基于Linux嵌入式系统的S3C6410和ADS1298R的SPI接口驱动的实现
2014-07-29汤沁徐学军彭地卓李骥
汤沁 徐学军 彭地卓 李骥
【摘要】 本文介绍了高速模数转换芯片ADS1298R与ARM11微控制器S3C6410利用串行外设接口（SPI）进行数据通信的应用方案，给出了两者SPI接口的连接图和Linux操作系统下驱动的具体实现方法，最后编写了应用程序进行测试，论证了该方法的可行性。ADS1298R和S3C6410基于SPI的串行通信方式为嵌入式高速数据采集系统提供了一个解决方案。
【关键词】 SPI驱动 ADS1298R S3C6410 Linux
SPI总线是一种同步串行外设接口， MCU通过它可以与各种外围设备进行数据通信[7]。SPI总线只需3～4根数据线和控制线即可扩展具有SPI接口的各种I/O器件，其硬件功能很强，实现软件相当简单[1]。SPI为全双工通信，显得简单高效，因而A/D转换器与ARM通过SPI接口相结合而组成的基于Linux的数据采集系统显得十分有效。
一、ADS1298R的特性和使用
ADS1298R是美国德州仪器公司推出的一款低功率，8通道，同步采样，24位三角积分模数转换器，此产品具有内置的可编程增益放大器（PGA），内部基准和一个板载振荡器[4]。运行数据速率最高可达32KSPS，时钟频率2.048MHz，具有串行外设接口（SPI），并兼容串口。其引脚定义如图1所示。
如图2所示为ADS1298R的串行接口时序图，串行时钟为数据的输入输出提供了传输时序。当一次数据转换完成后，DRDY变低，表示有数据可进行传输，将片选信号CS拉低，串行时钟开始工作，DRDY电平在SCLK的第一个时钟下降沿升高，在SCLK上升沿往外部控制设备传数据，在下降沿从外部控制设备读数据命令。数据传输阶段CS必须保持低电平，传输一组数据需要216个串行时钟周期。
二、S3C6410概述
S3C6410是三星公司推出的一款采用RISC架构的16/32位微控制器，它基于ARM1176JZF-S内核，高效的八级流水线使其贯通率比以前的ARM内核提高了40%[6]。最高时钟频率可达667MHz。
S3C6410含有2通道的SPI接口，可来实现串行数据的传输。每个SPI通道含有两个独立的32位发送和接收数据寄存器和两个32位移位寄存器，以及两个64字节的接收和发送FIFO，三者在SPI通信中的关系如图3所示。
三、SPI驱动
设备驱动是从操作系统当中提取物理或者虚拟设备的软件，是连接硬件与操作系统的桥梁。SPI驱动程序属于流接口驱动程序，导出标准的流接口函数，由流接口驱动管理器向应用程序提供文件系统，应用程序通过对文件系统的处理来完成对设备的操作[2，3]。
根据SPI接口连接原理，将ADS1298R和S3C6410的SPI接口引脚按图4所示的方式进行连接。
为了实现S3C6410与ADS1298R的数据通信，编写了基于嵌入式Linux操作系统下混杂设备驱动程序，该SPI驱动主要由以下几个函数构成。
（1）spi_init_function（）完成SPI的初始化工作。首先将对应I/O口配置成SPI功能模式，然后对S3C6410的SPI寄存器进行如下顺序的配置。
●将SPI传输模式（CPOL&CPHA）配置成与ADS1298R一致。
●设置串行时钟配置寄存器CLK_CFG。
●设置SPI FIFO控制寄存器MODE_CFG。
●开Tx或Rx通道。
●将片选设置成手动模式，将NSSOUT设置成低并开始传输或接收数据[5]。
static void spi_init_function（void）
{······
CH_CFG = （（0 << 6） | （0 << 5） | （0 << 4） | （0 << 3） | （1 << 2） | （0 << 1） | （0 << 0））；
CLK_CFG = （（0 << 9） | （1 << 8） | （0x4 << 0））；
MODE_CFG = （（0 << 29） | （0 << 19） | （0 << 17） | （1 << 11） | （1 << 5）
| （0 << 2） | （0 << 1） | （0 << 0））；
SLAVE_SEL = （0x00）；
······}
（2）spi_write（）用于向ADS1298R传递控制命令。S3C6420通过spi_write（）函数向ADS1298R传递命令，使其工作在对应状态。传数据时开发送通道，并将CS信号拉低，然后将用户层传递过来的命令通过图3的发送通道传送至ADS1298R，ADS1298R在SCLK的下降沿从DIN将数据读入。
static ssize_t spi_write（struct file *filp，const char __user *buff，size_t count，loff_t *offp）
{······
SPI_CS_LOW（ ）；
for（i=0；i writeByte（kbuf[i]）； SPI_CS_HIGH（）； ······} （3）spi_read（ ）用于读取经AD转换后的数据。ADS1298R将转换的数据准备好后，DRDY信号变低，S3C6410便可开接收通道，并拉低CS，然后通过图3的接收通道接收数据，ADS1298R在SCLK的上升沿将数据从DOUT送出。 static ssize_t spi_read（struct file *filp， char __user *buff， size_t count， loff_t *offp）
{······
SPI_CS_LOW（ ）；
while（！DRDY）；
for（i=0；i<9；i++）
tab[i] = readByte（ ）；
SPI_CS_HIGH（ ）；
······}
四、SPI测试程序
为了测试驱动的正确性，编写了测试应用程序对驱动进行测试。为了方便对ADS1298R工作模式和状态的控制，我们将对ADS1298R的控制命令放在了应用程序里。对ADS1298R的控制主要是对其23个可读可写寄存器的配置。用ADS1298R内部自带测试信号进行测试。测试程序包括两部分，第一部分目的是通过传递命令方式配置ADS1298R相应寄存器，本测试程序对ADS1298R的控制命令集为：
ADS1299RegVal[27]=
{0x41，0x18，0x85，0x10，0xdc，0x03，0x05，0x80，0x80，0x80，0x80，0x80，0x80，0x80，0x01，0x01，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x02，0x0a，0xe3}；
第二部分循环读ADS1298R，并将读到的数据以数据流的形式存入文件中。
由以下两个函数实现：
read（spi_fd，&data，3）；
fprintf（stream，"%06lx＼40"，data）；
测试结果如图5所示。
并且我们还用信号源输出正弦波形进行了单通道测试，其中正弦波幅值为100mVpp，频率为10Hz。测试结果如图6所示，由于配置的A/D增益为6，故输出波形幅值为600mVpp。
对采集的波形进行功率谱分析，结果如图7所示。
五、结论
经测试本SPI驱动能实现ADS1298R与S3C6410之间的串行数据通信。使用带SPI接口的A/D与微控制器相连进行数据采集系统的开发具有占微控制器I/O资源少，硬件连接方便，软件开发易于实现的特点。此SPI驱动只需稍加修改便可与其他带SPI接口的A/D相连，具有很好的可移植性。带SPI接口的A/D与ARM微控制器结合能很好的应用于具有信号采集功能的嵌入式系统，如抄表系统、医疗仪器、监控设备等领域。endprint
{······
SPI_CS_LOW（ ）；
while（！DRDY）；
for（i=0；i<9；i++）
tab[i] = readByte（ ）；
SPI_CS_HIGH（ ）；
······}
四、SPI测试程序
为了测试驱动的正确性，编写了测试应用程序对驱动进行测试。为了方便对ADS1298R工作模式和状态的控制，我们将对ADS1298R的控制命令放在了应用程序里。对ADS1298R的控制主要是对其23个可读可写寄存器的配置。用ADS1298R内部自带测试信号进行测试。测试程序包括两部分，第一部分目的是通过传递命令方式配置ADS1298R相应寄存器，本测试程序对ADS1298R的控制命令集为：
ADS1299RegVal[27]=
{0x41，0x18，0x85，0x10，0xdc，0x03，0x05，0x80，0x80，0x80，0x80，0x80，0x80，0x80，0x01，0x01，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x02，0x0a，0xe3}；
第二部分循环读ADS1298R，并将读到的数据以数据流的形式存入文件中。
由以下两个函数实现：
read（spi_fd，&data，3）；
fprintf（stream，"%06lx＼40"，data）；
测试结果如图5所示。
并且我们还用信号源输出正弦波形进行了单通道测试，其中正弦波幅值为100mVpp，频率为10Hz。测试结果如图6所示，由于配置的A/D增益为6，故输出波形幅值为600mVpp。
对采集的波形进行功率谱分析，结果如图7所示。
五、结论
经测试本SPI驱动能实现ADS1298R与S3C6410之间的串行数据通信。使用带SPI接口的A/D与微控制器相连进行数据采集系统的开发具有占微控制器I/O资源少，硬件连接方便，软件开发易于实现的特点。此SPI驱动只需稍加修改便可与其他带SPI接口的A/D相连，具有很好的可移植性。带SPI接口的A/D与ARM微控制器结合能很好的应用于具有信号采集功能的嵌入式系统，如抄表系统、医疗仪器、监控设备等领域。endprint
{······
SPI_CS_LOW（ ）；
while（！DRDY）；
for（i=0；i<9；i++）
tab[i] = readByte（ ）；
SPI_CS_HIGH（ ）；
······}
四、SPI测试程序
为了测试驱动的正确性，编写了测试应用程序对驱动进行测试。为了方便对ADS1298R工作模式和状态的控制，我们将对ADS1298R的控制命令放在了应用程序里。对ADS1298R的控制主要是对其23个可读可写寄存器的配置。用ADS1298R内部自带测试信号进行测试。测试程序包括两部分，第一部分目的是通过传递命令方式配置ADS1298R相应寄存器，本测试程序对ADS1298R的控制命令集为：
ADS1299RegVal[27]=
{0x41，0x18，0x85，0x10，0xdc，0x03，0x05，0x80，0x80，0x80，0x80，0x80，0x80，0x80，0x01，0x01，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x02，0x0a，0xe3}；
第二部分循环读ADS1298R，并将读到的数据以数据流的形式存入文件中。
由以下两个函数实现：
read（spi_fd，&data，3）；
fprintf（stream，"%06lx＼40"，data）；
测试结果如图5所示。
并且我们还用信号源输出正弦波形进行了单通道测试，其中正弦波幅值为100mVpp，频率为10Hz。测试结果如图6所示，由于配置的A/D增益为6，故输出波形幅值为600mVpp。
对采集的波形进行功率谱分析，结果如图7所示。
五、结论
经测试本SPI驱动能实现ADS1298R与S3C6410之间的串行数据通信。使用带SPI接口的A/D与微控制器相连进行数据采集系统的开发具有占微控制器I/O资源少，硬件连接方便，软件开发易于实现的特点。此SPI驱动只需稍加修改便可与其他带SPI接口的A/D相连，具有很好的可移植性。带SPI接口的A/D与ARM微控制器结合能很好的应用于具有信号采集功能的嵌入式系统，如抄表系统、医疗仪器、监控设备等领域。endprint
