基于s3c2410和嵌入式Linux的D/A转换的实现

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1 引言在嵌入式应用系统中，特别是智能仪器、仪表、机电设备及装置控制中，需要使用A/D转换将模拟的电量信号转换为数字信号进行处理，而后再将处理的结果通过D/A转换为模拟量实现对被控过程和对象的控制[1]。基于ARM920T内核的s3c2410是一款低功耗，高性价比的处理器[2]。这款处理器内部集成了多种控制接口，自带8路10位的A/D转换器[3]，用于支持对于触摸屏输入的控制，而且足以满足外部模拟量采集的需要，但是s3c2410内部没有集成D/A转换器，因此在上述应用中，就需要采用独立的D/A转换芯片与s3c2410配合，满足应用的需要。而MAX504一款通用的10位串行D/A转换器，可以满足一般应用对于分辨率和精度的要求，并且采用串行通信，芯片面积小，占用的处理器管脚数少，因此本文中以s32410外接MAX504，并基于Linux操作系统，实现D/A转换的功能。2 系统硬件电路2.1 10位的D/A转换器MAX504[4]MAX504是MAXIUM公司推出的低功耗，电压输出，10位串行数字/模拟转换芯片，支持+5V单供电和±5V双供电方式，并且该芯片对于包括偏移、增益和线性误差在内的各项误差均以调整，所以应用非常简单，不需要再度校正。MAX504采用的是三线串行接口，与SPI，QSPI和Microwire标准均兼容。MAX504可通过写入两个8位长的数据进行编程，其写入的先后顺序为，4个填充位，10个数据位和最低两位的0。此处，最高4位的填充位只有当MAX504采用菊花链方式连接时必须写入，而最低的两位0则一定需要写入。当且仅当CS片选有效时，数据在SCLK的上升沿逐位打入片内的16位移位寄存器，并在CS上升沿，将有效的10位数据（第2"第11位）传送到D/A转换寄存器中，修改原寄存器内容。MAX504芯片为14管脚的DIP或者SO封装形式，除电源和地管脚外，管脚可以分为两组，一组与处理器相连接，另一组管脚的不同连接可以改变MAX504的工作模式。MAX504具有三种工作模式，分别是单极性输出，双极性输出和四象限乘法器。通过将MAX504的REIN,VOUT ,BIPOFF和RFB几个管脚的不同连接方式，可以根据需要将MAX504定义为需要的工作模式。2.2 MAX504与S3c2410的连接   MAX504与处理器之间可以使用SPI，QSPI和Microwire中的任何一种串行通信方式，而s3c2410带有两个SPI接口，所以MAX504与s32410之间通过SPI进行连接非常方便。电路如图所示图2.1 电路连接原理图  MAX504与处理器连接的主要管脚有四个，分别是：   (1) DIN—数据输入端，该管脚用于接收串行通信数据信号，直接与s3c2410的MOSI管脚连接即可。MOSIn(n可以为0或1，分别对应两个SPI口)管脚，s3c2410作为SPI串行通信的主模块使用，该管脚由s3c2410输出信号，MAX504作为通信的从设备进行数据的接收。   (2) SCLK—串行时钟输入端，该管脚用于接收串行通信的时钟信号，以便串行通信过程中的通信双方的同步，直接与s3c2410的SPI时钟输出管脚SPICLK连接即可。   (3) CS—片选管脚，该管脚为低电平有效，只有当CS有效时，MAX504接收数据，并在CS失效时，开始进行数据转换。本电路中，使用s3c2410的一根外部I/O管脚进行控制。   (4) CLR—清除端，该管脚也是低电平有效，可将MAX504的转换数据寄存器复位清零，本电路，使用s3c2410的另一个外部I/O脚进行控制。    该电路中，采用的是单极性工作模式，输出电压范围为0"2VREF，参考电压VREF由片内电路形成，为2.048V，故该电路的输出电压范围为0"4.096V。3 系统的编程实现3.1 嵌入式Linux简介目前嵌入式系统为了更好的适应高效，稳定，可移植的需要，广泛地应用了嵌入式操作系统进行资源管理。Linux因其开放性特点，成为在嵌入式系统中应用最为广泛的操作系统。嵌入式Linux包括RT-linux,μClinux以及ARM处理器使用的ARM-Linux等多种适应不同应用需要的版本。ARM-Linux将Linux内核移植到各种ARM处理器上，因此，在开发基于ARM处理器的应用系统时，如果对于实时性的要求不是很严格，且处理器又支持MMU时，采用ARM-Linux作为操作系统可以缩短开发周期，降低开发成本。3.2 D/A驱动的实现   考虑到一个嵌入式应用系统中，不仅仅包含A/D，D/A转换，还包括其他，如通信，显示，输入等等功能，所以在实现D/A转换功能时，是基于嵌入式操作系统的，以嵌入式Linux作为操作系统。嵌入式Linux在操作外设时，将外设分为三种类型的设备进行操作，即：字符型、块设备和网络设备[5]。在支持D/A操作时，将D/A设备作为字符型设备，需要编写相应的驱动程序。   驱动程序主要包含的内容就是对文件结构体open, ctrl,realse的重定向函数的编写，即定向为s3c2410_da_open,s3c2410_da_ctrl,s3c2410_da_close。这三个函数的作用分别为：  （1）s3c2410_da_open：所做的工作非常简单，就是增加模块使用的计数值，通过该值可以体现逻辑上当先打开da端口的任务数。 （2）s3c2410_da_close：该函数进行的处理与open刚好相反，将模块使用计数值减一，表明使用结束。图3.1 驱动核心函数s3c2410_da_ctrl流程图 （3）s3c2410_da_ctrl：该函数为核心函数，函数定义为static int s3c2410_exio_ioctl (struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)，函数功能为：由cmd参数指出D/A操作类型，arg为操作使用的参数，根据cmd和arg，可以根据通道号，对多个D/A通道进行清空操作和数据写入操作。     函数流程如图3.1所示，应用程序进行系统调用后，进入内核态，运行该函数实现对DA的操作，DA_ENABLE，使能s3c2410用于控制Max504的外部I/O,使CS低电平有效，选中D/A。之后，根据cmd指定的操作类型，对不同的D/A设备进行数据传送操作和寄存器清空操作。对D/A的数据写入，这里是通过s3c2410的SPI口进行的，s3c2410的两个SPI口，在D/A应用中，需要操作的SPI寄存器主要是SPICON和SPITDAT，设置SPICON，使s3c2410工作于主模式，将发送给MAX504进行转换的数据写入SPITDAT，SPITDAT为8位的寄存器，而MAX504是10位D/A转换器，所以需要发送两次，并且MAX504接收的16位数据，要求最低两位一定为00。数据经SPI传送后，MAX504并不立即进行数据转换，而是在CS片选上升沿才开始数据转换，DA_DISABLE的作用就是使s3c2410连接MAX504-CLR管脚的外部I/O端失效，此时D/A开始进行数据转换，系统调用结束。    将写好的驱动程序库，进行加载，加载到Linux核中，应用程序就可以像操作文件一样操作D/A设备了。3.3应用程序设计示例   有了底层驱动的支持，用户可以根据自己的需要编写D/A转换应用程序，而不需要关心MAX504和s3c2410的硬件特征，这样就使的应用程序的编写非常的简单。这里以一个简单的应用程序为例，说明其程序编写方法，流程图如图所示。该应用程序，可以根据用户输入的D/A转换器的编号和电压，由MAX504的Vout管脚输出该电压。  首先，由于按上述电路，MAX504的满量程输出电压为4.096V，所以用户要求输出的电压应在该范围内，将用户输入的电压值，用下面语句转换为数字量：value=(unsigned int)((v*1024.0f)/Max504_FULL);得到D/A转换的数字量后，调用ioctl，首先将指定D/A的寄存器清空：ioctl(da_fd, DA_IOCTRL_CLR, 0);//清D/A0而后调用ioctl，对待转换的数字量进行D/A转换：ioctl(da_fd, DA0_IOCTRL_WRITE, &value);     转换结束后，将设备释放即可。图3.2 应用程序流程图4结束语                                        本文针对主流嵌入式处理器-基于ARM920T内核的s3c2410，以D/A小型外设实际开发过程为引，在硬件连接电路的基础上，详细地说明了嵌入式Linux操作系统的外设驱动开发方法，给出了基于该处理器和Linux操作系统的外设驱动开发流程，既可直接用于工程应用，同时又为其他嵌入式系统的开发提供参考。