DAC7714在嵌入式激光跟踪仪中的应用 嵌入式, Linux, 激光, 程序

Bazinga

在某型激光跟踪仪的设计中，通过实时控制俯仰、方位两路电机，实现目标的快速、平稳跟踪。使用AT91RM9200处理器，扩展12位DA转换器DAC7714，完成2路直流电机的控制。阐述了在嵌入式Linux环境下该芯片驱动程序开发过程，说明了该驱动程序与测试程序及内核的之间关系。通过驱动程序、测试程序代码的讲解，归纳出嵌入式驱动程序开发的共性及具体开发流程，为嵌入式开发打下基础。
设备驱动程序在Linux内核中占有极其重要的位置，在一个嵌入式系统中，除了CPU、内存以及其他很少的几个部件以外，所有的设备控制操作都必须由驱动程序来完成。系统设计者必须为系统中的每个外设开发相应的驱动程序，否则设备无法在Linux下正常工作。
在基于AT91RM9200处理器的某嵌入式激光跟踪仪中，为了实现目标的快速、平稳跟踪，需要控制两路电机，即：方位电机、俯仰电机。其原理如下：通过不断读取两路角度编码器的数据，计算出两路电机实际角度与期望角度的偏差，利用反馈控制的原理，驱动两路电机跟踪目标。两路电机的控制电压为5V时，电机停止不动；控制电压为0V时，电机以最大速度顺时针旋转；控制电压为10V时，电机以最大速度逆时针旋转。
根据上述控制要求，选择4通道12位的串行DA转换器--DAC7714转换器作为两路电机的控制驱动芯片。该芯片在嵌入式Linux系统下驱动程序的优劣，将直接决定整个仪器的跟踪效果，也是嵌入式开发的需要解决的基本问题之一。
1 概述
DAC7714是美国TI公司推出的一款4通道12位串行输入、电压输出型DA转换器。其供电电压为±15 V,可以实现输出自动保持，采用此串口芯片除了具有节省单片机资源的优点外，还具有同时输出多路0~10 V（参考电压为+10 V和0 V），特别适用于MCU资源紧缺而控制通道比较多的场合。
DAC7714性能特点：
1）12位分辨率，串行接口；
2）功耗仅为250 mW;
3）4个模拟输出通道，电压输出；
4）线性误差±1LSB;
5）支持单极性（0~10 V）或双极性（-10 V~+10 V）输出；
6）自动输出保持；
7）复位信号可选，不同复位方式具有不同初始值。
2 硬件设计
嵌入式激光跟踪仪硬件比较复杂，这里进介绍与电机驱动相关的DAC7714与AT91RM9200的硬件连接部分。由于实际使用时的电机功率较大，需要在DAC7714的两路输出再加一级驱动电路才能真正驱动电机。
2.1 DAC7714引脚及功能
DAC7714为SOJ16封装，具体引脚及功能介绍如下：
VOUTA~VOUTD:4个模拟量输出
CS:片选端，低电平有效
CLK:串行数据时钟端
VCC:正电源，通常为+15 V
VSS:负电源，通常为0或-15 V
GND:地
VREFL:模拟输出电压参考（下限）
VREFH:模拟输出电压参考（上限）
SDI:串行数据输入
LOADDACS:转换结束判断位
RESET和RESETSEL:芯片复位设置位
2.2 DAC7714硬件设计
DAC7714硬件设计比较简单，其可编程引脚RESET、LOADDACS、CS、CLK、SDI分别与AT91RM9200的IO口PA0-PA1、PA3-PA5连接，为下一步驱动程序开发打下基础；其VOUTA、VOUTB接两路电机的控制信号；VREFL接地，VREFH接+10 V,使用单极性接法。其具体连接如图1所示。


图1 DAC7714硬件设计

3 驱动程序设计
驱动程序的目的是驱动硬件正常工作，所以编写驱动程序要针对特定的硬件来进行。在嵌入式激光跟踪仪中，需要编写DAC7714的驱动程序，内核将以设备节点的形式调用、管理该芯片。DAC7714属于串行DA转换器，需要根据其工作时序图，控制AT91RM9200的上述引脚，模拟其工作时序，在内核Linux-2.4.19中完成驱动程序的设计。
3.1 DAC7714工作时序图
DAC7714完成一次数模转换，需要在CS为低电平期间，在CLK的上升沿，串行输出16位数据到SDI.16位数据中，前两位A1和A0的组合将决定对某一通道进行转换输出（00-A通道、01-B通道、10-C通道、11-D通道），接下来两位为无效位，最后的12位数据即真正需要转换的数据。其工作时序图如图2所示。


图2 DAC7714工作时序图
3.2 驱动程序组成
DAC7714驱动程序作为设备文件，同样分为open、write、release等几个操作。对于内核来说，DAC7714属于字符型设备，并为该设备命名为Name[]="DAC7714drv".该模块在使用时采用insmod命令进行动态加载，使用rmmod命令进行动态卸载。DAC7714驱动程序主要由注册函数、注销函数、初始化函数、DA输出函数构成。
用户在使用insmod命令加载模块时，实际调用的是以下注册函数：


应用程序中使用open函数打开DAC7714设备时，实际调用以下函数完成对控制器相应引脚的初始化操作（以PA0连接RESET为例介绍）：


应用程序使用write函数操作DAC7714时，实际调用如下函数对其输出进行控制：


在DAC7714_write函数中，控制AT91RM9200的PA0-PA5引脚电平，模拟图2的时序完成DA输出，其流程图3所示。


图3 DAC7714工作流程图
4 测试程序设计
在测试程序中，实现对DAC7714的4路输出分别进行测试。测试方法是，对于指定的数字量，通过万用表或示波器测量DAC7714相应通道的电压输出值，若该值与理论值一致，则表明驱动程序正确。
首先调用open函数打开DAC7714设备，然后控制数字量从0依次加1,并结合通道号生成DAC7714所能识别的控制数字量，然后调用write函数控制输出，当控制数字量达到最大值时，切换下一通道。测试程序主要代码如下。

5 结论
文中给出了DAC7714硬件设计方案，在AT91RM9200+嵌入式Linux环境下，详细介绍了基于其驱动程序和测试程序的设计方法，揭示了嵌入式开发的一般规律。在实际测试过程中，将4路通道的实际输出电压与理论电压进行了比较，误差最大为0.1%,完全能够满足激光跟踪的要求。