VxWorks下AD/DA驅動(dòng)系統設計及測試

相對于其他嵌入式操作系統，VxWorks以其高可靠性、微內核、可裁減性以及高效的硬實(shí)時(shí)任務(wù)調度、中斷管理等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)和實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域[1]。工程中實(shí)際應用的嵌入式系統通常包括以下幾個(gè)部分：串口、并口、CAN總線(xiàn)和AD/DA等。對于前三種嵌入式硬件,VxWorks內核本身已提供了完備的驅動(dòng)支持并給出了相應驅動(dòng)的參考例程，但目前還未包括對A/D及D/A設備的支持；此外，由于相關(guān)技術(shù)資料的保密性，相應驅動(dòng)設計的參考文獻也較少。因此，本文結合實(shí)際系統需要（利用12位D/A輸出可調模擬量控制電機轉速，利用12位A/D對壓電陀螺所敏感的電機轉速進(jìn)行數據采集），對AD/DA設備的驅動(dòng)進(jìn)行了相關(guān)研究，研究結果具有實(shí)際工程應用價(jià)值。

本文在簡(jiǎn)要分析了VxWorks I/O系統及設備驅動(dòng)基礎之上，將A/D與D/A兩者整合為一個(gè)完整的字符設備掛接到VxWorks的I/O系統中，成功實(shí)現了該設備的硬件驅動(dòng)并附上對應的核心驅動(dòng)代碼，最后在驅動(dòng)程序測試過(guò)程中簡(jiǎn)要說(shuō)明了應用層軟件的設計方法，為工程應用提供了完善的解決辦法。

1 VxWorks I/O系統與設備驅動(dòng)

了解和掌握VxWorks的I/O系統及設備的驅動(dòng)結構，是成功設計AD/DA設備驅動(dòng)的前提和基礎。具體來(lái)說(shuō)：VxWorks是一個(gè)層次化分明的操作系統，每層各負其責，層與層之間又緊密相連。通常所說(shuō)的驅動(dòng)程序屬于底層的范疇，而用戶(hù)的應用程序則屬于上層，位于這兩層之間的是中間層，無(wú)需用戶(hù)開(kāi)發(fā)，由VxWorks進(jìn)行維護和管理。這樣，操作系統把各層有機地連接在一起，使代碼緊湊而高效。VxWorks的I/O系統正是這樣的中間層，以本文所要研究的AD/DA驅動(dòng)系統設計為例，圖1詳細介紹了三者的關(guān)系。

圖1中的最底層就是所要編寫(xiě)的設備驅動(dòng)程序，包括對具體硬件的初始化和各種操作，以及與上層I/O系統的接口；中間層為I/O系統層，VxWorks的I/O系統不但向上提供了7個(gè)基本的I/O接口，以供應用程序調用，而且還向下提供與各種設備驅動(dòng)程序的接口；最頂層為應用層，用戶(hù)根據實(shí)際應用需要編寫(xiě)應用程序，并通過(guò)應用程序向下調用I/O系統。與UNIX類(lèi)似，VxWorks所有的I/O設備都被當作文件來(lái)存取。關(guān)于VxWorks I/O系統驅動(dòng)機制的更多內容請參考文獻[2][3]。

　　針對系統需要，選擇7個(gè)基本I/O接口函數中的open()、read()、write()以及ioctl()進(jìn)行驅動(dòng)系統設計，各層函數與相應實(shí)現的功能對應關(guān)系如表1所示。

此外，D/A輸出通道在應用程序中選擇，下面給出AD/DA驅動(dòng)系統的具體設計過(guò)程。

2 AD/DA驅動(dòng)系統設計

2.1 驅動(dòng)系統開(kāi)發(fā)環(huán)境

與其他嵌入式系統開(kāi)發(fā)類(lèi)似，VxWorks也采用主機-目標機模式[4]，如圖2所示。

硬件平臺中主機使用CPU為迅馳的PC機，運行VxWorks開(kāi)發(fā)環(huán)境Tornado2.2；目標機依照系統應用要求選用基于PC104 總線(xiàn)的嵌入式CPU卡MSMP586SEV，該CPU是VxWorks所支持的Intel x86系列CPU。VxWorks自帶的板級支持包（BSP）支持該CPU，使得在驅動(dòng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中無(wú)須過(guò)多考慮CPU部分的代碼設置。外擴AD/DA采用的同樣是PC104總線(xiàn)的數據轉換卡ADT-650。開(kāi)發(fā)調試過(guò)程中，主機通過(guò)網(wǎng)絡(luò )方式下載VxWorks映像至目標機中，目標機設定為CF卡啟動(dòng)。

2.2 PC104-AD/DA卡硬件結構[5]

PC104-AD/DA卡主要由A/D轉換控制器（AD1674）和D/A轉換控制器（ADC7724）兩個(gè)核心器件組成，可提供的硬件資源為12位分辨率的8通道A/D轉換和同分辨率的4通道D/A轉換；CPU卡通過(guò)I/O映射方式對其進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，可通過(guò)硬件開(kāi)關(guān)選通該卡的I/O映射基地址，為了避免與其他器件地址沖突，在此選擇其基地址為：BA=0x240（可根據實(shí)際情況選擇），其余各寄存器采用偏移地址訪(fǎng)問(wèn)的方式。為便于后續說(shuō)明，簡(jiǎn)要將卡上其他寄存器地址及功能列于表2。

在傳統非嵌入式實(shí)時(shí)操作系統（比如DOS）下應用該卡，實(shí)際上是在應用程序中對板卡進(jìn)行初始化和設置相應功能寄存器以完成硬件功能。但由前面對VxWorks的I/O系統和設備驅動(dòng)結構分析可知，該部分工作在VxWorks操作系統下由底層硬件驅動(dòng)完成，應用程序中通過(guò)調用相應I/O接口函數來(lái)實(shí)現硬件功能，由此實(shí)現分層結構以達到隔離硬件的目的。因此，AD/DA驅動(dòng)的開(kāi)發(fā)就是依照I/O系統傳遞過(guò)來(lái)的應用層各調用接口函數完成對相應寄存器的不同設置。

2.3 AD/DA驅動(dòng)程序實(shí)現

AD/DA驅動(dòng)的實(shí)現方式主要是完成以下6個(gè)函數的編寫(xiě)：

設備驅動(dòng)程序安裝函數adcDrv()；設備創(chuàng )建函數adcDevCreate()；設備打開(kāi)函數adcOpen()；設備讀函數(A/D轉換) adcRead()；設備寫(xiě)函數(D/A轉換)adcWrite()；I/O控制函數adIoctl()。

其中前三個(gè)函數的設計與具體硬件關(guān)聯(lián)較少，與VxWorks下其他字符型設備驅動(dòng)開(kāi)發(fā)基本類(lèi)似，不做過(guò)多介紹，僅需按照標準代碼形式編寫(xiě)即可，具體詳細代碼可見(jiàn)參考文獻[6]。下面詳細介紹A/D轉換驅動(dòng)、D/A轉換驅動(dòng)以及設備控制驅動(dòng)等部分的程序設計，給出核心代碼。

2.3.1 A/D轉換驅動(dòng)

A/D轉換驅動(dòng)實(shí)際是完成adcRead()函數的編寫(xiě)，在該函數編寫(xiě)之前，首先應明確A/D轉換驅動(dòng)實(shí)現過(guò)程：當應用程序調用read()函數時(shí)，VxWorks的I/O系統將調用底層驅動(dòng)adcRead()函數，該函數隨即依照程序設定對表2所列卡上各相關(guān)寄存器進(jìn)行設置來(lái)實(shí)現A/D轉換的硬件功能，從而實(shí)現底層驅動(dòng)。

A/D轉換驅動(dòng)具體實(shí)現的核心代碼如下（偽指令為代碼說(shuō)明，以下同）：

int adcRead(int adcDevId,char *pBuf,int nBytes)
{…/*觸發(fā)AD轉換*/
sysOutByte(BA+0, 0x00)；
while(1)
{/*判斷AD轉換狀態(tài)*/
status=sysInByte(BA+5)；
if((status0x01)==0)
{
/*存儲A/D轉換結果*/
pBuf[1]=sysInByte(BA+0)；
pBuf[2]=sysInByte(BA+1)；
…
}
}
}
首先選擇一個(gè)輸入通道(通過(guò)ioctl選擇)并觸發(fā)A/D轉換，隨后查詢(xún)A/D轉換狀態(tài)信息直到A/D轉換過(guò)程結束，最終將轉換結果保存在pBuf[]數組中傳送到應用層，應用程序使用得到的數字量信息，至此，A/D驅動(dòng)完畢。其中sysOutByte()和sysInByte()為VxWorks下對寄存器操作的標準函數。

2.3.2 D/A轉換驅動(dòng)

與上述驅動(dòng)實(shí)現過(guò)程類(lèi)似，D/A轉換驅動(dòng)是完成對adcWrite()函數的編寫(xiě)，轉換過(guò)程是A/D轉換的逆過(guò)程，由于其不涉及查詢(xún)判斷，代碼相對簡(jiǎn)化。D/A轉換驅動(dòng)具體實(shí)現的核心代碼如下：

int adcWrite(int adcDevId, char *pBuf,int nBytes)
{…/*將數據寫(xiě)入緩沖區*/
sysOutByte(BA+2, pBuf[2])；
sysOutByte(BA+1, pBuf[1])；
…
}

首先將應用程序中設定的待轉換數字量的低4位和高8位分別存放在pBuf[1]、pBuf[2]中，隨后依照先高后低的順序寫(xiě)入D/A轉換緩沖區內，當低位數據寫(xiě)入完成后，硬件將自動(dòng)開(kāi)始更新D/A輸出的模擬量，至此，D/A驅動(dòng)完畢。需要說(shuō)明的是：D/A通道選擇是在應用程序中的編碼過(guò)程中實(shí)現的。

2.3.3 設備控制驅動(dòng)

設備控制驅動(dòng)用于完成A/D通道選擇，實(shí)現過(guò)程是對BA＋3寄存器進(jìn)行設置，當該寄存器高低位不同時(shí)，通道進(jìn)行自動(dòng)掃描，每當AD轉換完成時(shí)切換到下一個(gè)通道。以控制A/D對通道0至通道3循環(huán)掃描為例，具體代碼如下：

int adcIoctl(int adcDevId, int cmd, int arg)
{…/*CH30控制字控制通道0-3轉換*/
case CH30:
sysOutByte(BA+3, 0x30)；
…
}

通過(guò)定義控制參數CH30，實(shí)現通道掃描的范圍為0、1、2、3、0、1、2、3……，利用該方法的好處是可以省去置通道的軟件操作時(shí)間，這個(gè)功能在高速多通道切換時(shí)起很關(guān)鍵作用，同樣可定義其他通道的控制參數，如CH20、CH00等等。

3 應用及測試

為了驗證上面所設計的驅動(dòng)系統的有效性，文章對其進(jìn)行了詳細的實(shí)驗驗證。針對本系統而言，D/A能將電機轉速控制數字量轉換為相應的模擬電壓量輸出至電機，并且在控制電機運轉的同時(shí)，還能利用A/D將壓電陀螺敏感到的電機轉速所輸出的模擬電壓量轉換為數字量后并采集，以此證明驅動(dòng)系統設計是成功的。下面詳細給出實(shí)際工程中用于測試驅動(dòng)程序設計成功的應用程序。

3.1 應用程序設計

首先調用adcDrv()和adcDevCreat()初始化驅動(dòng)并創(chuàng )建AD/DA設備；并通過(guò)fd=open('/adc',O_RDWR,0)操作打開(kāi)設備。這樣，系統為AD/DA卡分配了一個(gè)文件描述符fd，通過(guò)讀寫(xiě)該描述符操作即可完成相應AD/DA變換。

隨后發(fā)起兩個(gè)任務(wù)[7][8]：寫(xiě)任務(wù)和讀任務(wù)，分別完成上述D/A與A/D的功能。兩個(gè)任務(wù)的核心代碼如下：
int Dac()
{…
pBuf[0]=xxx；
pBuf[1]=xxx；
t1=write(fd,pBuf[0],2)；
…
}
int Adc()
{…
ioctl(fd,CH00,0)；
t2=read(fd,pBuf[0],2)；
LSB=pBuf[0]；
MSB=pBuf[1]；
…
}

3.2 測試結果

在WinShell下通過(guò)調用iosDevShow()函數可以看到，名為/adc的AD/DA卡設備已經(jīng)被VxWorks操作系統正確識別，如圖3所示。

測試分為兩個(gè)步驟來(lái)驗證A/D及D/A驅動(dòng)的正確性：
步驟1：數字量→模擬量→電機轉速（D/A）
步驟2：電機轉速→模擬量→數字量（A/D）
步驟1控制電機加減速過(guò)程當中，給定的控制電機運轉的數字量如圖4中data1所示(其中：data1是通過(guò)16進(jìn)制數轉換為10進(jìn)制數實(shí)現的)。每隔0.5s對系統進(jìn)行一次D/A轉換，得到電機實(shí)際轉速rate如圖5所示。



對比data1和rate，兩條曲線(xiàn)規律一致，說(shuō)明D/A驅動(dòng)功能正常。

隨后將圖5中的電機轉速作為輸入量，輸入到步驟2中進(jìn)行實(shí)驗，以相同時(shí)間間隔對系統進(jìn)行A/D采樣，轉換后的數字量如圖4中data2所示，對比data2和rate，兩條曲線(xiàn)規律一致，說(shuō)明A/D驅動(dòng)功能正常。

data1與data2兩條曲線(xiàn)基本重合，二者之間的誤差曲線(xiàn)error（data1-data2）如圖6。

由圖6可得：誤差最大值為3.2LSB，最小為2.1LSB。由此可見(jiàn)，AD/DA功能實(shí)現的同時(shí)精度完全符合要求（4LSB≥error≥2LSB）。實(shí)驗結果表明：驅動(dòng)系統設計成功有效。

本文介紹了VxWorks下AD/DA驅動(dòng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，給出了驅動(dòng)中的核心代碼。同時(shí)在對驅動(dòng)程序進(jìn)行測試的過(guò)程中說(shuō)明了部分應用程序的設計。測試結果表明，所開(kāi)發(fā)的驅動(dòng)系統滿(mǎn)足實(shí)際需要（12位AD/DA轉換分辨率），可在實(shí)際工程中應用。限于篇幅本文未能給出全部代碼，但文中驅動(dòng)程序的設計是完全依照VxWorks的標準I/O機制實(shí)現的，具有普遍的指導意義，可為VxWorks下其他字符型設備驅動(dòng)開(kāi)發(fā)提供參考。