410_da_ctrl,s3c2410_da_close。這三個(gè)函數(shù)的作

用分別為：

（1）s3c2410_da_open：所做的工作非常簡單，就是增加模塊使用的計(jì)數(shù)值，通過該值可以體現(xiàn)邏輯上當(dāng)先打開da端口的任務(wù)數(shù)。

（2）s3c2410_da_close：該函數(shù)進(jìn)行的處理與open剛好相反，將模塊使用計(jì)數(shù)值減一，表明使用結(jié)束。

圖3.1 驅(qū)動(dòng)核心函數(shù)s3c2410_da_ctrl流程圖

（3）s3c2410_da_ctrl：該函數(shù)為核心函數(shù)，函數(shù)定義為static int s3c2410_exio_ioctl (struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)，函數(shù)功能為：由cmd參數(shù)指出D/A操作類型，arg為操作使用的參數(shù)，根據(jù)cmd和arg，可以根據(jù)通道號(hào)，對多個(gè)D/A通道進(jìn)行清空操作和數(shù)據(jù)寫入操作。

函數(shù)流程如圖3.1所示，應(yīng)用程序進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用后，進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，運(yùn)行該函數(shù)實(shí)現(xiàn)對DA的操作，DA_ENABLE，使能s3c2410用于控制Max504的外部I/O,使CS低電平有效，選中D/A。之后，根據(jù)cmd指定的操作類型，對不同的D/A設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送操作和寄存器清空操作。對D/A的數(shù)據(jù)寫入，這里是通過s3c2410的SPI口進(jìn)行的，s3c2410的兩個(gè)SPI口，在D/A應(yīng)用中，需要操作的SPI寄存器主要是SPICON和SPITDAT，設(shè)置SPICON，使s3c2410工作于主模式，將發(fā)送給MAX504進(jìn)行轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)寫入SPITDAT，SPITDAT為8位的寄存器，而MAX504是10位D/A轉(zhuǎn)換器，所以需要發(fā)送兩次，并且MAX504接收的16位數(shù)據(jù)，要求最低兩位一定為00。數(shù)據(jù)經(jīng)SPI傳送后，MAX504并不立即進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，而是在CS片選上升沿才開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，DA_DISABLE的作用就是使s3c2410連接MAX504-CLR管腳的外部I/O端失效，此時(shí)D/A開始進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束。

將寫好的驅(qū)動(dòng)程序庫，進(jìn)行加載，加載到Linux核中，應(yīng)用程序就可以像操作文件一樣操作D/A設(shè)備了。

3.3應(yīng)用程序設(shè)計(jì)示例

有了底層驅(qū)動(dòng)的支持，用戶可以根據(jù)自己的需要編寫D/A轉(zhuǎn)換應(yīng)用程序，而不需要關(guān)心MAX504和s3c2410的硬件特征，這樣就使的應(yīng)用程序的編寫非常的簡單。這里以一個(gè)簡單的應(yīng)用程序?yàn)槔f明其程序編寫方法，流程圖如圖所示。該應(yīng)用程序，可以根據(jù)用戶輸入的D/A轉(zhuǎn)換器的編號(hào)和電壓，由MAX504的Vout管腳輸出該電壓。

首先，由于按上述電路，MAX504的滿量程輸出電壓為4.096V，所以用戶要求輸出的電壓應(yīng)在該范圍內(nèi)，將用戶輸入的電壓值，用下面語句轉(zhuǎn)換為數(shù)字量：

value=(unsigned int)((v*1024.0f)/Max504_FULL);

得到D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)字量后，調(diào)用ioctl，首先將指定D/A的寄存器清空：

ioctl(da_fd, DA_IOCTRL_CLR, 0);//清D/A0

而后調(diào)用ioctl，對待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換：

ioctl(da_fd, DA0_IOCTRL_WRITE, value);

轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將設(shè)備釋放即可。

圖3.2 應(yīng)用程序流程圖

4結(jié)束語

本文針對主流嵌入式處理器-基于ARM920T內(nèi)核的s3c2410，以D/A小型外設(shè)實(shí)際開發(fā)過程為引，在硬件連接電路的基礎(chǔ)上，詳細(xì)地說明了嵌入式Linux操作系統(tǒng)的外設(shè)驅(qū)動(dòng)開發(fā)方法，給出了基于該處理器和Linux操作系統(tǒng)的外設(shè)驅(qū)動(dòng)開發(fā)流程，既可直接用于工程應(yīng)用，同時(shí)又為其他嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。