μC/OS-II實(shí)時(shí)內(nèi)核下的A/D驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

摘要：詳細(xì)分析在μC/OS-II實(shí)時(shí)內(nèi)核下驅(qū)動(dòng)程序讀取A/D的三種方法;闡述 C8051F015單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器的配置、轉(zhuǎn)換特點(diǎn)及其驅(qū)動(dòng)程序讀取A/D采用的方法;針對(duì)C8051F015單片機(jī)分析A/D驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的方法和思想。這些方法和思想為在μC/OS-II下訪問(wèn)其它類型的A/D提供了很好的借鑒。 關(guān)鍵詞：μC/OS-II A/D 驅(qū)動(dòng)程序 C8051F015 A/D轉(zhuǎn)換是單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)時(shí)內(nèi)核下A/D驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)過(guò)程主取決于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間。本文首先比較和分析μC/OS-II下A/D采樣數(shù)據(jù)的三種方法;其次介紹C8051F015單片機(jī)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器配置及特點(diǎn);最后，在μC/OS-II內(nèi)核移植到8位單片機(jī)C8051F015的基礎(chǔ)上，介紹編寫 A/D驅(qū)動(dòng)程序的一般思想和方法。 1 μC/OS-II實(shí)時(shí)內(nèi)核下的A/D讀方法 實(shí)時(shí)內(nèi)核下，驅(qū)動(dòng)程序采用什么方法讀取A/D采樣數(shù)據(jù)是首先考慮的問(wèn)題。許多因素將影響讀取A/D，如A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間、模擬值的轉(zhuǎn)換頻率、輸入通道數(shù)等，但最主要的取決于A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間。典型的A/D轉(zhuǎn)換典型的A/D轉(zhuǎn)換電路由模擬多路復(fù)用器(MUX)、放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)三部分組成。下面描述讀取A/D的三種方法。

圖1所示的是第1種讀取方法。假設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間較慢(5ms以上)。應(yīng)用程序調(diào)用圖1所示的驅(qū)動(dòng)程序，并傳遞要讀取的通道。驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)MUX選擇要讀取的模擬通道(①)開始讀。有，延時(shí)幾μs以便使信號(hào)通過(guò)MUX傳遞，并之穩(wěn)定下來(lái)。接著，ADC被觸發(fā)開始轉(zhuǎn)換(②)。然后驅(qū)動(dòng)程序延時(shí)一段時(shí)間以完成轉(zhuǎn)換(③_。延時(shí)時(shí)間必須比ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)。最后驅(qū)動(dòng)程序讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果(④)。并將轉(zhuǎn)換結(jié)果返回到應(yīng)用程序(⑤)。 圖2所示的是第2種讀取方法。當(dāng)模擬轉(zhuǎn)換完成后，ADC產(chǎn)生的個(gè)中斷信號(hào)。若ADC轉(zhuǎn)換完成，ISR給信號(hào)量發(fā)一個(gè)信號(hào)(⑤)，通知驅(qū)動(dòng)程序，ADC已經(jīng)完成轉(zhuǎn)換。如果ADC在規(guī)定的時(shí)限內(nèi)沒(méi)有完成轉(zhuǎn)換。信號(hào)量超過(guò)(③)，則驅(qū)動(dòng)程序不再等待下去。驅(qū)動(dòng)程序和中斷服務(wù)子程序(ISR)的偽代碼如下： ADRd(ChannelNumber) { 選擇要讀取的模擬輸入通道; 等待AMUX輸出穩(wěn)定; 啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換; 等待來(lái)自ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷產(chǎn)生的信號(hào)量; if(超時(shí)){ *eer=信號(hào)錯(cuò)誤; return; }else{ 讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果并將其返回到應(yīng)用程序; } }

ADCoversion Complete ISR { 保存全部CPU寄存器; /*將CPU的PSW、ACC、B、DPL、DPH及Rn入棧*/ 通知內(nèi)核進(jìn)入ISR(調(diào)用OSIntEnter()或OSIntNesting直接加1); 發(fā)送ADC轉(zhuǎn)換完成信號(hào); /*利用μC/OS-II內(nèi)核的OSSemPost()*/ 通知內(nèi)核退出ISR(調(diào)用OSIntExit()); 恢復(fù)所有CPU寄存器;/*將CPU的PSW、ACC、B、DPL、DPH及Rn出棧*/ 執(zhí)行中斷返回指令(即RETI); } 在這種方法里，要求ISR執(zhí)行時(shí)間與調(diào)用等待信號(hào)的時(shí)間之和為A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間。 如果A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間小于處理中斷時(shí)間與等待信號(hào)所需的時(shí)間之和，則可以用第三種方法。如圖3所示，前兩步(①②同以上兩種方法)結(jié)束后，驅(qū)動(dòng)程序接著在一個(gè)軟件循環(huán)中等待(③)ADC直到完成轉(zhuǎn)換。在循環(huán)等待時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序檢測(cè)ADC的狀態(tài)(BUSY)信號(hào)。如果等待時(shí)間超過(guò)設(shè)定的定時(shí)值(軟件定時(shí))，則結(jié)束等待循環(huán)(循環(huán)等超時(shí))。如果在循環(huán)等待中，檢測(cè)到ADC發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束的信號(hào)(BUSY)時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果(④)并將結(jié)果返回到應(yīng)用程序(⑤)。驅(qū)動(dòng)程序偽代碼如下： ADRd(ChannelNumber){ 選擇要讀取的模擬輸入通道; 等待AMUX輸出穩(wěn)定; 啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換; 啟動(dòng)超時(shí)定時(shí)器; while(ADC Busy %26;amp; Counter 0);/*循環(huán)檢測(cè)*/ if(Counter==0){ *err=信號(hào)錯(cuò)誤; return; }else{ 讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果并將其返回到應(yīng)用程序; } } A、D轉(zhuǎn)換速度快，這種驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)是最好的。

2 C8051F015單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器 2.1 C8051C015單片機(jī) C8051C015的美國(guó)Cygnal公司新推出的高速SOC型C8051Fxxx系列單片機(jī)。它的內(nèi)核CIP-51與MCS-51的指令集完全兼容，CIP-51的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率在0～25MHz。C8051Fxxx系列單片機(jī)采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051相比，指令執(zhí)行速度有很大的提高。 CIP-51內(nèi)核的指令執(zhí)行時(shí)間是以系統(tǒng)時(shí)鐘為單位，70%的指令執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。C8051F015具有32KB的內(nèi)存、2304B 的RAM(片內(nèi)256B、片外2048B)。CIP-51內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)部件，片上還集成有9通道10位A/D轉(zhuǎn)換接口電路、SMBus /I2C、SPI串行接口。 2.2 C8051F015的A/D轉(zhuǎn)換電路 C8051F015的A/D轉(zhuǎn)換電路包括1個(gè)9通道可配置模擬多路開關(guān)AMUX(8路用于外部模擬輸入、1路用于芯片環(huán)境溫度的測(cè)量)、1個(gè)可編程增益放大器PGA和1個(gè)100ksps 10位分辨率的逐次逼近型ADC。A/D中還集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測(cè)器。 ADC有4種啟動(dòng)方式：軟件命令、定時(shí)器2溢出、定時(shí)器3溢出及外部信號(hào)輸入。寄存器ADC0CN是配置啟動(dòng)和跟蹤方式的控制寄存器。每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，ADC0CH的ADBUSY(忙標(biāo)志)的下降沿觸發(fā)中斷，也可用軟件查詢這個(gè)狀態(tài)位。 2.3 ADC轉(zhuǎn)換速度 C8051Fxxx系列單片機(jī)中ADC的速率都是可編程設(shè)置的。表1給出了所需最小分頻系數(shù)與SYSCLK(系統(tǒng)時(shí)鐘)的關(guān)系(ADC0CF為ADC配置寄存器)。 表1 ADC時(shí)鐘分頻系數(shù)與SYSCLK頻率的關(guān)系 SYSCLK頻率/MHz ADC時(shí)鐘分頻系數(shù) ADC0CF的ADCSC2～1 時(shí)鐘頻率<2.5 1 000 2.5～5 2 001 5～10 4 010 10～20 8(復(fù)位值) 011 時(shí)鐘頻率>20 16 1xx 在C8051F015單片機(jī)中，ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘周期至少在400ns，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘應(yīng)不大于2MHz。一般在啟動(dòng)ADC之前都要處于跟蹤方式，而ADC一次轉(zhuǎn)換完成要用16個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘。另外，在轉(zhuǎn)換之前還要加上3個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的跟蹤/保持捕獲時(shí)間，所以完成一次轉(zhuǎn)換需19個(gè)ADC轉(zhuǎn)換時(shí)鐘(9.5μs)。 圖1中的方法簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換時(shí)間在ms級(jí)以上，一般用于變化慢的模擬輸入信號(hào)，不適用于C8051F015。圖2中的方法，為了減少μC/OS-II內(nèi)核調(diào)用 ISR所用時(shí)間，ISR一般都用于匯編語(yǔ)言編寫。從程序1中ISR偽代碼可以看出，盡管ISR用匯編語(yǔ)言編寫。代碼效率高，但μC/OS-II調(diào)用ISR 的時(shí)間與調(diào)用等待信號(hào)時(shí)間之和大于A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間，所以CPU用于ISR和循環(huán)檢測(cè)的開銷大。 圖3所示的方法顯然適合于C8051F015單片機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是：可以獲得快速的轉(zhuǎn)換時(shí)間;不需要增加一個(gè)復(fù)雜的ISR;轉(zhuǎn)換時(shí)信號(hào)改變時(shí)間更短;CPU的開銷小;循環(huán)檢測(cè)程序可被中斷，為中斷信號(hào)服務(wù)。 圖4 A/D驅(qū)動(dòng)程序模塊流程圖 3 A/D驅(qū)動(dòng)程序的編寫 外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序是實(shí)時(shí)內(nèi)核和硬件之間的接口，是連接底層硬件和內(nèi)核的紐帶。編寫驅(qū)動(dòng)程序模塊應(yīng)滿足以下主要功能：①對(duì)設(shè)備初始化;②把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件從硬件讀取數(shù)據(jù);③讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù);④監(jiān)測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的異常。 A/D轉(zhuǎn)換電路作為一個(gè)模擬輸入模塊，μC/OS-II內(nèi)核應(yīng)把它作為一個(gè)獨(dú)立的任務(wù)(以下稱為ADTask())來(lái)調(diào)用。A/D驅(qū)動(dòng)程序模塊流程如圖4 所示。ADInit()初始化所有的模擬輸入通道、硬件ADC以及應(yīng)用程序調(diào)用A/D模塊的參量，并且ADInit()創(chuàng)建任務(wù)ADTask()。ADTb1[]是一個(gè)模擬輸入通道信息、ADC硬件狀態(tài)等參數(shù)配置以及轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)表。ADUpdate()負(fù)責(zé)讀取所有模擬輸入通道，訪問(wèn)ADRd()并傳遞給它一個(gè)通道數(shù)。ADRd()負(fù)責(zé)通過(guò)多路復(fù)用器選擇合適的模擬輸入，啟動(dòng)并等待ADC轉(zhuǎn)換，以及返回ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果到ADUpdate()。 在μC/OS-II這時(shí)內(nèi)核下各原型函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和常量的定義如下： INT16S ADRd(INT8U ch); /*定義如何讀取A/D，A/D必須通過(guò)AIRd()來(lái)驅(qū)動(dòng)*/ void ADUpdate(void); /*一定時(shí)間內(nèi)更新輸入通道*/ void ADInit(void); /*A/D模塊初始化代碼，包括初始化所有內(nèi)部變量(通過(guò)ADInit()初始化ADTb[])，初始化硬件A/D(通過(guò)ADInitI())及創(chuàng)建任務(wù)ADTask()*/ void ADTask (void data); /*由ADInit()創(chuàng)建，負(fù)責(zé)更新輸入通道(調(diào)用ADUpdate ())*/ void ADInitI (void); /*初始化硬件A/D*/ AD_TaskPrio:設(shè)置任務(wù)ADTask()的優(yōu)先級(jí)。 AD_TaskStkSize:設(shè)置分配給任務(wù)ADTask()的堆棧大小。 AD_MaxNummber:AMUX的輸入通道數(shù)。 AD_TaskDly:設(shè)定更新通道的間隔時(shí)間。 AD ADTbl[AD_MaxNummber]：AD類型的數(shù)組(AD是定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))。 4 結(jié)論 對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換器接口電路驅(qū)動(dòng)程序的編寫歸納出以下幾點(diǎn)： ①在決定采用具體的驅(qū)動(dòng)方案之前，分析接口電路的特點(diǎn)，尤其是了解A/D的轉(zhuǎn)換速度; ②對(duì)于轉(zhuǎn)換速度快的A/D轉(zhuǎn)換器，可能出現(xiàn)CPU的處理速度與A/D轉(zhuǎn)換速度不匹配，一般的A/D中不帶有FIFO緩沖區(qū)，須有內(nèi)存中開辟緩沖區(qū); ③在應(yīng)用程序讀取設(shè)備之前，一定要初始化硬件(調(diào)用初始化函數(shù))，合理定義硬件的信息和狀態(tài)變量; ④不同的輸入通道采集到不同類型數(shù)據(jù)，環(huán)境、轉(zhuǎn)換精度都會(huì)影響到轉(zhuǎn)換結(jié)果，要對(duì)各個(gè)模擬輸入通道進(jìn)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償(通常在應(yīng)用程序中編寫通道補(bǔ)償函數(shù))。