本文針對數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的應(yīng)用需求，設(shè)計了嵌入Linux的ARM9處理器LPC3250與16位AD采樣芯片MAX1303的硬件接口和驅(qū)動程序。首先，描述了LPC3250和MAX1303的性能、特點以及硬件接口電路設(shè)計方案。然后，在硬件平臺的基礎(chǔ)上，詳細地闡述了嵌入式Linux下MAXl303驅(qū)動程序的組成模塊和具體實現(xiàn)方法，并給出了部分源代碼以及對設(shè)備驅(qū)動的測試方法。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)工作正常、穩(wěn)定，采樣結(jié)果正確，具有實際工程應(yīng)用價值。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通常是通過傳感器將自然世界的物理量轉(zhuǎn)化成電量，電量是模擬量，必須經(jīng)過模／數(shù)轉(zhuǎn)換才能被系統(tǒng)的處理器讀取?，F(xiàn)在的很多微處理器都有片內(nèi)AD，但這些AD多數(shù)是8位、10位或者12位，有時候很難滿足精度要求。所以需要利用處理器的接口資源外擴精度較高的AD芯片。然而精度越高，價格越貴。所以在選擇AD芯片時，必須充分考慮這兩個方面。本系統(tǒng)在對采樣精度和價格進行權(quán)衡后，決定選擇16位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。由于設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)放置于環(huán)境惡劣的野外，所以全部器件都要滿足工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)，所以最終選擇了MAXIM公司的MAX1303。處理器選用了恩智普公司的ARM9微處理器LPC3250。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了硬件連接，以及Linux2．6．29內(nèi)核下的設(shè)備驅(qū)動程序，并通過編寫的應(yīng)用程序?qū)︱?qū)動程序進行了測試。

1 芯片介紹
1．1 LPC3250簡介
LPC3250是恩智普公司推出的、采用RISC結(jié)構(gòu)、基于ARM926EJ-S內(nèi)核的32位工業(yè)級處理器，可工作于-40～+85℃的范圍內(nèi)。它的最高工作頻率可達266 MHz，具有完整的存儲管理單元(MMU)，可以嵌入Linux／Wince等需要MMU支持的操作系統(tǒng)；高達256 kB的內(nèi)部SRAM可用于數(shù)據(jù)和代碼存儲；32 kB數(shù)據(jù)高速緩存和32 kB指令高速緩存；矢量浮點協(xié)處理器具有硬件浮點計算功能。另外，片內(nèi)有SD／MMC卡主機控制器和以太網(wǎng)控制器使系統(tǒng)實現(xiàn)文件存儲和以太網(wǎng)功能變得簡單，這對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)非常有用。
1．2 AD芯片MAX1303簡介
MAX1303是MAXIM公司推出的工業(yè)級、低功耗、多量程、16位精度的模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，采用+5 V單電源供電，最高采樣率可達115kbps。可使用+4．096 V片上基準(zhǔn)或者3．800到4．136 V之間的外部電壓基準(zhǔn)。采用20引腳的TSOP封裝。它的引腳如圖1所示。

從引腳圖可以看出，芯片外部有多種電源引腳，這些引腳對應(yīng)芯片內(nèi)部獨立的功能模塊。對芯片采用獨立的電源供電可以盡可能的使工作環(huán)境保持低噪聲。第16、17引腳在使用外部電壓基準(zhǔn)時分別連接AVDD和基準(zhǔn)電壓，在使用芯片內(nèi)部基準(zhǔn)時，分別通過0．01μF和1μF的電容旁路到AGND1即可。其他引腳功能如表1所示。
CH0-CH4支持4路單端輸入，或者2路差分輸入。SSTRB在AD轉(zhuǎn)換器的某些工作模式下可指示轉(zhuǎn)換狀態(tài)。另外4種數(shù)字接口可通過SPI／OSPI ／MICROWIRE兼容的串行接口與2．7 V至5．25 V的系統(tǒng)連接。
MAX1303支持7種單端輸入范圍或者3種差分輸入范圍，有7種工作模式。這些都可以通過輸入控制字進行配置。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
已提到，模／數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1303可以通過SPI／QSPI／MICROWIRE兼容的串行接口進行控制。由于SPI比較常見，并且協(xié)議簡單，本系統(tǒng)使用SPI協(xié)議控制此AD芯片。然而，雖然LPC3250有內(nèi)置的SPI控制器，但本系統(tǒng)選擇使用LPC3250的GPI／O口模擬SPI接口對MAX1303進行控制。下面分析原因。
已提到，MAX1303有7中工作模式，其中，有3種用于數(shù)據(jù)采集。這3種工作模式是：外部時鐘模式；外部采集模式；內(nèi)部時鐘模式。這3種采集模式各有優(yōu)缺點。外部時鐘模式的吞吐率最高，同時，給處理器帶來的負擔(dān)也最高；內(nèi)部時鐘模式吞吐率次之，能適當(dāng)減輕處理器的負擔(dān)；外部采集模式的吞吐率最低，但卻能最大限度的減輕處理器負擔(dān)。由于LPC3250性能強大，所以系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)時，使用吞吐率高的外部時鐘模式。然而，使用外部時鐘模式時，不像使用內(nèi)部時鐘模式和外部采集模式，處理器向MAX1303寫完控制字和轉(zhuǎn)換啟動字后，只需等待MAX1303的SSTRB引腳輸出的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，然后就可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。使用外部時鐘模式，需要精確的控制時鐘個數(shù)，這使得在驅(qū)動程序中，要經(jīng)常修改SPI的相關(guān)控制器，而且還要通過查詢來確定時鐘的個數(shù)。如果使用LPC3250的GPI／O口模擬SPI協(xié)議控制AD芯片就簡單的多?？刂艷PO口不斷翻轉(zhuǎn)輸出電平就可以產(chǎn)生時鐘信號，而且可隨意控制時鐘個數(shù)。對于發(fā)送數(shù)據(jù)，只需要簡單的把數(shù)據(jù)字節(jié)的每個位根據(jù)時鐘變化通過GPI口輸出給AD芯片。讀取數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)是一個相反的過程，但類似。

所以，用GPI／O口模擬SPI總線控制MAX1303非常簡單。本系統(tǒng)有兩路模擬信號需要采集，使用單端輸入，MAX1303的另外兩個輸入端接地。LPC3250與MAX1303的硬件連接如圖2所示。

3 Linux下設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計
設(shè)備驅(qū)動程序是應(yīng)用程序和硬件之間的橋梁，它為應(yīng)用程序屏蔽硬件細節(jié)，并將硬件封裝成一個文件的形式。當(dāng)應(yīng)用程序需要操作硬件時，只需操作硬件相對應(yīng)的設(shè)備文件即可。Linux對設(shè)備的分類有許多種，常見的分類是將設(shè)備分成3種：字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。這三類設(shè)備對應(yīng)3種設(shè)備文件。不同設(shè)備的開發(fā)模式以及與內(nèi)核的接口也不相同。MAX1303屬于字符設(shè)備，本文將分析Linux2．6．29內(nèi)核下MAX 1303的字符設(shè)備驅(qū)動設(shè)計方法。
設(shè)備驅(qū)動程序與應(yīng)用程序不同，應(yīng)用程序從main函數(shù)開始執(zhí)行，而驅(qū)動程序在被安裝時，則是從module_init宏指定的函數(shù)處開始執(zhí)行。module_init宏指定的函數(shù)被稱為模塊加載函數(shù)，它可以看成是驅(qū)動程序的入口。它通常完成地址映射，向內(nèi)核注冊并初始化cdev結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建設(shè)備文件等工作。模塊加載函數(shù)的程序流程圖如圖3所示。

與模塊加載函數(shù)對應(yīng)的，有一個模塊卸載函數(shù)，此函數(shù)由module_exit宏指定，它在驅(qū)動模塊被卸載時執(zhí)行。它主要完成的工作包括：銷毀設(shè)備文件；注銷設(shè)備所對應(yīng)的cdev結(jié)構(gòu)；釋放內(nèi)存；注銷設(shè)備號。
Struct cdev在內(nèi)核內(nèi)部被用來表示設(shè)備，這是一個非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它內(nèi)部有一個成員結(jié)構(gòu)structfile_operations，用于連接設(shè)備編號和驅(qū)動程序的操作。這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含一組函數(shù)指針，這一組函數(shù)的實現(xiàn)是設(shè)計驅(qū)動程序的重點和難點。這一組函數(shù)有很多，但根據(jù)項目需求，本系統(tǒng)只實現(xiàn)open，write，read，release 4個函數(shù)。

結(jié)構(gòu)struct file_operations中的open字段對應(yīng)著系統(tǒng)調(diào)用中的open函數(shù)。在應(yīng)用程序中，通過open函數(shù)打開MAX1303對應(yīng)的設(shè)備文件時，內(nèi)核會跳轉(zhuǎn)到此函數(shù)指針處。此函數(shù)指針的實現(xiàn)，主要完成初始化工作。這包括MAX1303的初始化配置和LPC3250驅(qū)動相關(guān)的寄存器設(shè)置。MAX1303的初始化包括工作模式選擇、量程范圍選擇、單端／差分輸入選擇、初始化通道選擇。對于這四項，本系統(tǒng)全部使用默認設(shè)置：外部時鐘模式；-Vref到+Vref的測量范圍；單端輸入；初始化輸入通道0。所以，在open中不用配置MAX1303。對LPC3250的寄存器配置也比較簡單，需要完成的配置有：片選信號拉高；時鐘信號拉低；處理器輸出拉低。
Write字段需要接收應(yīng)用程序從用戶空間傳遞到內(nèi)核的的數(shù)據(jù)，然后將此數(shù)據(jù)通過GPO_17端口發(fā)送給MAX1303。這些數(shù)據(jù)主要用于修改MAX1303的配置，例如通道選擇。向MAX1303寫數(shù)據(jù)時需要注意MAX1303電氣特性中的兩個時間參數(shù)Tcss和TCSPw。Tcss對應(yīng)著芯片的片選信號被拉低后到第一個時鐘到來前所必需的時間間隔。Tcspw對應(yīng)著寫模擬輸入配置字節(jié)、模式控制字節(jié)、轉(zhuǎn)換啟動字節(jié)時，任意兩者之間的時間間隔。這兩個時間參數(shù)都必須大于40 ns，且沒有上限。本系統(tǒng)中，在Read中寫轉(zhuǎn)換啟動字節(jié)，write中只做通道的切換，其他配置都使用默認的。
Read字段是MAX1303驅(qū)動的關(guān)鍵點。它負責(zé)讀取采樣結(jié)果，并將結(jié)果傳遞給應(yīng)用程序。在read中，首先是用8個時鐘向MAX1303寫轉(zhuǎn)換起始字節(jié)，然后使用8個是時鐘周期等待AD轉(zhuǎn)換完成。最后使用16個時鐘周期讀取MAX1303輸出的轉(zhuǎn)換結(jié)果。由于轉(zhuǎn)換結(jié)果是以串行方式輸出，故需要將讀取的數(shù)據(jù)拼湊起來。又由于ARM使用的是端口3的GPI_06管腳讀取MAX1303的輸出數(shù)據(jù)，且對于端口3的操作是以32位進行的，所以還需要考慮拼接端口3的哪個數(shù)據(jù)位。本文的處理方式是先將端口3讀出的數(shù)據(jù)右移6位。具體的操作代碼如下：

release對應(yīng)著系統(tǒng)調(diào)用中的close函數(shù)。它需要完成這個驅(qū)動所涉及的配置寄存器的復(fù)位，操作過程與open相反。在還原寄存器的默認設(shè)置后，打印一條設(shè)備文件關(guān)閉的信息，供應(yīng)用程序開發(fā)者調(diào)試時觀察使用。

4 Linux應(yīng)用程序設(shè)計與測試
本文介紹的應(yīng)用程序是整個系統(tǒng)的一部分，這里僅供測試驅(qū)動程序使用。測試的功能主要是驅(qū)動中的write和read功能。由于驅(qū)動程序的read中沒有對讀取的采樣值做處理，所以得到的數(shù)據(jù)還不是輸入信號的實際值，應(yīng)用程序必須對數(shù)據(jù)進行處理。由于MAX1303采用單端、雙極性輸入，所以處理公式為：

式中，實際值的單位是毫伏；采樣值是從MAX1303讀取的數(shù)據(jù)；FSR是滿量程范圍，對于本系統(tǒng)，F(xiàn)SR是2*Vref；本系統(tǒng)采用內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，Vref的理論值是4．096 V，但實際系統(tǒng)中會有一定的漂移，范圍一般在4．056 V到4．136 V之間。
為了測試，應(yīng)用程序每秒讀取一次兩個通道的數(shù)據(jù)，并打印。應(yīng)用程序的流程圖如圖4所示。