基于s3c2410和嵌入式Linux的D/A轉換的實(shí)現

1 引言

在嵌入式應用系統中，特別是智能儀器、儀表、機電設備及裝置控制中，需要使用A/D轉換將模擬的電量信號轉換為數字信號進(jìn)行處理，而后再將處理的結果通過(guò)D/A轉換為模擬量實(shí)現對被控過(guò)程和對象的控制[1]。

基于ARM920T內核的s3c2410是一款低功耗，高性?xún)r(jià)比的處理器[2]。這款處理器內部集成了多種控制接口，自帶8路10位的A/D轉換器[3]，用于支持對于觸摸屏輸入的控制，而且足以滿(mǎn)足外部模擬量采集的需要，但是s3c2410內部沒(méi)有集成D/A轉換器，因此在上述應用中，就需要采用獨立的D/A轉換芯片與s3c2410配合，滿(mǎn)足應用的需要。而MAX504一款通用的10位串行D/A轉換器，可以滿(mǎn)足一般應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少，因此本文中以s32410外接MAX504，并基于Linux操作系統，實(shí)現D/A轉換的功能。

2 系統硬件電路

2.1 10位的D/A轉換器MAX504[4]

MAX504是MAXIUM公司推出的低功耗，電壓輸出，10位串行數字/模擬轉換芯片，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(xiàn)性誤差在內的各項誤差均以調整，所以應用非常簡(jiǎn)單，不需要再度校正。

MAX504采用的是三線(xiàn)串行接口，與SPI，QSPI和Microwire標準均兼容。MAX504可通過(guò)寫(xiě)入兩個(gè)8位長(cháng)的數據進(jìn)行編程，其寫(xiě)入的先后順序為，4個(gè)填充位，10個(gè)數據位和最低兩位的0。此處，最高4位的填充位只有當MAX504采用菊花鏈方式連接時(shí)必須寫(xiě)入，而最低的兩位0則一定需要寫(xiě)入。當且僅當CS片選有效時(shí)，數據在SCLK的上升沿逐位打入片內的16位移位寄存器，并在CS上升沿，將有效的10位數據（第2~第11位）傳送到D/A轉換寄存器中，修改原寄存器內容。

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(guò)將MAX504的REIN,VOUT ,BIPOFF和RFB幾個(gè)管腳的不同連接方式，可以根據需要將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(guò)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―數據輸入端，該管腳用于接收串行通信數據信號，直接與s3c2410的MOSI管腳連接即可。MOSIn(n可以為0或1，分別對應兩個(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，MAX504作為通信的從設備進(jìn)行數據的接收。

(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，以便串行通信過(guò)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CS有效時(shí)，MAX504接收數據，并在CS失效時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行數據轉換。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的轉換數據寄存器復位清零，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 系統的編程實(shí)現

3.1 嵌入式Linux簡(jiǎn)介

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

ARM-Linux將Linux內核移植到各種ARM處理器上，因此，在開(kāi)發(fā)基于ARM處理器的應用系統時(shí)，如果對于實(shí)時(shí)性的要求不是很?chē)栏?，且處理器又支持MMU時(shí)，采用ARM-Linux作為操作系統可以縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。

3.2 D/A驅動(dòng)的實(shí)現

考慮到一個(gè)嵌入式應用系統中，不僅僅包含A/D，D/A轉換，還包括其他，如通信，顯示，輸入等等功能，所以在實(shí)現D/A轉換功能時(shí)，是基于嵌入式操作系統的，以嵌入式Linux作為操作系統。嵌入式Linux在操作外設時(shí)，將外設分為三種類(lèi)型的設備進(jìn)行操作，即：字符型、塊設備和網(wǎng)絡(luò )設備[5]。在支持D/A操作時(shí)，將D/A設備作為字符型設備，需要編寫(xiě)相應的驅動(dòng)程序。

驅動(dòng)程序s3c2410-da.h>主要包含的內容就是對文件結構體open, ctrl,realse的重定向函數的編寫(xiě)，即定向為s3c2410_da_open,s3c2410_da_ctrl,s3c2410_da_close。這三個(gè)函數的作

用分別為：

（1）s3c2410_da_open：所做的工作非常簡(jiǎn)單，就是增加模塊使用的計數值，通過(guò)該值可以體現邏輯上當先打開(kāi)da端口的任務(wù)數。

（2）s3c2410_da_close：該函數進(jìn)行的處理與open剛好相反，將模塊使用計數值減一，表明使用結束。

圖3.1 驅動(dòng)核心函數s3c2410_da_ctrl流程圖

（3）s3c2410_da_ctrl：該函數為核心函數，函數定義為static int s3c2410_exio_ioctl (struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)，函數功能為：由cmd參數指出D/A操作類(lèi)型，arg為操作使用的參數，根據cmd和arg，可以根據通道號，對多個(gè)D/A通道進(jìn)行清空操作和數據寫(xiě)入操作。

函數流程如圖3.1所示，應用程序進(jìn)行系統調用后，進(jìn)入內核態(tài)，運行該函數實(shí)現對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cmd指定的操作類(lèi)型，對不同的D/A設備進(jìn)行數據傳送操作和寄存器清空操作。對D/A的數據寫(xiě)入，這里是通過(guò)s3c2410的SPI口進(jìn)行的，s3c2410的兩個(gè)SPI口，在D/A應用中，需要操作的SPI寄存器主要是SPICON和SPITDAT，設置SPICON，使s3c2410工作于主模式，將發(fā)送給MAX504進(jìn)行轉換的數據寫(xiě)入SPITDAT，SPITDAT為8位的寄存器，而MAX504是10位D/A轉換器，所以需要發(fā)送兩次，并且MAX504接收的16位數據，要求最低兩位一定為00。數據經(jīng)SPI傳送后，MAX504并不立即進(jìn)行數據轉換，而是在CS片選上升沿才開(kāi)始數據轉換，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(kāi)始進(jìn)行數據轉換，系統調用結束。

將寫(xiě)好的驅動(dòng)程序庫，進(jìn)行加載，加載到Linux核中，應用程序就可以像操作文件一樣操作D/A設備了。

3.3應用程序設計示例

有了底層驅動(dòng)的支持，用戶(hù)可以根據自己的需要編寫(xiě)D/A轉換應用程序，而不需要關(guān)心MAX504和s3c2410的硬件特征，這樣就使的應用程序的編寫(xiě)非常的簡(jiǎn)單。這里以一個(gè)簡(jiǎn)單的應用程序為例，說(shuō)明其程序編寫(xiě)方法，流程圖如圖所示。該應用程序，可以根據用戶(hù)輸入的D/A轉換器的編號和電壓，由MAX504的Vout管腳輸出該電壓。

首先，由于按上述電路，MAX504的滿(mǎn)量程輸出電壓為4.096V，所以用戶(hù)要求輸出的電壓應在該范圍內，將用戶(hù)輸入的電壓值，用下面語(yǔ)句轉換為數字量：

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

得到D/A轉換的數字量后，調用ioctl，首先將指定D/A的寄存器清空：

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

而后調用ioctl，對待轉換的數字量進(jìn)行D/A轉換：

ioctl(da_fd, DA0_IOCTRL_WRITE, value);

轉換結束后，將設備釋放即可。

圖3.2 應用程序流程圖

4結束語(yǔ)

本文針對主流嵌入式處理器-基于A(yíng)RM920T內核的s3c2410，以D/A小型外設實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程為引，在硬件連接電路的基礎上，詳細地說(shuō)明了嵌入式Linux操作系統的外設驅動(dòng)開(kāi)發(fā)方法，給出了基于該處理器和Linux操作系統的外設驅動(dòng)開(kāi)發(fā)流程，既可直接用于工程應用，同時(shí)又為其他嵌入式系統的開(kāi)發(fā)提供參考。