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μC/OS-II實時內(nèi)核下的A/D驅(qū)動程序設(shè)計
摘要：詳細(xì)分析在μC/OS-II實時內(nèi)核下驅(qū)動程序讀取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)換特點及其驅(qū)動程序讀取A/D采用的方法；針對C8051F015單片機(jī)分析A/D驅(qū)動程序設(shè)計的方法和思想。這些方法和思想為在μC/OS-II下訪問其它類型的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，實時內(nèi)核下A/D驅(qū)動程序的實現(xiàn)過程主取決于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間。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；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)動程序的一般思想和方法。
1 μC/OS-II實時內(nèi)核下的A/D讀方法
實時內(nèi)核下，驅(qū)動程序采用什么方法讀取A/D采樣數(shù)據(jù)是首先考慮的問題。許多因素將影響讀取A/D，如A/D的轉(zhuǎn)換時間、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。
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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)換時間較慢（5ms以上）。應(yīng)用程序調(diào)用圖1所示的驅(qū)動程序，并傳遞要讀取的通道。驅(qū)動程序通過MUX選擇要讀取的模擬通道（①）開始讀。有，延時幾μs以便使信號通過MUX傳遞，并之穩(wěn)定下來。接著，ADC被觸發(fā)開始轉(zhuǎn)換（②）。然后驅(qū)動程序延時一段時間以完成轉(zhuǎn)換（③_。延時時間必須比ADC轉(zhuǎn)換時間長。最后驅(qū)動程序讀取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)生的個中斷信號。若ADC轉(zhuǎn)換完成，ISR給信號量發(fā)一個信號（⑤），通知驅(qū)動程序，ADC已經(jīng)完成轉(zhuǎn)換。如果ADC在規(guī)定的時限內(nèi)沒有完成轉(zhuǎn)換。信號量超過（③），則驅(qū)動程序不再等待下去。驅(qū)動程序和中斷服務(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ADC轉(zhuǎn)換；
等待來自ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷產(chǎn)生的信號量；
if(超時){
*eer=信號錯誤；
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； /*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)行時間與調(diào)用等待信號的時間之和為A/D轉(zhuǎn)換時間。
如果A/D轉(zhuǎn)換時間小于處理中斷時間與等待信號所需的時間之和，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)動程序接著在一個軟件循環(huán)中等待（③）ADC直到完成轉(zhuǎn)換。在循環(huán)等待時，驅(qū)動程序檢測ADC的狀態(tài)（BUSY）信號。如果等待時間超過設(shè)定的定時值（軟件定時），則結(jié)束等待循環(huán)（循環(huán)等超時）。如果在循環(huán)等待中，檢測到ADC發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束的信號（BUSY）時，驅(qū)動程序讀取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ADC轉(zhuǎn)換；
啟動超時定時器；
while(ADC Busy & Counter 0)；/*循環(huán)檢測*/
if(Counter==0){
*err=信號錯誤；
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)動程序的實現(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)行時間是以系統(tǒng)時鐘為單位，70%的指令執(zhí)行時間為1個或2個系統(tǒng)時鐘周期。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)境溫度的測量）、1個可編程增益放大器PGA和1個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器。
ADC有4種啟動方式：軟件命令、定時器2溢出、定時器3溢出及外部信號輸入。寄存器ADC0CN是配置啟動和跟蹤方式的控制寄存器。每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時，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)時鐘）的關(guān)系（ADC0CF為ADC配置寄存器）。
表1 ADC時鐘分頻系數(shù)與SYSCLK頻率的關(guān)系
在C8051F015單片機(jī)中，ADC的轉(zhuǎn)換時鐘周期至少在400ns，轉(zhuǎn)換時鐘應(yīng)不大于2MHz。一般在啟動ADC之前都要處于跟蹤方式，而ADC一次轉(zhuǎn)換完成要用16個系統(tǒng)時鐘。另外，在轉(zhuǎn)換之前還要加上3個系統(tǒng)時鐘的跟蹤/保持捕獲時間，所以完成一次轉(zhuǎn)換需19個ADC轉(zhuǎn)換時鐘（9.5μs）。
圖1中的方法簡單，轉(zhuǎn)換時間在ms級以上，一般用于變化慢的模擬輸入信號，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所用時間，ISR一般都用于匯編語言編寫。從程序1中ISR偽代碼可以看出，盡管ISR用匯編語言編寫。代碼效率高，但μC/OS-II調(diào)用ISR的時間與調(diào)用等待信號時間之和大于A/D的轉(zhuǎn)換時間，所以CPU用于ISR和循環(huán)檢測的開銷大。
圖3所示的方法顯然適合于C8051F015單片機(jī)，其優(yōu)點是：可以獲得快速的轉(zhuǎn)換時間；不需要增加一個復(fù)雜的ISR；轉(zhuǎn)換時信號改變時間更短；CPU的開銷��；循環(huán)檢測程序可被中斷，為中斷信號服務(wù)。
圖4 A/D驅(qū)動程序模塊流程圖
3 A/D驅(qū)動程序的編寫
外設(shè)驅(qū)動程序是實時內(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)動程序模塊應(yīng)滿足以下主要功能：①對設(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)用程序請求的數(shù)據(jù)；④監(jiān)測和處理設(shè)備出現(xiàn)的異常。
A/D轉(zhuǎn)換電路作為一個模擬輸入模塊，μC/OS-II內(nèi)核應(yīng)把它作為一個獨立的任務(wù)（以下稱為ADTask()）來調(diào)用。A/D驅(qū)動程序模塊流程如圖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)果存儲表。ADUpdate（）負(fù)責(zé)讀取所有模擬輸入通道，訪問ADRd（）并傳遞給它一個通道數(shù)。ADRd（）負(fù)責(zé)通過多路復(fù)用器選擇合適的模擬輸入，啟動并等待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AIRd（）來驅(qū)動*/
void ADUpdate（void）；
/*一定時間內(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ADInit（）初始化ADTb[]），初始化硬件A/D（通過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。
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
對于A/D轉(zhuǎn)換器接口電路驅(qū)動程序的編寫歸納出以下幾點：
①在決定采用具體的驅(qū)動方案之前，分析接口電路的特點，尤其是了解A/D的轉(zhuǎn)換速度；
②對于轉(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)換精度都會影響到轉(zhuǎn)換結(jié)果，要對各個模擬輸入通道進(jìn)行校準(zhǔn)和補償（通常在應(yīng)用程序中編寫通道補償函數(shù)）。
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