VxWorks下AD/DA驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計及測試

相對于其他嵌入式操作系統(tǒng)，VxWorks以其高可靠性、微內(nèi)核、可裁減性以及高效的硬實時任務(wù)調(diào)度、中斷管理等優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)和實時性要求極高的領(lǐng)域[1]。工程中實際應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)通常包括以下幾個部分：串口、并口、CAN總線和AD/DA等。對于前三種嵌入式硬件,VxWorks內(nèi)核本身已提供了完備的驅(qū)動支持并給出了相應(yīng)驅(qū)動的參考例程，但目前還未包括對A/D及D/A設(shè)備的支持；此外，由于相關(guān)技術(shù)資料的保密性，相應(yīng)驅(qū)動設(shè)計的參考文獻(xiàn)也較少。因此，本文結(jié)合實際系統(tǒng)需要（利用12位D/A輸出可調(diào)模擬量控制電機轉(zhuǎn)速，利用12位A/D對壓電陀螺所敏感的電機轉(zhuǎn)速進(jìn)行數(shù)據(jù)采集），對AD/DA設(shè)備的驅(qū)動進(jìn)行了相關(guān)研究，研究結(jié)果具有實際工程應(yīng)用價值。

本文在簡要分析了VxWorks I/O系統(tǒng)及設(shè)備驅(qū)動基礎(chǔ)之上，將A/D與D/A兩者整合為一個完整的字符設(shè)備掛接到VxWorks的I/O系統(tǒng)中，成功實現(xiàn)了該設(shè)備的硬件驅(qū)動并附上對應(yīng)的核心驅(qū)動代碼，最后在驅(qū)動程序測試過程中簡要說明了應(yīng)用層軟件的設(shè)計方法，為工程應(yīng)用提供了完善的解決辦法。

1 VxWorks I/O系統(tǒng)與設(shè)備驅(qū)動

了解和掌握VxWorks的I/O系統(tǒng)及設(shè)備的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，是成功設(shè)計AD/DA設(shè)備驅(qū)動的前提和基礎(chǔ)。具體來說：VxWorks是一個層次化分明的操作系統(tǒng)，每層各負(fù)其責(zé)，層與層之間又緊密相連。通常所說的驅(qū)動程序?qū)儆诘讓拥姆懂牐脩舻膽?yīng)用程序則屬于上層，位于這兩層之間的是中間層，無需用戶開發(fā)，由VxWorks進(jìn)行維護和管理。這樣，操作系統(tǒng)把各層有機地連接在一起，使代碼緊湊而高效。VxWorks的I/O系統(tǒng)正是這樣的中間層，以本文所要研究的AD/DA驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計為例，圖1詳細(xì)介紹了三者的關(guān)系。

圖1中的最底層就是所要編寫的設(shè)備驅(qū)動程序，包括對具體硬件的初始化和各種操作，以及與上層I/O系統(tǒng)的接口；中間層為I/O系統(tǒng)層，VxWorks的I/O系統(tǒng)不但向上提供了7個基本的I/O接口，以供應(yīng)用程序調(diào)用，而且還向下提供與各種設(shè)備驅(qū)動程序的接口；最頂層為應(yīng)用層，用戶根據(jù)實際應(yīng)用需要編寫應(yīng)用程序，并通過應(yīng)用程序向下調(diào)用I/O系統(tǒng)。與UNIX類似，VxWorks所有的I/O設(shè)備都被當(dāng)作文件來存取。關(guān)于VxWorks I/O系統(tǒng)驅(qū)動機制的更多內(nèi)容請參考文獻(xiàn)[2][3]。

　　針對系統(tǒng)需要，選擇7個基本I/O接口函數(shù)中的open()、read()、write()以及ioctl()進(jìn)行驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計，各層函數(shù)與相應(yīng)實現(xiàn)的功能對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

此外，D/A輸出通道在應(yīng)用程序中選擇，下面給出AD/DA驅(qū)動系統(tǒng)的具體設(shè)計過程。

2 AD/DA驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

2.1 驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

與其他嵌入式系統(tǒng)開發(fā)類似，VxWorks也采用主機-目標(biāo)機模式[4]，如圖2所示。

硬件平臺中主機使用CPU為迅馳的PC機，運行VxWorks開發(fā)環(huán)境Tornado2.2；目標(biāo)機依照系統(tǒng)應(yīng)用要求選用基于PC104 總線的嵌入式CPU卡MSMP586SEV，該CPU是VxWorks所支持的Intel x86系列CPU。VxWorks自帶的板級支持包（BSP）支持該CPU，使得在驅(qū)動開發(fā)過程中無須過多考慮CPU部分的代碼設(shè)置。外擴AD/DA采用的同樣是PC104總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡ADT-650。開發(fā)調(diào)試過程中，主機通過網(wǎng)絡(luò)方式下載VxWorks映像至目標(biāo)機中，目標(biāo)機設(shè)定為CF卡啟動。

2.2 PC104-AD/DA卡硬件結(jié)構(gòu)[5]

PC104-AD/DA卡主要由A/D轉(zhuǎn)換控制器（AD1674）和D/A轉(zhuǎn)換控制器（ADC7724）兩個核心器件組成，可提供的硬件資源為12位分辨率的8通道A/D轉(zhuǎn)換和同分辨率的4通道D/A轉(zhuǎn)換；CPU卡通過I/O映射方式對其進(jìn)行訪問，可通過硬件開關(guān)選通該卡的I/O映射基地址，為了避免與其他器件地址沖突，在此選擇其基地址為：BA=0x240（可根據(jù)實際情況選擇），其余各寄存器采用偏移地址訪問的方式。為便于后續(xù)說明，簡要將卡上其他寄存器地址及功能列于表2。

在傳統(tǒng)非嵌入式實時操作系統(tǒng)（比如DOS）下應(yīng)用該卡，實際上是在應(yīng)用程序中對板卡進(jìn)行初始化和設(shè)置相應(yīng)功能寄存器以完成硬件功能。但由前面對VxWorks的I/O系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動結(jié)構(gòu)分析可知，該部分工作在VxWorks操作系統(tǒng)下由底層硬件驅(qū)動完成，應(yīng)用程序中通過調(diào)用相應(yīng)I/O接口函數(shù)來實現(xiàn)硬件功能，由此實現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)以達(dá)到隔離硬件的目的。因此，AD/DA驅(qū)動的開發(fā)就是依照I/O系統(tǒng)傳遞過來的應(yīng)用層各調(diào)用接口函數(shù)完成對相應(yīng)寄存器的不同設(shè)置。

2.3 AD/DA驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)

AD/DA驅(qū)動的實現(xiàn)方式主要是完成以下6個函數(shù)的編寫：

設(shè)備驅(qū)動程序安裝函數(shù)adcDrv()；設(shè)備創(chuàng)建函數(shù)adcDevCreate()；設(shè)備打開函數(shù)adcOpen()；設(shè)備讀函數(shù)(A/D轉(zhuǎn)換) adcRead()；設(shè)備寫函數(shù)(D/A轉(zhuǎn)換)adcWrite()；I/O控制函數(shù)adIoctl()。

其中前三個函數(shù)的設(shè)計與具體硬件關(guān)聯(lián)較少，與VxWorks下其他字符型設(shè)備驅(qū)動開發(fā)基本類似，不做過多介紹，僅需按照標(biāo)準(zhǔn)代碼形式編寫即可，具體詳細(xì)代碼可見參考文獻(xiàn)[6]。下面詳細(xì)介紹A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動、D/A轉(zhuǎn)換驅(qū)動以及設(shè)備控制驅(qū)動等部分的程序設(shè)計，給出核心代碼。

2.3.1 A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動

A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動實際是完成adcRead()函數(shù)的編寫，在該函數(shù)編寫之前，首先應(yīng)明確A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動實現(xiàn)過程：當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用read()函數(shù)時，VxWorks的I/O系統(tǒng)將調(diào)用底層驅(qū)動adcRead()函數(shù)，該函數(shù)隨即依照程序設(shè)定對表2所列卡上各相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置來實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的硬件功能，從而實現(xiàn)底層驅(qū)動。

A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動具體實現(xiàn)的核心代碼如下（偽指令為代碼說明，以下同）：

int adcRead(int adcDevId,char *pBuf,int nBytes)
{…/*觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換*/
sysOutByte(BA+0, 0x00)；
while(1)
{/*判斷AD轉(zhuǎn)換狀態(tài)*/
status=sysInByte(BA+5)；
if((status0x01)==0)
{
/*存儲A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果*/
pBuf[1]=sysInByte(BA+0)；
pBuf[2]=sysInByte(BA+1)；
…
}
}
}
首先選擇一個輸入通道(通過ioctl選擇)并觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換，隨后查詢A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)信息直到A/D轉(zhuǎn)換過程結(jié)束，最終將轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在pBuf[]數(shù)組中傳送到應(yīng)用層，應(yīng)用程序使用得到的數(shù)字量信息，至此，A/D驅(qū)動完畢。其中sysOutByte()和sysInByte()為VxWorks下對寄存器操作的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)。

2.3.2 D/A轉(zhuǎn)換驅(qū)動

與上述驅(qū)動實現(xiàn)過程類似，D/A轉(zhuǎn)換驅(qū)動是完成對adcWrite()函數(shù)的編寫，轉(zhuǎn)換過程是A/D轉(zhuǎn)換的逆過程，由于其不涉及查詢判斷，代碼相對簡化。D/A轉(zhuǎn)換驅(qū)動具體實現(xiàn)的核心代碼如下：

int adcWrite(int adcDevId, char *pBuf,int nBytes)
{…/*將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)*/
sysOutByte(BA+2, pBuf[2])；
sysOutByte(BA+1, pBuf[1])；
…
}

首先將應(yīng)用程序中設(shè)定的待轉(zhuǎn)換數(shù)字量的低4位和高8位分別存放在pBuf[1]、pBuf[2]中，隨后依照先高后低的順序?qū)懭隓/A轉(zhuǎn)換緩沖區(qū)內(nèi)，當(dāng)?shù)臀粩?shù)據(jù)寫入完成后，硬件將自動開始更新D/A輸出的模擬量，至此，D/A驅(qū)動完畢。需要說明的是：D/A通道選擇是在應(yīng)用程序中的編碼過程中實現(xiàn)的。

2.3.3 設(shè)備控制驅(qū)動

設(shè)備控制驅(qū)動用于完成A/D通道選擇，實現(xiàn)過程是對BA＋3寄存器進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)該寄存器高低位不同時，通道進(jìn)行自動掃描，每當(dāng)AD轉(zhuǎn)換完成時切換到下一個通道。以控制A/D對通道0至通道3循環(huán)掃描為例，具體代碼如下：

int adcIoctl(int adcDevId, int cmd, int arg)
{…/*CH30控制字控制通道0-3轉(zhuǎn)換*/
case CH30:
sysOutByte(BA+3, 0x30)；
…
}

通過定義控制參數(shù)CH30，實現(xiàn)通道掃描的范圍為0、1、2、3、0、1、2、3……，利用該方法的好處是可以省去置通道的軟件操作時間，這個功能在高速多通道切換時起很關(guān)鍵作用，同樣可定義其他通道的控制參數(shù)，如CH20、CH00等等。

3 應(yīng)用及測試

為了驗證上面所設(shè)計的驅(qū)動系統(tǒng)的有效性，文章對其進(jìn)行了詳細(xì)的實驗驗證。針對本系統(tǒng)而言，D/A能將電機轉(zhuǎn)速控制數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓量輸出至電機，并且在控制電機運轉(zhuǎn)的同時，還能利用A/D將壓電陀螺敏感到的電機轉(zhuǎn)速所輸出的模擬電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后并采集，以此證明驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計是成功的。下面詳細(xì)給出實際工程中用于測試驅(qū)動程序設(shè)計成功的應(yīng)用程序。

3.1 應(yīng)用程序設(shè)計

首先調(diào)用adcDrv()和adcDevCreat()初始化驅(qū)動并創(chuàng)建AD/DA設(shè)備；并通過fd=open('/adc',O_RDWR,0)操作打開設(shè)備。這樣，系統(tǒng)為AD/DA卡分配了一個文件描述符fd，通過讀寫該描述符操作即可完成相應(yīng)AD/DA變換。

隨后發(fā)起兩個任務(wù)[7][8]：寫任務(wù)和讀任務(wù)，分別完成上述D/A與A/D的功能。兩個任務(wù)的核心代碼如下：
int Dac()
{…
pBuf[0]=xxx；
pBuf[1]=xxx；
t1=write(fd,pBuf[0],2)；
…
}
int Adc()
{…
ioctl(fd,CH00,0)；
t2=read(fd,pBuf[0],2)；
LSB=pBuf[0]；
MSB=pBuf[1]；
…
}

3.2 測試結(jié)果

在WinShell下通過調(diào)用iosDevShow()函數(shù)可以看到，名為/adc的AD/DA卡設(shè)備已經(jīng)被VxWorks操作系統(tǒng)正確識別，如圖3所示。

測試分為兩個步驟來驗證A/D及D/A驅(qū)動的正確性：
步驟1：數(shù)字量→模擬量→電機轉(zhuǎn)速（D/A）
步驟2：電機轉(zhuǎn)速→模擬量→數(shù)字量（A/D）
步驟1控制電機加減速過程當(dāng)中，給定的控制電機運轉(zhuǎn)的數(shù)字量如圖4中data1所示(其中：data1是通過16進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制數(shù)實現(xiàn)的)。每隔0.5s對系統(tǒng)進(jìn)行一次D/A轉(zhuǎn)換，得到電機實際轉(zhuǎn)速rate如圖5所示。



對比data1和rate，兩條曲線規(guī)律一致，說明D/A驅(qū)動功能正常。

隨后將圖5中的電機轉(zhuǎn)速作為輸入量，輸入到步驟2中進(jìn)行實驗，以相同時間間隔對系統(tǒng)進(jìn)行A/D采樣，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量如圖4中data2所示，對比data2和rate，兩條曲線規(guī)律一致，說明A/D驅(qū)動功能正常。

data1與data2兩條曲線基本重合，二者之間的誤差曲線error（data1-data2）如圖6。

由圖6可得：誤差最大值為3.2LSB，最小為2.1LSB。由此可見，AD/DA功能實現(xiàn)的同時精度完全符合要求（4LSB≥error≥2LSB）。實驗結(jié)果表明：驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計成功有效。

本文介紹了VxWorks下AD/DA驅(qū)動的開發(fā)過程，給出了驅(qū)動中的核心代碼。同時在對驅(qū)動程序進(jìn)行測試的過程中說明了部分應(yīng)用程序的設(shè)計。測試結(jié)果表明，所開發(fā)的驅(qū)動系統(tǒng)滿足實際需要（12位AD/DA轉(zhuǎn)換分辨率），可在實際工程中應(yīng)用。限于篇幅本文未能給出全部代碼，但文中驅(qū)動程序的設(shè)計是完全依照VxWorks的標(biāo)準(zhǔn)I/O機制實現(xiàn)的，具有普遍的指導(dǎo)意義，可為VxWorks下其他字符型設(shè)備驅(qū)動開發(fā)提供參考。