嵌入Linux的ARM9处理器LPC3250与16位AD采样芯片

    本文针对数据采集与处理系统的应用需求，设计了嵌入Linux的ARM9处理器LPC3250与16位AD采样芯片MAX1303的硬件接口和驱动程序。首先，描述了LPC3250和MAX1303的性能、特点以及硬件接口电路设计方案。然后，在硬件平台的基础上，详细地阐述了嵌入式Linux下MAXl303驱动程序的组成模块和具体实现方法，并给出了部分源代码以及对设备驱动的测试方法。测试结果表明，系统工作正常、稳定，采样结果正确，具有实际工程应用价值。

    在数据采集系统中，通常是通过传感器将自然世界的物理量转化成电量，电量是模拟量，必须经过模／数转换才能被系统的处理器读取。现在的很多微处理器都有片内AD，但这些AD多数是8位、10位或者12位，有时候很难满足精度要求。所以需要利用处理器的接口资源外扩精度较高的AD芯片。然而精度越高，价格越贵。所以在选择AD芯片时，必须充分考虑这两个方面。本系统在对采样精度和价格进行权衡后，决定选择16位模／数转换器。由于设计的数据采集系统放置于环境恶劣的野外，所以全部器件都要满足工业级标准，所以最终选择了MAXIM公司的MAX1303。处理器选用了恩智普公司的ARM9微处理器LPC3250。在此基础上，设计了硬件连接，以及Linux2．6．29内核下的设备驱动程序，并通过编写的应用程序对驱动程序进行了测试。

1 芯片介绍
1．1 LPC3250简介
    LPC3250是恩智普公司推出的、采用RISC结构、基于ARM926EJ-S内核的32位工业级处理器，可工作于-40～+85℃的范围内。它的最高工作频率可达266 MHz，具有完整的存储管理单元(MMU)，可以嵌入Linux／Wince等需要MMU支持的操作系统；高达256 kB的内部SRAM可用于数据和代码存储；32 kB数据高速缓存和32 kB指令高速缓存；矢量浮点协处理器具有硬件浮点计算功能。另外，片内有SD／MMC卡主机控制器和以太网控制器使系统实现文件存储和以太网功能变得简单，这对于数据采集系统非常有用。
1．2 AD芯片MAX1303简介
    MAX1303是MAXIM公司推出的工业级、低功耗、多量程、16位精度的模／数转换芯片，采用+5 V单电源供电，最高采样率可达115kbps。可使用+4．096 V片上基准或者3．800到4．136 V之间的外部电压基准。采用20引脚的TSOP封装。它的引脚如图1所示。

    
    从引脚图可以看出，芯片外部有多种电源引脚，这些引脚对应芯片内部独立的功能模块。对芯片采用独立的电源供电可以尽可能的使工作环境保持低噪声。第16、17引脚在使用外部电压基准时分别连接AVDD和基准电压，在使用芯片内部基准时，分别通过0．01μF和1μF的电容旁路到AGND1即可。其他引脚功能如表1所示。
    CH0-CH4支持4路单端输入，或者2路差分输入。SSTRB在AD转换器的某些工作模式下可指示转换状态。另外4种数字接口可通过SPI／OSPI ／MICROWIRE兼容的串行接口与2．7 V至5．25 V的系统连接。
    MAX1303支持7种单端输入范围或者3种差分输入范围，有7种工作模式。这些都可以通过输入控制字进行配置。

2 系统硬件设计
    已提到，模／数转换器MAX1303可以通过SPI／QSPI／MICROWIRE兼容的串行接口进行控制。由于SPI比较常见，并且协议简单，本系统使用SPI协议控制此AD芯片。然而，虽然LPC3250有内置的SPI控制器，但本系统选择使用LPC3250的GPI／O口模拟SPI接口对MAX1303进行控制。下面分析原因。
    已提到，MAX1303有7中工作模式，其中，有3种用于数据采集。这3种工作模式是：外部时钟模式；外部采集模式；内部时钟模式。这3种采集模式各有优缺点。外部时钟模式的吞吐率最高，同时，给处理器带来的负担也最高；内部时钟模式吞吐率次之，能适当减轻处理器的负担；外部采集模式的吞吐率最低，但却能最大限度的减轻处理器负担。由于LPC3250性能强大，所以系统在采集数据时，使用吞吐率高的外部时钟模式。然而，使用外部时钟模式时，不像使用内部时钟模式和外部采集模式，处理器向MAX1303写完控制字和转换启动字后，只需等待MAX1303的SSTRB引脚输出的转换结束信号，然后就可以读取转换结果。使用外部时钟模式，需要精确的控制时钟个数，这使得在驱动程序中，要经常修改SPI的相关控制器，而且还要通过查询来确定时钟的个数。如果使用LPC3250的GPI／O口模拟SPI协议控制AD芯片就简单的多。控制GPO口不断翻转输出电平就可以产生时钟信号，而且可随意控制时钟个数。对于发送数据，只需要简单的把数据字节的每个位根据时钟变化通过GPI口输出给AD芯片。读取数据与发送数据是一个相反的过程，但类似。

    
    所以，用GPI／O口模拟SPI总线控制MAX1303非常简单。本系统有两路模拟信号需要采集，使用单端输入，MAX1303的另外两个输入端接地。LPC3250与MAX1303的硬件连接如图2所示。

3 Linux下设备驱动程序设计
    设备驱动程序是应用程序和硬件之间的桥梁，它为应用程序屏蔽硬件细节，并将硬件封装成一个文件的形式。当应用程序需要操作硬件时，只需操作硬件相对应的设备文件即可。Linux对设备的分类有许多种，常见的分类是将设备分成3种：字符设备、块设备、网络设备。这三类设备对应3种设备文件。不同设备的开发模式以及与内核的接口也不相同。MAX1303属于字符设备，本文将分析Linux2．6．29内核下MAX 1303的字符设备驱动设计方法。
    设备驱动程序与应用程序不同，应用程序从main函数开始执行，而驱动程序在被安装时，则是从module_init宏指定的函数处开始执行。module_init宏指定的函数被称为模块加载函数，它可以看成是驱动程序的入口。它通常完成地址映射，向内核注册并初始化cdev结构，创建设备文件等工作。模块加载函数的程序流程图如图3所示。

    
    与模块加载函数对应的，有一个模块卸载函数，此函数由module_exit宏指定，它在驱动模块被卸载时执行。它主要完成的工作包括：销毁设备文件；注销设备所对应的cdev结构；释放内存；注销设备号。
    Struct cdev在内核内部被用来表示设备，这是一个非常重要的数据结构。它内部有一个成员结构structfile_operations，用于连接设备编号和驱动程序的操作。这个数据结构包含一组函数指针，这一组函数的实现是设计驱动程序的重点和难点。这一组函数有很多，但根据项目需求，本系统只实现open，write，read，release 4个函数。

    结构struct file_operations中的open字段对应着系统调用中的open函数。在应用程序中，通过open函数打开MAX1303对应的设备文件时，内核会跳转到此函数指针处。此函数指针的实现，主要完成初始化工作。这包括MAX1303的初始化配置和LPC3250驱动相关的寄存器设置。MAX1303的初始化包括工作模式选择、量程范围选择、单端／差分输入选择、初始化通道选择。对于这四项，本系统全部使用默认设置：外部时钟模式；-Vref到+Vref的测量范围；单端输入；初始化输入通道0。所以，在open中不用配置MAX1303。对LPC3250的寄存器配置也比较简单，需要完成的配置有：片选信号拉高；时钟信号拉低；处理器输出拉低。
    Write字段需要接收应用程序从用户空间传递到内核的的数据，然后将此数据通过GPO_17端口发送给MAX1303。这些数据主要用于修改MAX1303的配置，例如通道选择。向MAX1303写数据时需要注意MAX1303电气特性中的两个时间参数Tcss和TCSPw。Tcss对应着芯片的片选信号被拉低后到第一个时钟到来前所必需的时间间隔。Tcspw对应着写模拟输入配置字节、模式控制字节、转换启动字节时，任意两者之间的时间间隔。这两个时间参数都必须大于40 ns，且没有上限。本系统中，在Read中写转换启动字节，write中只做通道的切换，其他配置都使用默认的。
    Read字段是MAX1303驱动的关键点。它负责读取采样结果，并将结果传递给应用程序。在read中，首先是用8个时钟向MAX1303写转换起始字节，然后使用8个是时钟周期等待AD转换完成。最后使用16个时钟周期读取MAX1303输出的转换结果。由于转换结果是以串行方式输出，故需要将读取的数据拼凑起来。又由于ARM使用的是端口3的GPI_06管脚读取MAX1303的输出数据，且对于端口3的操作是以32位进行的，所以还需要考虑拼接端口3的哪个数据位。本文的处理方式是先将端口3读出的数据右移6位。具体的操作代码如下：
    
    release对应着系统调用中的close函数。它需要完成这个驱动所涉及的配置寄存器的复位，操作过程与open相反。在还原寄存器的默认设置后，打印一条设备文件关闭的信息，供应用程序开发者调试时观察使用。

4 Linux应用程序设计与测试
    本文介绍的应用程序是整个系统的一部分，这里仅供测试驱动程序使用。测试的功能主要是驱动中的write和read功能。由于驱动程序的read中没有对读取的采样值做处理，所以得到的数据还不是输入信号的实际值，应用程序必须对数据进行处理。由于MAX1303采用单端、双极性输入，所以处理公式为：
    
    式中，实际值的单位是毫伏；采样值是从MAX1303读取的数据；FSR是满量程范围，对于本系统，FSR是2*Vref；本系统采用内部电压基准，Vref的理论值是4．096 V，但实际系统中会有一定的漂移，范围一般在4．056 V到4．136 V之间。
    为了测试，应用程序每秒读取一次两个通道的数据，并打印。应用程序的流程图如图4所示。

    
    根据应用程序的打印结果和CH1、CH2的实际输入，系统采样结果正确，系统运行稳定。

   5 结论
    A／D转换器在数据采集系统和智能控制系统中有极其重要的用途。嵌入式Linux在现代的嵌入式系统中也被广泛应用。本文描述的16位AD芯片的Linux驱动和硬件接口设计不仅在笔者所开发的系统中具有实际工程应用价值，同时，对其他具有SPI接口的AD芯片的硬件接口设计和Linux驱动程序设计也有一定的参考价值。