摘 要： 首先介紹了MAX1202的基本性能和特點，詳細闡述了MAX1202在嵌入式Linux中驅(qū)動程序的實現(xiàn)方法，最后介紹了編寫應用程序測試驅(qū)動程序的基本方法，為嵌入式Linux系統(tǒng)下的驅(qū)動設(shè)計提供一個模板。
關(guān)鍵詞： MAX1202；驅(qū)動程序；A/D轉(zhuǎn)換；嵌入式Linux
0 引言
科技的進步使智能化設(shè)備越來越多地應用到工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)種植、醫(yī)療衛(wèi)生、航天設(shè)備甚至是居民的日常生活中，智能化設(shè)備要處理一些環(huán)境中的物理量就需要使用相關(guān)傳感器將其轉(zhuǎn)化成電量，如電壓、電流等。但是這些量要送給處理器處理，則必須要通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。
本文中采用MAX1202模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和友善之臂的Micro2440開發(fā)板，開發(fā)板使用三星公司的s3c2440的ARM9微處理器。在Linux系統(tǒng)中開發(fā)MAX1202驅(qū)動程序并編寫應用程序進行驅(qū)動程序的測試。
1 芯片介紹
MAX1202是一款8通道12位串行A/D轉(zhuǎn)換器。串行接口工作頻率最高可以達到2 MHz[1]。工作采用單端+5 V供電或雙端±5 V供電。內(nèi)部有一個8通道的多路轉(zhuǎn)換器、高帶寬的跟蹤/保持電路以及高轉(zhuǎn)換速度和低功耗的串行接口，芯片提供了符合SPI通信標準的SPI接口，以便于編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。
其典型應用電路如圖1所示。
2 驅(qū)動程序設(shè)計
Linux驅(qū)動程序使用module_init宏中所定義的初始化函數(shù)注冊該驅(qū)動及初始化硬件設(shè)備；使用module_exit宏中定義的注銷函數(shù)注銷設(shè)備，釋放相關(guān)資源。
結(jié)構(gòu)struct file_operations列出了設(shè)備驅(qū)動程序可供應用程序調(diào)用的所有函數(shù)。其中的成員都是函數(shù)指針，指向該函數(shù)的入口執(zhí)行位置，當應用程序調(diào)用open、read、write等函數(shù)時，驅(qū)動程序會通過該結(jié)構(gòu)找到對應應該執(zhí)行的M1202函數(shù)，進而根據(jù)傳入的參數(shù)執(zhí)行，以響應應用程序的調(diào)用。驅(qū)動程序的編寫主要就在于file_operations結(jié)構(gòu)體中各驅(qū)動函數(shù)的實現(xiàn)，并不是每一個函數(shù)都要實現(xiàn)[2]，對于不需要實現(xiàn)的函數(shù)可以賦值為空，也可以在函數(shù)實現(xiàn)中直接返回0，或直接調(diào)用系統(tǒng)默認的實現(xiàn)函數(shù)。MAX1202的file_operations結(jié)構(gòu)體定義如下：
static const struct file_operations M1202_fops=
{
.owner=THIS_MODULE，
.open=M1202_open，
.read=M1202_read，
.write=M1202_write，
.ioctl=NULL，
}；
2.1 模塊初始化函數(shù)M1202_init
在驅(qū)動加載時，系統(tǒng)進程會通過module_init（M1202_init）宏找到所定義的驅(qū)動初始化函數(shù)M1202_init（），進行驅(qū)動程序的加載。主設(shè)備號可以自已定義，向函數(shù)MKDEV（M1202_major，0）傳遞主次設(shè)備號產(chǎn)生dev_t類型的devno結(jié)構(gòu)[3]；也可以由alloc_chrdev_region（&devno，0，1，M1202_name）函數(shù)自動分配主設(shè)備號；本例中自己定義主設(shè)備號，然后由register_chrdev_region（devno，1，M1202_name）函數(shù)在Linux中為驅(qū)動程序獲取設(shè)備編號；接著就是向Linux內(nèi)核注冊字符設(shè)備，指出該驅(qū)動可提供給應用程序的接口結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)代碼如下：
cdev_init（&M1202Cdev，&M1202_fops）；
M1202Cdev.owner=THIS_MODULE；
M1202Cdev.ops=& M1202_fops；
cdev_add（&M1202Cdev，devno，1）；
代碼中省去了錯誤調(diào)試信息。
2.2 設(shè)備打開函數(shù)M1202_open
s3c2440芯片配備了2組SPI接口[4]，Micro2440開發(fā)板引出了一組SPI1，對應是PA7、PA8、PA9、PA10引腳，這是一組可以復用的端口，既可以用中斷、普通端口，也可以用于SPI通信。MAX1202在外部時鐘模式下的工作時序如圖2所示。
查看MAX1202在外部時鐘模式下的工作時序可以發(fā)現(xiàn)，在控制字送入的8個時鐘后，芯片即開始了邊輸出邊轉(zhuǎn)換的過程，相比較內(nèi)部時鐘模式的轉(zhuǎn)換完成后再讀取輸出結(jié)果而言，有著更快的轉(zhuǎn)換效率，故采用外部時鐘模式。在控制字輸出后，轉(zhuǎn)換結(jié)果緊跟著輸出，為了減少頻繁對寄存器的操作，降低編程的難度，采用普通輸出端口輪流輸出高低電平的方法模擬主SPI設(shè)備的時鐘輸出。使用s3c2410_gpio_cfgpin（S3C2410_GPG11，S3C2410_GPG11_OUTP）；將GPG11端配置成輸出端口用于輸出MAX1202工作時所需的片選信號；類似地用s3c2410_gpio_cfgpin（）函數(shù)配置GPG6、GPG7端為輸出端，分別用于產(chǎn)生MAX1202的控制字輸入與時鐘輸入；使用s3c2410_gpio_cfgpin（S3C2410_GPG5，S3C2410_GPG5_INP）；將GPG5端口配置成輸入端口，用于讀取MAX1202的Dout端的輸出結(jié)果。在MAX1202正式工作前需將片選端CS端置為1，相應地有s3c2410_gpio_setpin（S3C2410_GPG3，1）；函數(shù)；另外三個端口s3c2410_gpio_setpin函數(shù)配置為0。這些就是open函數(shù)所需要完成的端口配置。
2.3 寫函數(shù)M1202_write
設(shè)備打開后，每次轉(zhuǎn)換之前，需要向MAX1202寫控制字，以設(shè)置MAX1202選通的工作通道、時鐘模式、信號輸入模式等。MAX1202控制字格式如表1所示。
Bit7：起始位一般選擇1，用于標識控制字的開始；
Bit6~Bit4：是8路通道的選擇，在單端模式下，依據(jù)8421編碼，000對應第0通道CH0，001對應第1通道CH1，010對應第2通道CH2，以此類推；
Bit3：為信號的單雙極性選擇位，這里選擇1，單極性；
Bit2：為信號輸入方式選擇位，這里選擇1，單端輸入；
Bit1~Bit0：時鐘和斷電模式選擇位，這里選擇11，外部時鐘。
驅(qū)動屬于內(nèi)核的一部分，而應用程序?qū)儆谟脩艨臻g，內(nèi)核空間和用戶空間的數(shù)據(jù)不能共享，數(shù)據(jù)的傳輸需要使用特定的函數(shù)copy_from_user（）和copy_to_user（）。因此，由應用程序傳入的控制字信息需要使用copy_from_user（）傳入內(nèi)核空間。使用循環(huán)移位和與操作，輪流讀取8位控制字的每一位，由s3c2410_gpio_setpin（S3C2410_GPG6，X）函數(shù)將各位值輸出到MAX1202得DIN端，在時鐘的下降沿由MAX1202讀取，X代表了要傳輸?shù)囊晃恢怠?/p>
2.4 讀函數(shù)M1202_read
在外部時鐘模式下，控制字輸入完后即可在緊接著的16個時鐘周期內(nèi)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，這16位轉(zhuǎn)換結(jié)果的最低4位為無效位，均為0，雖然無效，但必須在時鐘的作用下讀取出來，不然會影響到下一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果，故函數(shù)讀取16位后左移4位用于消除低4位的無效位。while函數(shù)的執(zhí)行條件控制讀取次數(shù)為16次，s3c2410_gpio_getpin（S3C2410_GPG5）用于從MAX1202的DOUT端讀入當前時鐘下的輸出值。讀取結(jié)束后，要使用copy_to_user（）函數(shù)將得到的結(jié)果傳遞到用戶空間，以供顯示或處理。
2.5 模塊卸載函數(shù)M1202_exit
模塊卸載函數(shù)首先要刪除字符設(shè)備，然后釋放占用的驅(qū)動設(shè)備號，以供其他的設(shè)備使用。
cdev_del（&M1202Cdev）；
unregister_chrdev_region（MKDEV（M1202_major，0），1）；
3 MAX1202在嵌入式系統(tǒng)中的應用
3.1 設(shè)備驅(qū)動的加載
Linux下的驅(qū)動有靜態(tài)加載和動態(tài)加載兩種方式[5]。靜態(tài)加載將驅(qū)動程序編譯到內(nèi)核里，系統(tǒng)啟動后直接可以由應用程序調(diào)用，但每次修改驅(qū)動程序都必須重新編譯內(nèi)核，較麻煩。動態(tài)加載是在系統(tǒng)啟動后使用insmod命令，把編譯好的M1202.ko文件加載到系統(tǒng)中，不需要時可以使用rmmod命令卸載。但是在重新開機之后，該驅(qū)動就沒了，需要重新加載。故靜態(tài)加載適合于驅(qū)動開發(fā)完成后的產(chǎn)品量化；而動態(tài)加載適合于驅(qū)動開發(fā)過程中頻繁的修改。
在開發(fā)板中驅(qū)動的動態(tài)加載方法：
#cd/lib/modules/2.6.32.3-FriendlyARM
#insmod M1202.ko
#mknod/dev/M1202 c 55 0
在Linux中，設(shè)備被當做文件一樣處理，任何可用設(shè)備在/dev/目錄下都會有一個對應的設(shè)備文件，使用mknod命令創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點，在應用程序中即可像操作文件一樣操作該設(shè)備。
3.2 數(shù)據(jù)采集
驅(qū)動加載并且創(chuàng)建了設(shè)備節(jié)點后就可以編寫應用程序進行電壓數(shù)據(jù)的采集。
使用open函數(shù)以只讀的方式打開已經(jīng)創(chuàng)建了的M1202節(jié)點即打開了MAX1202硬件。傳入控制字0x8F給write函數(shù)，開啟通道0的轉(zhuǎn)換，使用單極性單端輸入外部時鐘模式，read函數(shù)將轉(zhuǎn)換結(jié)果保存到指針num所指向的地址中，然后就可以打印或者處理轉(zhuǎn)換結(jié)果，最后像關(guān)閉文件一樣使用close（）函數(shù)關(guān)閉設(shè)備。使用交叉編譯指令#arm-linux-gcc╞o M1202test M1202test.c編譯后生成應用程序文件M1202test，通過串口導入Micro2440中或?qū)贸绦蛭募诺骄W(wǎng)絡(luò)根文件系統(tǒng)中，#chmod+x M1202test增加文件的可執(zhí)行權(quán)限，#./M1202test執(zhí)行可執(zhí)行文件，即可對通道0引腳的數(shù)據(jù)進行采集轉(zhuǎn)換。
部分應用程序如下：
int fd=open（“/dev/M1202”，0_RDWR）；
int ctlword=0x8F；
write（fd，ctlword，1）；
read（fd，&num，2）；
printf（“num=%d\n”，num）；
close（fd）；
在實際使用中可以使用for（int i=0，i<8，i++）和ctlword=ctlword|（i<<4）；改變控制字的Bit6-Bit4位，循環(huán)采集引腳0-7端輸入的電壓，或者根據(jù)需要使用其中部分引腳。經(jīng)測試，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果較好，在轉(zhuǎn)換誤差范圍內(nèi)。
4 結(jié)論
隨著智能化設(shè)備的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)將涉及生活中的方方面面。本文詳細介紹了MAX1202在嵌入式Linux系統(tǒng)中的驅(qū)動程序的開發(fā)方法，對于相關(guān)驅(qū)動程序的開發(fā)有一定的參考價值，且該MAX1202的A/D實現(xiàn)方法也可以應用到一些工程實際中去。
參考文獻
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