DAC7714在嵌入式激光跟蹤儀中的應(yīng)用

呂志剛，王 鵬

（西安工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710032）

設(shè)備驅(qū)動程序在Linux內(nèi)核中占有極其重要的位置，在一個嵌入式系統(tǒng)中，除了CPU、內(nèi)存以及其他很少的幾個部件以外，所有的設(shè)備控制操作都必須由驅(qū)動程序來完成[1-2]。系統(tǒng)設(shè)計者必須為系統(tǒng)中的每個外設(shè)開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動程序，否則設(shè)備無法在Linux下正常工作。

在基于AT91RM9200處理器的某嵌入式激光跟蹤儀中，為了實現(xiàn)目標(biāo)的快速、平穩(wěn)跟蹤，需要控制兩路電機，即：方位電機、俯仰電機。其原理如下：通過不斷讀取兩路角度編碼器的數(shù)據(jù)，計算出兩路電機實際角度與期望角度的偏差，利用反饋控制的原理，驅(qū)動兩路電機跟蹤目標(biāo)。兩路電機的控制電壓為5V時，電機停止不動；控制電壓為0V時，電機以最大速度順時針旋轉(zhuǎn)；控制電壓為10V時，電機以最大速度逆時針旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)上述控制要求，選擇4通道12位的串行DA轉(zhuǎn)換器——DAC7714轉(zhuǎn)換器作為兩路電機的控制驅(qū)動芯片。該芯片在嵌入式Linux系統(tǒng)下驅(qū)動程序的優(yōu)劣，將直接決定整個儀器的跟蹤效果，也是嵌入式開發(fā)的需要解決的基本問題之一。

1 概 述

DAC7714是美國TI公司推出的一款4通道12位串行輸入、電壓輸出型DA轉(zhuǎn)換器。其供電電壓為±15 V，可以實現(xiàn)輸出自動保持，采用此串口芯片除了具有節(jié)省單片機資源的優(yōu)點外，還具有同時輸出多路0～10 V（參考電壓為+10 V和0 V），特別適用于MCU資源緊缺而控制通道比較多的場合[3]。

DAC7714性能特點：

1）12位分辨率，串行接口；

2）功耗僅為250 mW；

3）4個模擬輸出通道，電壓輸出；

4）線性誤差±1LSB；

5） 支持單極性（0～10 V）或雙極性（-10 V～+10 V）輸出；

6）自動輸出保持；

7）復(fù)位信號可選，不同復(fù)位方式具有不同初始值。

2 硬件設(shè)計

嵌入式激光跟蹤儀硬件比較復(fù)雜，這里進介紹與電機驅(qū)動相關(guān)的DAC7714與AT91RM9200的硬件連接部分。由于實際使用時的電機功率較大，需要在DAC7714的兩路輸出再加一級驅(qū)動電路才能真正驅(qū)動電機。

2.1 DAC7714引腳及功能

DAC7714為SOJ16封裝，具體引腳及功能介紹如下：

VOUTA～VOUTD：4 個模擬量輸出

CS：片選端，低電平有效

CLK：串行數(shù)據(jù)時鐘端

VCC：正電源，通常為+15 V

VSS：負(fù)電源，通常為0或-15 V

GND：地

VREFL：模擬輸出電壓參考（下限）

VREFH：模擬輸出電壓參考（上限）

SDI：串行數(shù)據(jù)輸入

LOADDACS：轉(zhuǎn)換結(jié)束判斷位

RESET和RESETSEL：芯片復(fù)位設(shè)置位

2.2 DAC7714硬件設(shè)計

DAC7714硬件設(shè)計比較簡單，其可編程引腳RESET、LOADDACS 、CS 、CLK、SDI分 別 與 AT91RM9200的 IO 口PA0-PA1、PA3-PA5連接，為下一步驅(qū)動程序開發(fā)打下基礎(chǔ)；其 VOUTA、VOUTB接兩路電機的控制信號；VREFL接地，VREFH接+10 V，使用單極性接法。其具體連接如圖1所示。

圖1 DAC7714硬件設(shè)計Fig.1 Hardware design for DAC7714

3 驅(qū)動程序設(shè)計

驅(qū)動程序的目的是驅(qū)動硬件正常工作，所以編寫驅(qū)動程序要針對特定的硬件來進行[4]。在嵌入式激光跟蹤儀中，需要編寫DAC7714的驅(qū)動程序，內(nèi)核將以設(shè)備節(jié)點的形式調(diào)用、管理該芯片。DAC7714屬于串行DA轉(zhuǎn)換器，需要根據(jù)其工作時序圖，控制AT91RM9200的上述引腳，模擬其工作時序，在內(nèi)核Linux-2.4.19中完成驅(qū)動程序的設(shè)計。

3.1 DAC7714工作時序圖

DAC7714完成一次數(shù)模轉(zhuǎn)換，需要在CS為低電平期間，在CLK的上升沿，串行輸出16位數(shù)據(jù)到SDI[5]。16位數(shù)據(jù)中，前兩位A1和A0的組合將決定對某一通道進行轉(zhuǎn)換輸出（00-A通道、01-B通道、10-C通道、11-D通道），接下來兩位為無效位，最后的12位數(shù)據(jù)即真正需要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。其工作時序圖如圖2所示。

圖2 DAC7714工作時序Fig.2 DAC7714 timing

3.2 驅(qū)動程序組成

DAC7714驅(qū)動程序作為設(shè)備文件，同樣分為open、write、release等幾個操作[6]。對于內(nèi)核來說，DAC7714屬于字符型設(shè)備，并為該設(shè)備命名為Name[]=“DAC7714drv”。該模塊在使用時采用insmod命令進行動態(tài)加載，使用rmmod命令進行動態(tài)卸載。DAC7714驅(qū)動程序主要由注冊函數(shù)、注銷函數(shù)、初始化函數(shù)、DA輸出函數(shù)構(gòu)成。

用戶在使用insmod命令加載模塊時，實際調(diào)用的是以下注冊函數(shù)：

應(yīng)用程序中使用open函數(shù)打開DAC7714設(shè)備時，實際調(diào)用以下函數(shù)完成對控制器相應(yīng)引腳的初始化操作（以PA0連接RESET為例介紹）：

應(yīng)用程序使用write函數(shù)操作DAC7714時，實際調(diào)用如下函數(shù)對其輸出進行控制：

在DAC7714_write函數(shù)中，控制AT91RM9200的PA0-PA5引腳電平，模擬圖2的時序完成DA輸出，其流程圖3所示。

圖3 DAC7714工作流程圖Fig.3 Flow chart of DAC7714

4 測試程序設(shè)計

在測試程序中，實現(xiàn)對DAC7714的4路輸出分別進行測試。測試方法是，對于指定的數(shù)字量，通過萬用表或示波器測量DAC7714相應(yīng)通道的電壓輸出值，若該值與理論值一致，則表明驅(qū)動程序正確。

首先調(diào)用open函數(shù)打開DAC7714設(shè)備，然后控制數(shù)字量從0依次加1，并結(jié)合通道號生成DAC7714所能識別的控制數(shù)字量，然后調(diào)用write函數(shù)控制輸出，當(dāng)控制數(shù)字量達(dá)到最大值時，切換下一通道。測試程序主要代碼如下。

5 結(jié) 論

文中給出了DAC7714硬件設(shè)計方案，在AT91RM9200+嵌入式Linux環(huán)境下，詳細(xì)介紹了基于其驅(qū)動程序和測試程序的設(shè)計方法，揭示了嵌入式[7]開發(fā)的一般規(guī)律。在實際測試過程中，將4路通道的實際輸出電壓與理論電壓進行了比較，誤差最大為0.1%，完全能夠滿足激光跟蹤的要求。

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