WinCE下光電編碼器的驅動(dòng)程序設計

　　摘要 光電編碼器以其體積小、輸入靈活等特點(diǎn)作為輸入設備，廣泛應用于各種嵌入式儀器中。本文討論光電編碼器的原理及使用方法;以三星公司ARM9芯片S3C2410為CPU的嵌入式系統開(kāi)發(fā)板為平臺，詳細闡述嵌入式操作系統WinCE下光電編碼器驅動(dòng)程序的設計方法。實(shí)驗證明，該方法正確可行，程序運行穩定可靠。

　　關(guān)鍵詞 嵌入式系統 WinCE 光電編碼器 S3C2410

　　引 言

　　近年來(lái)，嵌入式技術(shù)發(fā)展迅速，嵌入式系統在各行各業(yè)得到了廣泛的應用。然而，由于嵌入式計算機的專(zhuān)用性，系統的硬件、軟件結構千差萬(wàn)別，其輸入設備也不再像通用計算機那樣單一。嵌入式計算機的輸入沒(méi)備一般有鼠標、鍵盤(pán)、觸摸屏、按鈕、旋鈕等，而光電編碼器(俗稱(chēng)“單鍵飛梭”)作為一種輸入設備，由于其具有輸入靈活，簡(jiǎn)單可靠等特點(diǎn)，因此特別適合應用在嵌入式儀器和手持式設備上，整個(gè)系統可以只用一個(gè)鍵作為輸入。觸摸屏由于其方便靈活、節省空間、界面直觀(guān)等特點(diǎn)也備受青睞，但存在壽命短，長(cháng)時(shí)間使用容易產(chǎn)生誤差等缺點(diǎn)。如果用光電編碼器輔助觸摸屏作為輸入設備，必將大大增強系統的可靠性，使得人機接口更加人性化。但由于光電編碼器并不是WinCE的標準輸入設備，因此其驅動(dòng)程序在嵌入式操作系統Windows CE Platform Builder中并未給出。本文以三星公司S3C2410(ARM9芯片)為CPU的嵌入式系統開(kāi)發(fā)板為平臺，詳細闡述了嵌入式操作系統WinCE下光電編碼器驅動(dòng)程序的設計方法，以供同行參考。

　　1 光電編碼器的工作原理

　　光電編碼器(Optical Encoder)俗稱(chēng)“單鍵飛梭”，其外觀(guān)好像一個(gè)電位器，因其外部有一個(gè)可以左右旋轉同時(shí)又可按下的旋鈕，很多設備(如顯示器、示波器等)用它作為人機交互接口。下面以美國Greyhill公司生產(chǎn)的光電編碼器為例，介紹其工作原理及使用方法。光電編碼器的內部電路如圖1所示，其內部有1個(gè)發(fā)光二極管和2個(gè)光敏三極管。當左右旋轉旋鈕時(shí)，中間的遮光板會(huì )隨旋鈕一起轉動(dòng)，光敏三極管就會(huì )被遮光板有次序地遮擋，A、B相就會(huì )輸出圖2所示的波形;當按下旋鈕時(shí)，2、3兩腳接通，其用法同一般按鍵。

　　當順時(shí)針旋轉時(shí)，光電編碼器的A相相位會(huì )比B相超前半個(gè)周期;反之，A相會(huì )比B相滯后半個(gè)周期。通過(guò)檢測A、B兩相的相位就可以判斷旋鈕是順時(shí)針還是逆時(shí)針旋轉，通過(guò)記錄A或B相變化的次數，就可以得出旋鈕旋轉的次數，通過(guò)檢測2、3腳是否接通就可以判斷旋鈕是否按下。其具體的鑒相規則如下：

　?、貯為上升沿，B=0時(shí)，旋鈕右旋;

　?、贐為上升沿，A=l時(shí)，旋鈕右旋;

　?、跘為下降沿，B=1時(shí)，旋鈕右旋;

　?、蹷為下降沿，A=O時(shí)，旋鈕右旋;

　?、軧為上升沿，A=0時(shí)，旋鈕左旋;

　?、轆為上升沿，B=1時(shí)，旋鈕左旋;

　?、連為下降沿，A=l時(shí)，旋鈕左旋;

　?、郃為下降沿，B=0時(shí)，旋鈕左旋。

　　通過(guò)上述方法，可以很簡(jiǎn)單地判斷旋鈕的旋轉方向。在判斷時(shí)添加適當的延時(shí)程序，以消除抖動(dòng)干擾。

　　2 WinCE提供的驅動(dòng)模型

　　WinCE操作系統支持兩種類(lèi)型的驅動(dòng)程序。一種為本地驅動(dòng)程序，是把設備驅動(dòng)程序作為獨立的任務(wù)實(shí)現的，直接在頂層任務(wù)中實(shí)現硬件操作，因此都有明確和專(zhuān)一的目的。本地設備驅動(dòng)程序適合于那些集成到Windows CE平臺的設備，諸如鍵盤(pán)、觸摸屏、音頻等設備。另一種是具有定制接口的流接口驅動(dòng)程序。它是一般類(lèi)型的設備驅動(dòng)程序。流接口驅動(dòng)程序的形式為用戶(hù)一級的動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL)文件，用來(lái)實(shí)現一組固定的函數稱(chēng)為“流接口函數”，這些流接口函數使得應用程序可以通過(guò)文件系統訪(fǎng)問(wèn)這些驅動(dòng)程序。本文討論的光電編碼器就屬于流接口設備。

　　2.1 流設備驅動(dòng)加載過(guò)程

　　WinCE.NET系統運行時(shí)會(huì )啟動(dòng)負責流驅動(dòng)的加載進(jìn)程DEVICE.exe。DEVICE.exe進(jìn)程對驅動(dòng)的加載是通過(guò)裝載注冊表列舉器(RegEnum.dll)實(shí)現的。在WinCE.NET中，所有設備的資源信息都由OAL負責記錄在系統注冊表中，RegEnum.dll一個(gè)一個(gè)掃描注冊表項HEKY_LOCAL_MACHINEDriverBuiltIn下的子鍵，發(fā)現新設備就根據每個(gè)表項的內容進(jìn)行硬件設備初始化。

　　2.2 中斷與中斷處理

　　如果一個(gè)驅動(dòng)程序要處理一個(gè)中斷，那么驅動(dòng)程序需要首先使用CreateEvent函數建立一個(gè)事件，調用InterruptInitialize函數將該事件與中斷標識綁定。然后驅動(dòng)程序中的IST就可以使用WaitForSing|eObject函數來(lái)等待中斷的發(fā)生。在一個(gè)硬件中斷發(fā)生之后，操作系統進(jìn)入異常處理程序，異常處理程序調用OAL的OEMInterruptHandler函數，該函數檢測硬件并將中斷標識返回給系統;系統得到該中斷標識便會(huì )找到該中斷標識對應的事件，并喚醒等待相應事件的線(xiàn)程(IST)，然后IST進(jìn)行中斷處理。處理完成之后，IST需要調用InterruptDone函數來(lái)告訴操作系統中斷處理結束，操作系統再次調用OAL中的OEMInterruptDone函數，最后完成中斷的處理。圖3為WinCE.NET中斷處理的流程框圖。

　　3 光電編碼器驅動(dòng)程序的設計

　　3.1 光電編碼器與S3C2410的硬件接口

　　光電編碼器與S3C24lO的接口電路如圖4所示。光電編碼器的A、B相為集電極開(kāi)路輸出，由于S3C2410的I/O口電平為3.3 V，所以將其通過(guò)電阻上拉到3.3V后再分別接到CPU的EINT0和EINT1上;將Pl直接接到3.3V，P2通過(guò)電阻下拉到GND。當旋鈕按下時(shí)，P2口輸出為高電平，否則輸出為低電平。

　　工作狀態(tài)下，將EINTO、EINTl配置成上升沿和下降沿均觸發(fā)的外部中斷，將EINT2配置成上升沿觸發(fā)的中斷，旋鈕按下時(shí)EINT2引腳產(chǎn)生上升沿觸發(fā)中斷

　　3.2 外部中斷初始化及中斷服務(wù)程序的編寫(xiě)

　　首先必須完成CPU的I/O口和中斷的初始化工作，然后再編寫(xiě)中斷處理程序。具體分為4個(gè)步驟：

　?、俪跏蓟疘/O口。在Port_Init()函數中，將EINT0和EINTl初始化為上升沿和下降沿均觸發(fā)的中斷。將EINT2初始化為上升沿觸發(fā)的中斷。

　?、谔砑又袛嗵?。在oalint.h下添加光電編碼器中斷向量的宏定義。代碼為#define SYSINTR_OED(SYSINTR_FIRMWARE+20)

　?、厶砑又袛嗟某跏蓟?、禁止、復位等函數，分別在OEMInterruptEnable()、OEMInterruptDisable()、OEM-InterruptDone()等函數中加入相關(guān)代碼。

　?、芊低袛鄻俗R，由OEMInterruptHandler()函數返回中斷標識(SYSINTR_OED)。

　　3.3 編寫(xiě)流接口驅動(dòng)程序

　　Windows CE.net把中斷處理分成兩個(gè)部分：中斷服務(wù)程序(ISR)和中斷服務(wù)線(xiàn)程(IST)。TSR通常要求越短、越快越好，它的唯一任務(wù)就是返回中斷標識。正由于ISR很小，只能做少量的處理，因此中斷處理器就調用IST執行大多數的中斷處理。中斷服務(wù)線(xiàn)程(IST)在從waitForSingleObject()函數得到中斷已經(jīng)發(fā)生的信號前一直保持空閑;當接收到中斷信號后，它就在本機設備驅動(dòng)程序的PDD層調用子程序，這些程序反過(guò)來(lái)訪(fǎng)問(wèn)硬件以獲得硬件的狀態(tài)。IST使用InterruptInitialize()函數來(lái)注冊自己，然后使用WaitForSingleObject()函數等待中斷信號。如果這時(shí)中斷信號到來(lái)，則應將光電編碼器的狀態(tài)記錄下來(lái)，保存在變量OED_Status中。OED_Status=1表示旋鈕按下，OED_Status=2表示旋鈕逆時(shí)針旋轉，OED_Status=3表示旋鈕順時(shí)針旋轉。

　　這里還有一種比較簡(jiǎn)單的鑒相規則，具體步驟是，當創(chuàng )建線(xiàn)程時(shí)讀出EINTl的電平狀態(tài)并保存在變量PreEINTl中，每次中斷到來(lái)時(shí)首先判斷EINT2是否為高電平。如果為高電平，則說(shuō)明按鈕按下;如果EINT2為低電平，則判斷EINTO電平是否與PreEINTl相同。如果相同，則說(shuō)明旋鈕逆時(shí)針旋轉;反之，旋鈕順時(shí)針旋轉，判斷的流程如圖5所示。

　　Windows CE流接口驅動(dòng)程序模型要求驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)者編寫(xiě)10個(gè)接口函數，針對光電編碼器的驅動(dòng)主要應完成設備初始化和數據讀取2個(gè)函數的編寫(xiě)。WindowsCE設備文件名前綴由3個(gè)大寫(xiě)字母組成，操作系統使用這3個(gè)字母來(lái)識別與流接口驅動(dòng)程序相對應的設備。這里定義設備文件名前綴為“OED”(Optical Encoder)，其中設備初始化函數OED_Init()在Windows CE裝載驅動(dòng)程序時(shí)用于創(chuàng )建中斷事件和中斷服務(wù)線(xiàn)程。在函數OED_Read()中將光電編碼器的狀態(tài)(OED_Status)返回。

　　3.4 封裝驅動(dòng)程序并加入到WinCE中

　　根據上述方法編譯出動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL)還不夠，因為它的接口函數還沒(méi)有導出，還需要告訴鏈接程序輸出什么樣的函數，因此必須建立一個(gè)后綴名為def的文件。在本設計中為OpticalEnccder.def。下面是此文件的內容：

　　一個(gè)具體的流接口驅動(dòng)程序和注冊表是密不可分的。向WinCE內核添加注冊表項的方法有兩種：一種是直接修改Platform Builder下的reg文件;另一種是自己編寫(xiě)一個(gè)注冊表文件，通過(guò)添加組件的方法將動(dòng)態(tài)鏈接庫文件添加到內核中。這里用第2種方法，將OpticalEncoder.dll添加到內核中。編寫(xiě)的注冊表文件內容如下：

　　最后編寫(xiě)一個(gè)CEC文件，完成對定制內核注冊表部分的修改并將OpticalEncoder.dll添加到系統內核中去，然后在Platform Builder中就可以直接添加已經(jīng)編寫(xiě)好的驅動(dòng)程序了。

　　結語(yǔ)

　　本文主要介紹了光電旋轉編碼器的原理及應用方法，并詳細介紹了WinCE驅動(dòng)程序的結構，成功地開(kāi)發(fā)出了光電編碼器在嵌入式操作系統WinCE下的驅動(dòng)程序。實(shí)驗證明，該方法正確可行，程序運行穩定可靠。