串口AD嵌入式Linux驱动实现

2010-07-14杨小容陈建政

中国测试 2010年2期

杨小容，陈建政

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都 610031）

1 引言

Linux操作系统的迅猛发展，与其具有的良好特性是分不开的。Linux是一种性能优良、源码公开、多用户、多任务操作系统，目前主要运用在大型服务器领域、网络处理应用和嵌入式系统。随着现代智能设备的不断升级换代,基于ARM等嵌入式系统等的32位机智能系统在现代生活中的地位也越来越重要。为了加强在嵌入式系统领域的优势，Linux2.6已经在内核中加入了提高中断性能和调度响应时间的改进，包括采用可抢占内核、效率更高的调度算法和同步特性。另外，Linux2.6内核加入了包括S3C2440X在内的多种微控制器的支持，并开始支持多种流行的无MMU单元的微控制器，如Dragonball、ColdFire、Hitachi H8/300。掌握嵌入式Linux驱动开发及AD数据采集系统的开发，实现高速、可靠的数据采集理念，并可将其用于高速列车的分布式数据采集系统中。

2 硬件说明

2.1 ARM微处理器S3C2440

S3C2440是三星公司推出的采用RISC结构的16/32位微处理器。它基于ARM920T内核，采用五级流水线和哈佛结构，开发板布局简洁明了，外设齐全，接口标准，扩展方便。最高频率可达400MHz，低功耗，高性能，适合于PDA、便携媒体播放器、卫星导航仪等多媒体终端。文件系统采用YAFFS文件系统，YAFFS类似于JFFS/JFFS2，是专门为NAND闪存设计的嵌入式文件系统，适用于大容量的存储设备[1-2]。

S3C2440有2个SPI口，可实现串行数据传输，每个SPI接口各有2个移位寄存器分别负责接收和发送数据。发送数据和接收数据是同步进行的，传送的频率可由相应的控制寄存器设定。数据传输时，一个SPI系统作为“主机”控制数据流，其他SPI作为“从机”，主机控制数据的输入和输出。S3C2440的SPI口包括2条数据线及2条控制线：

主机输出从机输入（SPIMOSI）：数据线将主机输出数据作为从机输入。

主机输入从机输出（SPIMISO）：数据线将从机输出作为主机输入。传输时，只有单从机传输数据。

串行时钟（SPICLK）：控制线由主机驱动，用来调节数据流。主机传输数据波特率可变，传输一位，产生一个SPICLK周期。

从机选择（NSS）：控制线允许硬件开关从机。可与译码器结合控制多个外设。

该文采用 MISO，MOSI，SPICLK0 作为 SPI通信信号，NSS0作为TLC2543的片选信号。如图1所示为S3C2440与TLC2543的接口电路图。

图1 S3C2440与TLC2543的连接图

2.2 TLC2543引脚及原理

TLC2543是TI公司生产的一种12位开关电容逐次逼近A/D转换器[2-5]。芯片共有11个模拟输入通道（AIN0～AIN10）。芯片的三个控制端串行三态输出数据端（DATA OUTPUT）、输入数据端（DATA INPUT）、输入/出时钟（I/O CLOCK）能形成与微处理器之间数据传输较快和较为有效的串行外设接口（SPI）。片内具有一个14通道多路选择器用于在11个模拟输入通道和3个内部自测试（SELl-TEST）电压中任选一个。可通过对其8位内部控制寄存器进行编程完成通道的选择，并可对输出结果的位数、MSB/LSB导前和极性进行选择。如图2是TLC2543时序图（MSB FIRST），TLC2543在程序中定义16位输出，但实际转换结果仍为12位，只不过在数据传送过程中4个LSB位被置为0。

TLC2543的片选信号CS变低时开始转换和传送过程，I/O CLOCK的前8个上升沿将8个输入数据位键入输入数据寄存器，同时它将前一次转换的数据的其余11位移出DATA OUT端。TLC2543收到4个时钟信号后，开始对选定的通道的模拟量进行采样。并保持到第16个时钟的下降沿，之后开始对采样的模拟量进行转换，大约需10 μs，转换的数据保存在输出数据寄存器中待下一个工作周期输出。

3 设备驱动程序

设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口，它为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件。应用程序可以和操作普通文件一样，只需要进行文件的打开、读写和关闭等操作，就能控制底层的具体硬件设备[6-10]。在Linux操作系统下有三类主要的设备文件类型，即字符设备、块设备和网络设备。模数转换芯片TLC2543属于字符设备类（char device），这也是使用最多的设备类别。

3.1 A/D模块的初始化函数

使用一个设备之前要首先对其进行初始化，A/D设备驱动的初始化函数AD_init_module(void)主要完成两个部分的操作，第一是对A/D的PIO口进行初始化设置，并对SPI的工作方式、各控制寄存器和模式寄存器等配置参数；第二是完成A/D设备驱动程序向Linux内核注册，为其动态的申请一个设备号。

图2 TLC2543时序图（MSB FIRST）

初始化工作首先要对S3C2440的SPI控制器编程，设置SPI工作方式，完成对控制寄存器SPCON设置、波特率SPPRE设置和GPIO口的设置等。由于在Linux下是不允许对设备的物理地址进行直接访问的，必须转换为虚拟地址后才能访问，定义AD_devices=kmalloc（sizeof（structAD_dev），GFP_KERNEL），并动态分配内存 memset（AD_devices，0，sizeof（struct AD_dev））。

设置完各参数后还需要将设备驱动程序向Linux内核注册，利用函数int register_chrdev（unsigned int major，constchar*name，struct file_operations*fops）其中：major是感兴趣的主编号，name是驱动的名字（出现在/proc/devices），fops是缺省的 file_operations结构。这样基本完成了设备驱动的初始化函数。

3.2 设备操作的具体实现函数

该驱动的工作流程如图3所示。Linux内核是通过一个file_perations的结构体来组织对设备操作的具体实现函数，结构中的成分几乎全是函数指针。包含了驱动程序提供给应用程序访问硬件设备的各种方法。每个成员都对应一个系统调用，当用户对设备文件进行操作时，系统调用通过设备文件的主设备号找到相应设备的驱动程序，然后找到file_operations中相应的函数指针，并由该函数进行以下的控制[2-5，11-12]。需要对SPI端口进行打开、关闭、接收、发送、传输数据操作，因此定义file_operations结构体如下：

int AD_open（struct inode*inode，struct file*filp）；

int AD_release（struct inode*inode，struct file*filp）；

static ssize_t AD_write （struct file*file，const char*buf，size_t count，loft_t*offset）；

其中读设备方法主要实现A/D转换后的结果输出到用户空间中，写设备方法则相反，它从用户空间读取数据，对A/D设备写命令字进行控制。用户利用SPI接口发送和接收数据时，系统就会分别调用AD_write和 AD_read函数及 AD_convert和 spi_tx_data函数。AD_read函数中需要注意参数buf和count。buf是用户空间缓冲区，read调用的返回数据保存在这里。count是指buf空间的大小，用字节数表示。当S3C2440的状态寄存器（在此使用的是GPH的数据寄存器GPHDAT）设置为TXD时进行A/D转换，可以通过 copy_to_usr（buf，from，count）函数将接收的数据传送给用户程序。AD_write函数中的buf和count参数同AD_read函数中的说明，可通过copy_from_usr（to，buf，count）函数接收用户需要发送的数据。

文件的打开（AD_open）和关闭（AD_release）函数只是将模块使用计数加一、减一。open调用时如果返回-1则表示打开设备文件不成功，close调用时只需关闭open函数返回的文件描述字所连的设备即可。

对于A/D转换及其数据传输，定义：

void AD_convert（void）；

void spi_tx_data（unsigned char data）；

A/D转换函数AD_convert中首先设置寄存器为发送状态，调用spi_tx_data通过中断方式完成数据发送。S3C2440的SPI接口设置为中断传送模式进行串行数据传输：int request_irq（unsigned int irq，irqreturn_t（*handler）（int，void*，structpt_regs*），unsignedlongflags，constchar*dev_name，void*dev_id）。

3.3 设备注销函数

与设备初始化函数相对应，设备注销函数void AD_cleanup_module（void）主要完成释放内存空间、端口等操作，其核心部分是由字符设备注销函数unregister_chrdev （unsigned intmajor，constchar*name）组成的，该函数完成驱动程序向Linux内核的注销，当设备驱动程序注销以后，内核收回所分配的设备号。