串口AD嵌入式Linux驅(qū)動實(shí)現(xiàn)

楊小容，陳建政

（西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

1 引 言

Linux操作系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，與其具有的良好特性是分不開的。Linux是一種性能優(yōu)良、源碼公開、多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)，目前主要運(yùn)用在大型服務(wù)器領(lǐng)域、網(wǎng)絡(luò)處理應(yīng)用和嵌入式系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代智能設(shè)備的不斷升級換代,基于ARM等嵌入式系統(tǒng)等的32位機(jī)智能系統(tǒng)在現(xiàn)代生活中的地位也越來越重要。為了加強(qiáng)在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的優(yōu)勢，Linux2.6已經(jīng)在內(nèi)核中加入了提高中斷性能和調(diào)度響應(yīng)時(shí)間的改進(jìn)，包括采用可搶占內(nèi)核、效率更高的調(diào)度算法和同步特性。另外，Linux2.6內(nèi)核加入了包括S3C2440X在內(nèi)的多種微控制器的支持，并開始支持多種流行的無MMU單元的微控制器，如Dragonball、ColdFire、Hitachi H8/300。掌握嵌入式Linux驅(qū)動開發(fā)及AD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)高速、可靠的數(shù)據(jù)采集理念，并可將其用于高速列車的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

2 硬件說明

2.1 ARM微處理器S3C2440

S3C2440是三星公司推出的采用RISC結(jié)構(gòu)的16/32位微處理器。它基于ARM920T內(nèi)核，采用五級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，開發(fā)板布局簡潔明了，外設(shè)齊全，接口標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)展方便。最高頻率可達(dá)400MHz，低功耗，高性能，適合于PDA、便攜媒體播放器、衛(wèi)星導(dǎo)航儀等多媒體終端。文件系統(tǒng)采用YAFFS文件系統(tǒng)，YAFFS類似于JFFS/JFFS2，是專門為NAND閃存設(shè)計(jì)的嵌入式文件系統(tǒng)，適用于大容量的存儲設(shè)備[1-2]。

S3C2440有2個(gè)SPI口，可實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)SPI接口各有2個(gè)移位寄存器分別負(fù)責(zé)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)是同步進(jìn)行的，傳送的頻率可由相應(yīng)的控制寄存器設(shè)定。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，一個(gè)SPI系統(tǒng)作為“主機(jī)”控制數(shù)據(jù)流，其他SPI作為“從機(jī)”，主機(jī)控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出。S3C2440的SPI口包括2條數(shù)據(jù)線及2條控制線：

主機(jī)輸出從機(jī)輸入（SPIMOSI）：數(shù)據(jù)線將主機(jī)輸出數(shù)據(jù)作為從機(jī)輸入。

主機(jī)輸入從機(jī)輸出（SPIMISO）：數(shù)據(jù)線將從機(jī)輸出作為主機(jī)輸入。傳輸時(shí)，只有單從機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。

串行時(shí)鐘（SPICLK）：控制線由主機(jī)驅(qū)動，用來調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)流。主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)波特率可變，傳輸一位，產(chǎn)生一個(gè)SPICLK周期。

從機(jī)選擇（NSS）：控制線允許硬件開關(guān)從機(jī)。可與譯碼器結(jié)合控制多個(gè)外設(shè)。

該文采用 MISO，MOSI，SPICLK0 作為 SPI通信信號，NSS0作為TLC2543的片選信號。如圖1所示為S3C2440與TLC2543的接口電路圖。

圖1 S3C2440與TLC2543的連接圖

2.2 TLC2543引腳及原理

TLC2543是TI公司生產(chǎn)的一種12位開關(guān)電容逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器[2-5]。芯片共有11個(gè)模擬輸入通道（AIN0～AIN10）。芯片的三個(gè)控制端串行三態(tài)輸出數(shù)據(jù)端（DATA OUTPUT）、輸入數(shù)據(jù)端（DATA INPUT）、輸入/出時(shí)鐘（I/O CLOCK）能形成與微處理器之間數(shù)據(jù)傳輸較快和較為有效的串行外設(shè)接口（SPI）。片內(nèi)具有一個(gè)14通道多路選擇器用于在11個(gè)模擬輸入通道和3個(gè)內(nèi)部自測試（SELl-TEST）電壓中任選一個(gè)?？赏ㄟ^對其8位內(nèi)部控制寄存器進(jìn)行編程完成通道的選擇，并可對輸出結(jié)果的位數(shù)、MSB/LSB導(dǎo)前和極性進(jìn)行選擇。如圖2是TLC2543時(shí)序圖（MSB FIRST），TLC2543在程序中定義16位輸出，但實(shí)際轉(zhuǎn)換結(jié)果仍為12位，只不過在數(shù)據(jù)傳送過程中4個(gè)LSB位被置為0。

TLC2543的片選信號CS變低時(shí)開始轉(zhuǎn)換和傳送過程，I/O CLOCK的前8個(gè)上升沿將8個(gè)輸入數(shù)據(jù)位鍵入輸入數(shù)據(jù)寄存器，同時(shí)它將前一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的其余11位移出DATA OUT端。TLC2543收到4個(gè)時(shí)鐘信號后，開始對選定的通道的模擬量進(jìn)行采樣。并保持到第16個(gè)時(shí)鐘的下降沿，之后開始對采樣的模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，大約需10 μs，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)保存在輸出數(shù)據(jù)寄存器中待下一個(gè)工作周期輸出。

3 設(shè)備驅(qū)動程序

設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口，它為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，這樣在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件。應(yīng)用程序可以和操作普通文件一樣，只需要進(jìn)行文件的打開、讀寫和關(guān)閉等操作，就能控制底層的具體硬件設(shè)備[6-10]。在Linux操作系統(tǒng)下有三類主要的設(shè)備文件類型，即字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC2543屬于字符設(shè)備類（char device），這也是使用最多的設(shè)備類別。

3.1 A/D模塊的初始化函數(shù)

使用一個(gè)設(shè)備之前要首先對其進(jìn)行初始化，A/D設(shè)備驅(qū)動的初始化函數(shù)AD_init_module(void)主要完成兩個(gè)部分的操作，第一是對A/D的PIO口進(jìn)行初始化設(shè)置，并對SPI的工作方式、各控制寄存器和模式寄存器等配置參數(shù)；第二是完成A/D設(shè)備驅(qū)動程序向Linux內(nèi)核注冊，為其動態(tài)的申請一個(gè)設(shè)備號。

圖2 TLC2543時(shí)序圖（MSB FIRST）

初始化工作首先要對S3C2440的SPI控制器編程，設(shè)置SPI工作方式，完成對控制寄存器SPCON設(shè)置、波特率SPPRE設(shè)置和GPIO口的設(shè)置等。由于在Linux下是不允許對設(shè)備的物理地址進(jìn)行直接訪問的，必須轉(zhuǎn)換為虛擬地址后才能訪問，定義AD_devices=kmalloc（sizeof（structAD_dev），GFP_KERNEL），并動態(tài)分配內(nèi)存 memset（AD_devices，0，sizeof（struct AD_dev））。

設(shè)置完各參數(shù)后還需要將設(shè)備驅(qū)動程序向Linux內(nèi)核注冊，利用函數(shù)int register_chrdev（unsigned int major，constchar*name，struct file_operations*fops）其中：major是感興趣的主編號，name是驅(qū)動的名字（出現(xiàn)在/proc/devices），fops是缺省的 file_operations結(jié)構(gòu)。這樣基本完成了設(shè)備驅(qū)動的初始化函數(shù)。

3.2 設(shè)備操作的具體實(shí)現(xiàn)函數(shù)

該驅(qū)動的工作流程如圖3所示。Linux內(nèi)核是通過一個(gè)file_perations的結(jié)構(gòu)體來組織對設(shè)備操作的具體實(shí)現(xiàn)函數(shù)，結(jié)構(gòu)中的成分幾乎全是函數(shù)指針。包含了驅(qū)動程序提供給應(yīng)用程序訪問硬件設(shè)備的各種方法。每個(gè)成員都對應(yīng)一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，當(dāng)用戶對設(shè)備文件進(jìn)行操作時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用通過設(shè)備文件的主設(shè)備號找到相應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動程序，然后找到file_operations中相應(yīng)的函數(shù)指針，并由該函數(shù)進(jìn)行以下的控制[2-5，11-12]。需要對SPI端口進(jìn)行打開、關(guān)閉、接收、發(fā)送、傳輸數(shù)據(jù)操作，因此定義file_operations結(jié)構(gòu)體如下：

int AD_open（struct inode*inode，struct file*filp）；

int AD_release（struct inode*inode，struct file*filp）；

static ssize_t AD_write （struct file*file，const char*buf，size_t count，loft_t*offset）；

其中讀設(shè)備方法主要實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果輸出到用戶空間中，寫設(shè)備方法則相反，它從用戶空間讀取數(shù)據(jù)，對A/D設(shè)備寫命令字進(jìn)行控制。用戶利用SPI接口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)就會分別調(diào)用AD_write和 AD_read函數(shù)及 AD_convert和 spi_tx_data函數(shù)。AD_read函數(shù)中需要注意參數(shù)buf和count。buf是用戶空間緩沖區(qū)，read調(diào)用的返回?cái)?shù)據(jù)保存在這里。count是指buf空間的大小，用字節(jié)數(shù)表示。當(dāng)S3C2440的狀態(tài)寄存器（在此使用的是GPH的數(shù)據(jù)寄存器GPHDAT）設(shè)置為TXD時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，可以通過 copy_to_usr（buf，from，count）函數(shù)將接收的數(shù)據(jù)傳送給用戶程序。AD_write函數(shù)中的buf和count參數(shù)同AD_read函數(shù)中的說明，可通過copy_from_usr（to，buf，count）函數(shù)接收用戶需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。

文件的打開（AD_open）和關(guān)閉（AD_release）函數(shù)只是將模塊使用計(jì)數(shù)加一、減一。open調(diào)用時(shí)如果返回-1則表示打開設(shè)備文件不成功，close調(diào)用時(shí)只需關(guān)閉open函數(shù)返回的文件描述字所連的設(shè)備即可。

對于A/D轉(zhuǎn)換及其數(shù)據(jù)傳輸，定義：

void AD_convert（void）；

void spi_tx_data（unsigned char data）；

A/D轉(zhuǎn)換函數(shù)AD_convert中首先設(shè)置寄存器為發(fā)送狀態(tài)，調(diào)用spi_tx_data通過中斷方式完成數(shù)據(jù)發(fā)送。S3C2440的SPI接口設(shè)置為中斷傳送模式進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸：int request_irq（unsigned int irq，irqreturn_t（*handler）（int，void*，structpt_regs*），unsignedlongflags，constchar*dev_name，void*dev_id）。

3.3 設(shè)備注銷函數(shù)

與設(shè)備初始化函數(shù)相對應(yīng)，設(shè)備注銷函數(shù)void AD_cleanup_module（void）主要完成釋放內(nèi)存空間、端口等操作，其核心部分是由字符設(shè)備注銷函數(shù)unregister_chrdev （unsigned intmajor，constchar*name）組成的，該函數(shù)完成驅(qū)動程序向Linux內(nèi)核的注銷，當(dāng)設(shè)備驅(qū)動程序注銷以后，內(nèi)核收回所分配的設(shè)備號。

4 驅(qū)動程序的編譯與加載

完成了驅(qū)動程序的編寫，接下來就要對生成的.c文件進(jìn)行編譯。采用Linux中的交叉編譯工具arm-linux-gcc編譯驅(qū)動程序?yàn)槟繕?biāo)文件[1，7-10]。驅(qū)動代碼完成后，需要編寫一個(gè)makefile：

執(zhí)行make命令后，生成ad.ko。啟動開發(fā)板后，在minicom終端下進(jìn)入開發(fā)板/tmp目錄，執(zhí)行rz命令，將ad.ko發(fā)送到目標(biāo)板上。隨后執(zhí)行動態(tài)加載命令：

#insmod ad.ko

這時(shí)可以用命令lsmod查看動態(tài)加載模塊：

#lsmod

為了正確使用設(shè)備驅(qū)動程序，必須先創(chuàng)建設(shè)備文件，可以用mknod命令來把設(shè)備映射為一個(gè)設(shè)備文件，用戶的應(yīng)用程序就可以像操作標(biāo)準(zhǔn)文件那樣來訪問硬件設(shè)備了：

#mkmod/dev/ad c major minor

c是指字符設(shè)備，major是主設(shè)備號，minor為次設(shè)備號。

至此，完成了SPI設(shè)備TLC2543的驅(qū)動程序的開發(fā)。配合Linux環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集程序?qū)⑵溆糜诟咚賱榆嚱M，這是傳統(tǒng)的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無法比擬的。

5 結(jié)束語

應(yīng)用帶SPI接口的串行A/D轉(zhuǎn)換器占用較少的微處理器I/O資源，硬件連接簡單，軟件易于實(shí)現(xiàn)，程序運(yùn)行效率高。帶有SPI接口的串行A/D轉(zhuǎn)換器和ARM微處理器的結(jié)合可廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的掌上設(shè)備及其他嵌入式的系統(tǒng)，如醫(yī)療儀器、通信設(shè)備、抄表設(shè)備等領(lǐng)域。

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