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基于DAC7714的嵌入式激光跟踪仪设计

发布时间:2020-09-02 发布时间:
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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。


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。

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):

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。


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。


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