μC/OS-II實(shí)時(shí)內核下的A/D驅動(dòng)程序設計

關(guān)鍵詞：μC/OS-II A/D 驅動(dòng)程序 C8051F015

A/D轉換是單片機數據采集系統的重要組成部分，實(shí)時(shí)內核下A/D驅動(dòng)程序的實(shí)現過(guò)程主取決于A(yíng)/D轉換器的轉換時(shí)間。本文首先比較和分析μC/OS-II下A/D采樣數據的三種方法；其次介紹C8051F015單片機A/D模數轉換器配置及特點(diǎn)；最后，在μC/OS-II內核移植到8位單片機C8051F015的基礎上，介紹編寫(xiě)A/D驅動(dòng)程序的一般思想和方法。

1 μC/OS-II實(shí)時(shí)內核下的A/D讀方法

實(shí)時(shí)內核下，驅動(dòng)程序采用什么方法讀取A/D采樣數據是首先考慮的問(wèn)題。許多因素將影響讀取A/D，如A/D的轉換時(shí)間、模擬值的轉換頻率、輸入通道數等，但最主要的取決于A(yíng)/D的轉換時(shí)間。典型的A/D轉換典型的A/D轉換電路由模擬多路復用器（MUX）、放大器和模數轉換器（ADC）三部分組成。下面描述讀取A/D的三種方法。

圖1所示的是第1種讀取方法。假設A/D轉換器的轉換時(shí)間較慢（5ms以上）。應用程序調用圖1所示的驅動(dòng)程序，并傳遞要讀取的通道。驅動(dòng)程序通過(guò)MUX選擇要讀取的模擬通道（①）開(kāi)始讀。有，延時(shí)幾μs以便使信號通過(guò)MUX傳遞，并之穩定下來(lái)。接著(zhù)，ADC被觸發(fā)開(kāi)始轉換（②）。然后驅動(dòng)程序延時(shí)一段時(shí)間以完成轉換（③_。延時(shí)時(shí)間必須比ADC轉換時(shí)間長(cháng)。最后驅動(dòng)程序讀取ADC轉換結果（④）。并將轉換結果返回到應用程序（⑤）。

圖2所示的是第2種讀取方法。當模擬轉換完成后，ADC產(chǎn)生的個(gè)中斷信號。若ADC轉換完成，ISR給信號量發(fā)一個(gè)信號（⑤），通知驅動(dòng)程序，ADC已經(jīng)完成轉換。如果ADC在規定的時(shí)限內沒(méi)有完成轉換。信號量超過(guò)（③），則驅動(dòng)程序不再等待下去。驅動(dòng)程序和中斷服務(wù)子程序（ISR）的偽代碼如下：

ADRd(ChannelNumber)

{

選擇要讀取的模擬輸入通道；

等待AMUX輸出穩定；

啟動(dòng)ADC轉換；

等待來(lái)自ADC轉換結束中斷產(chǎn)生的信號量；

if(超時(shí)){

*eer=信號錯誤；

return；

}else{

讀取ADC轉換結果并將其返回到應用程序；

}

}

ADCoversion Complete ISR {

保存全部CPU寄存器； /*將CPU的PSW、ACC、B、DPL、DPH及Rn入棧*/

通知內核進(jìn)入ISR（調用OSIntEnter（）或OSIntNesting直接加1）；

發(fā)送ADC轉換完成信號； /*利用μC/OS-II內核的OSSemPost()*/

通知內核退出ISR（調用OSIntExit（））；

恢復所有CPU寄存器；/*將CPU的PSW、ACC、B、DPL、DPH及Rn出棧*/

執行中斷返回指令（即RETI）；

}

在這種方法里，要求ISR執行時(shí)間與調用等待信號的時(shí)間之和為A/D轉換時(shí)間。

如果A/D轉換時(shí)間小于處理中斷時(shí)間與等待信號所需的時(shí)間之和，則可以用第三種方法。如圖3所示，前兩步（①②同以上兩種方法）結束后，驅動(dòng)程序接著(zhù)在一個(gè)軟件循環(huán)中等待（③）ADC直到完成轉換。在循環(huán)等待時(shí)，驅動(dòng)程序檢測ADC的狀態(tài)（BUSY）信號。如果等待時(shí)間超過(guò)設定的定時(shí)值（軟件定時(shí)），則結束等待循環(huán)（循環(huán)等超時(shí)）。如果在循環(huán)等待中，檢測到ADC發(fā)出轉換結束的信號（BUSY）時(shí)，驅動(dòng)程序讀取ADC轉換結果（④）并將結果返回到應用程序（⑤）。驅動(dòng)程序偽代碼如下：

ADRd（ChannelNumber）{

選擇要讀取的模擬輸入通道；

等待AMUX輸出穩定；

啟動(dòng)ADC轉換；

啟動(dòng)超時(shí)定時(shí)器；

while(ADC Busy Counter 0)；/*循環(huán)檢測*/

if(Counter==0){

*err=信號錯誤；

return；

}else{

讀取ADC轉換結果并將其返回到應用程序；

}

}

A、D轉換速度快，這種驅動(dòng)程序的實(shí)現是最好的。

2 C8051F015單片機的A/D轉換器

2.1 C8051C015單片機

C8051C015的美國Cygnal公司新推出的高速SOC型C8051Fxxx系列單片機。它的內核CIP-51與MCS-51的指令集完全兼容，CIP-51的系統時(shí)鐘頻率在0～25MHz。C8051Fxxx系列單片機采用流水線(xiàn)結構，與標準的8051相比，指令執行速度有很大的提高。CIP-51內核的指令執行時(shí)間是以系統時(shí)鐘為單位，70%的指令執行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統時(shí)鐘周期。C8051F015具有32KB的內存、2304B的RAM（片內256B、片外2048B）。CIP-51內核具有標準8052的所有外設部件，片上還集成有9通道10位A/D轉換接口電路、SMBus/I2C、SPI串行接口。

2.2 C8051F015的A/D轉換電路

C8051F015的A/D轉換電路包括1個(gè)9通道可配置模擬多路開(kāi)關(guān)AMUX（8路用于外部模擬輸入、1路用于芯片環(huán)境溫度的測量）、1個(gè)可編程增益放大器PGA和1個(gè)100ksps 10位分辨率的逐次逼近型ADC。A/D中還集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。

ADC有4種啟動(dòng)方式：軟件命令、定時(shí)器2溢出、定時(shí)器3溢出及外部信號輸入。寄存器ADC0CN是配置啟動(dòng)和跟蹤方式的控制寄存器。每次轉換結束時(shí)，ADC0CH的ADBUSY（忙標志）的下降沿觸發(fā)中斷，也可用軟件查詢(xún)這個(gè)狀態(tài)位。

2.3 ADC轉換速度

C8051Fxxx系列單片機中ADC的速率都是可編程設置的。表1給出了所需最小分頻系數與SYSCLK（系統時(shí)鐘）的關(guān)系（ADC0CF為ADC配置寄存器）。

表1 ADC時(shí)鐘分頻系數與SYSCLK頻率的關(guān)系

在C8051F015單片機中，ADC的轉換時(shí)鐘周期至少在400ns，轉換時(shí)鐘應不大于2MHz。一般在啟動(dòng)ADC之前都要處于跟蹤方式，而ADC一次轉換完成要用16個(gè)系統時(shí)鐘。另外，在轉換之前還要加上3個(gè)系統時(shí)鐘的跟蹤/保持捕獲時(shí)間，所以完成一次轉換需19個(gè)ADC轉換時(shí)鐘（9.5μs）。

圖1中的方法簡(jiǎn)單，轉換時(shí)間在ms級以上，一般用于變化慢的模擬輸入信號，不適用于C8051F015。圖2中的方法，為了減少μC/OS-II內核調用ISR所用時(shí)間，ISR一般都用于匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。從程序1中ISR偽代碼可以看出，盡管ISR用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。代碼效率高，但μC/OS-II調用ISR的時(shí)間與調用等待信號時(shí)間之和大于A(yíng)/D的轉換時(shí)間，所以CPU用于ISR和循環(huán)檢測的開(kāi)銷(xiāo)大。

圖3所示的方法顯然適合于C8051F015單片機，其優(yōu)點(diǎn)是：可以獲得快速的轉換時(shí)間；不需要增加一個(gè)復雜的ISR；轉換時(shí)信號改變時(shí)間更短；CPU的開(kāi)銷(xiāo)??；循環(huán)檢測程序可被中斷，為中斷信號服務(wù)。

圖4 A/D驅動(dòng)程序模塊流程圖

3 A/D驅動(dòng)程序的編寫(xiě)

外設驅動(dòng)程序是實(shí)時(shí)內核和硬件之間的接口，是連接底層硬件和內核的紐帶。編寫(xiě)驅動(dòng)程序模塊應滿(mǎn)足以下主要功能：①對設備初始化；②把數據從內核傳送到硬件從硬件讀取數據；③讀取應用程序傳送給設備的數據和回送應用程序請求的數據；④監測和處理設備出現的異常。

A/D轉換電路作為一個(gè)模擬輸入模塊，μC/OS-II內核應把它作為一個(gè)獨立的任務(wù)（以下稱(chēng)為ADTask()）來(lái)調用。A/D驅動(dòng)程序模塊流程如圖4所示。ADInit（）初始化所有的模擬輸入通道、硬件ADC以及應用程序調用A/D模塊的參量，并且ADInit（）創(chuàng )建任務(wù)ADTask（）。ADTb1[]是一個(gè)模擬輸入通道信息、ADC硬件狀態(tài)等參數配置以及轉換結果存儲表。ADUpdate（）負責讀取所有模擬輸入通道，訪(fǎng)問(wèn)ADRd（）并傳遞給它一個(gè)通道數。ADRd（）負責通過(guò)多路復用器選擇合適的模擬輸入，啟動(dòng)并等待ADC轉換，以及返回ADC轉換結果到ADUpdate（）。

在μC/OS-II這時(shí)內核下各原型函數、數據結構和常量的定義如下：

INT16S ADRd（INT8U ch）；

/*定義如何讀取A/D，A/D必須通過(guò)AIRd（）來(lái)驅動(dòng)*/

void ADUpdate（void）；

/*一定時(shí)間內更新輸入通道*/

void ADInit(void)；

/*A/D模塊初始化代碼，包括初始化所有內部變量（通過(guò)ADInit（）初始化ADTb[]），初始化硬件A/D（通過(guò)ADInitI（））及創(chuàng )建任務(wù)ADTask（）*/

void ADTask （void data）;

/*由ADInit()創(chuàng )建，負責更新輸入通道（調用ADUpdate ()）*/

void ADInitI (void)；

/*初始化硬件A/D*/

AD_TaskPrio:設置任務(wù)ADTask()的優(yōu)先級。

AD_TaskStkSize:設置分配給任務(wù)ADTask()的堆棧大小。

AD_MaxNummber:AMUX的輸入通道數。

AD_TaskDly:設定更新通道的間隔時(shí)間。

AD ADTbl[AD_MaxNummber]：AD類(lèi)型的數組（AD是定義的數據結構）。

4 結論

對于A(yíng)/D轉換器接口電路驅動(dòng)程序的編寫(xiě)歸納出以下幾點(diǎn)：

①在決定采用具體的驅動(dòng)方案之前，分析接口電路的特點(diǎn)，尤其是了解A/D的轉換速度；

②對于轉換速度快的A/D轉換器，可能出現CPU的處理速度與A/D轉換速度不匹配，一般的A/D中不帶有FIFO緩沖區，須有內存中開(kāi)辟緩沖區；

③在應用程序讀取設備之前，一定要初始化硬件（調用初始化函數），合理定義硬件的信息和狀態(tài)變量；

④不同的輸入通道采集到不同類(lèi)型數據，環(huán)境、轉換精度都會(huì )影響到轉換結果，要對各個(gè)模擬輸入通道進(jìn)行校準和補償（通常在應用程序中編寫(xiě)通道補償函數）。