μC/OS-II实时内核下的A/D驱动程序设计

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摘要：详细分析在μC/OS-II实时内核下驱动程序读取A/D的三种方法；阐述C8051F015单片机的A/D转换器的配置、转换特点及其驱动程序读取A/D采用的方法；针对C8051F015单片机分析A/D驱动程序设计的方法和思想。这些方法和思想为在μC/OS-II下访问其它类型的A/D提供了很好的借鉴。

    关键词：μC/OS-II A/D 驱动程序 C8051F015

A/D转换是单片机数据采集系统的重要组成部分，实时内核下A/D驱动程序的实现过程主取决于A/D转换器的转换时间。本文首先比较和分析μC/OS-II下A/D采样数据的三种方法；其次介绍C8051F015单片机A/D模数转换器配置及特点；最后，在μC/OS-II内核移植到8位单片机C8051F015的基础上，介绍编写A/D驱动程序的一般思想和方法。

1 μC/OS-II实时内核下的A/D读方法

实时内核下，驱动程序采用什么方法读取A/D采样数据是首先考虑的问题。许多因素将影响读取A/D，如A/D的转换时间、模拟值的转换频率、输入通道数等，但最主要的取决于A/D的转换时间。典型的A/D转换典型的A/D转换电路由模拟多路复用器（MUX）、放大器和模数转换器（ADC）三部分组成。下面描述读取A/D的三种方法。
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    图1所示的是第1种读取方法。假设A/D转换器的转换时间较慢（5ms以上）。应用程序调用图1所示的驱动程序，并传递要读取的通道。驱动程序通过MUX选择要读取的模拟通道（①）开始读。有，延时几μs以便使信号通过MUX传递，并之稳定下来。接着，ADC被触发开始转换（②）。然后驱动程序延时一段时间以完成转换（③_。延时时间必须比ADC转换时间长。最后驱动程序读取ADC转换结果（④）。并将转换结果返回到应用程序（⑤）。

图2所示的是第2种读取方法。当模拟转换完成后，ADC产生的个中断信号。若ADC转换完成，ISR给信号量发一个信号（⑤），通知驱动程序，ADC已经完成转换。如果ADC在规定的时限内没有完成转换。信号量超过（③），则驱动程序不再等待下去。驱动程序和中断服务子程序（ISR）的伪代码如下：

ADRd(ChannelNumber)

{

选择要读取的模拟输入通道；

等待AMUX输出稳定；

启动ADC转换；

等待来自ADC转换结束中断产生的信号量；

if(超时){

*eer=信号错误；

return；

}else{

读取ADC转换结果并将其返回到应用程序；

}

}
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    ADCoversion Complete ISR {

保存全部CPU寄存器； /*将CPU的PSW、ACC、B、DPL、DPH及Rn入栈*/

通知内核进入ISR（调用OSIntEnter（）或OSIntNesting直接加1）；

发送ADC转换完成信号； /*利用μC/OS-II内核的OSSemPost()*/

通知内核退出ISR（调用OSIntExit（））；

恢复所有CPU寄存器；/*将CPU的PSW、ACC、B、DPL、DPH及Rn出栈*/

执行中断返回指令（即RETI）；

}

在这种方法里，要求ISR执行时间与调用等待信号的时间之和为A/D转换时间。

如果A/D转换时间小于处理中断时间与等待信号所需的时间之和，则可以用第三种方法。如图3所示，前两步（①②同以上两种方法）结束后，驱动程序接着在一个软件循环中等待（③）ADC直到完成转换。在循环等待时，驱动程序检测ADC的状态（BUSY）信号。如果等待时间超过设定的定时值（软件定时），则结束等待循环（循环等超时）。如果在循环等待中，检测到ADC发出转换结束的信号（BUSY）时，驱动程序读取ADC转换结果（④）并将结果返回到应用程序（⑤）。驱动程序伪代码如下：

ADRd（ChannelNumber）{

选择要读取的模拟输入通道；

等待AMUX输出稳定；

启动ADC转换；

启动超时定时器；

while(ADC Busy & Counter 0)；/*循环检测*/

if(Counter==0){

*err=信号错误；

return；

}else{

读取ADC转换结果并将其返回到应用程序；

}

}

A、D转换速度快，这种驱动程序的实现是最好的。
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2 C8051F015单片机的A/D转换器

2.1 C8051C015单片机

C8051C015的美国Cygnal公司新推出的高速SOC型C8051Fxxx系列单片机。它的内核CIP-51与MCS-51的指令集完全兼容，CIP-51的系统时钟频率在0～25MHz。C8051Fxxx系列单片机采用流水线结构，与标准的8051相比，指令执行速度有很大的提高。CIP-51内核的指令执行时间是以系统时钟为单位，70%的指令执行时间为1个或2个系统时钟周期。C8051F015具有32KB的内存、2304B的RAM（片内256B、片外2048B）。CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，片上还集成有9通道10位A/D转换接口电路、SMBus/I2C、SPI串行接口。

2.2 C8051F015的A/D转换电路

C8051F015的A/D转换电路包括1个9通道可配置模拟多路开关AMUX（8路用于外部模拟输入、1路用于芯片环境温度的测量）、1个可编程增益放大器PGA和1个100ksps 10位分辨率的逐次逼近型ADC。A/D中还集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。

ADC有4种启动方式：软件命令、定时器2溢出、定时器3溢出及外部信号输入。寄存器ADC0CN是配置启动和跟踪方式的控制寄存器。每次转换结束时，ADC0CH的ADBUSY（忙标志）的下降沿触发中断，也可用软件查询这个状态位。

2.3 ADC转换速度

C8051Fxxx系列单片机中ADC的速率都是可编程设置的。表1给出了所需最小分频系数与SYSCLK（系统时钟）的关系（ADC0CF为ADC配置寄存器）。

表1 ADC时钟分频系数与SYSCLK频率的关系

SYSCLK频率/MHz	ADC时钟分频系数	ADC0CF的ADCSC2～1
时钟频率<2.5	1	000
2.5～5	2	001
5～10	4	010
10～20	8（复位值）	011
时钟频率>20	16	1xx

在C8051F015单片机中，ADC的转换时钟周期至少在400ns，转换时钟应不大于2MHz。一般在启动ADC之前都要处于跟踪方式，而ADC一次转换完成要用16个系统时钟。另外，在转换之前还要加上3个系统时钟的跟踪/保持捕获时间，所以完成一次转换需19个ADC转换时钟（9.5μs）。

图1中的方法简单，转换时间在ms级以上，一般用于变化慢的模拟输入信号，不适用于C8051F015。图2中的方法，为了减少μC/OS-II内核调用ISR所用时间，ISR一般都用于汇编语言编写。从程序1中ISR伪代码可以看出，尽管ISR用汇编语言编写。代码效率高，但μC/OS-II调用ISR的时间与调用等待信号时间之和大于A/D的转换时间，所以CPU用于ISR和循环检测的开销大。

图3所示的方法显然适合于C8051F015单片机，其优点是：可以获得快速的转换时间；不需要增加一个复杂的ISR；转换时信号改变时间更短；CPU的开销小；循环检测程序可被中断，为中断信号服务。

图4 A/D驱动程序模块流程图

3 A/D驱动程序的编写

外设驱动程序是实时内核和硬件之间的接口，是连接底层硬件和内核的纽带。编写驱动程序模块应满足以下主要功能：①对设备初始化；②把数据从内核传送到硬件从硬件读取数据；③读取应用程序传送给设备的数据和回送应用程序请求的数据；④监测和处理设备出现的异常。

A/D转换电路作为一个模拟输入模块，μC/OS-II内核应把它作为一个独立的任务（以下称为ADTask()）来调用。A/D驱动程序模块流程如图4所示。ADInit（）初始化所有的模拟输入通道、硬件ADC以及应用程序调用A/D模块的参量，并且ADInit（）创建任务ADTask（）。ADTb1[]是一个模拟输入通道信息、ADC硬件状态等参数配置以及转换结果存储表。ADUpdate（）负责读取所有模拟输入通道，访问ADRd（）并传递给它一个通道数。ADRd（）负责通过多路复用器选择合适的模拟输入，启动并等待ADC转换，以及返回ADC转换结果到ADUpdate（）。

在μC/OS-II这时内核下各原型函数、数据结构和常量的定义如下：

INT16S ADRd（INT8U ch）；

/*定义如何读取A/D，A/D必须通过AIRd（）来驱动*/

void ADUpdate（void）；

/*一定时间内更新输入通道*/

void ADInit(void)；

/*A/D模块初始化代码，包括初始化所有内部变量（通过ADInit（）初始化ADTb[]），初始化硬件A/D（通过ADInitI（））及创建任务ADTask（）*/

void ADTask （void data）;

/*由ADInit()创建，负责更新输入通道（调用ADUpdate ()）*/

void ADInitI (void)；

/*初始化硬件A/D*/

AD_TaskPrio:设置任务ADTask()的优先级。

AD_TaskStkSize:设置分配给任务ADTask()的堆栈大小。

AD_MaxNummber:AMUX的输入通道数。

AD_TaskDly:设定更新通道的间隔时间。

AD ADTbl[AD_MaxNummber]：AD类型的数组（AD是定义的数据结构）。

4 结论

对于A/D转换器接口电路驱动程序的编写归纳出以下几点：

①在决定采用具体的驱动方案之前，分析接口电路的特点，尤其是了解A/D的转换速度；

②对于转换速度快的A/D转换器，可能出现CPU的处理速度与A/D转换速度不匹配，一般的A/D中不带有FIFO缓冲区，须有内存中开辟缓冲区；

③在应用程序读取设备之前，一定要初始化硬件（调用初始化函数），合理定义硬件的信息和状态变量；

④不同的输入通道采集到不同类型数据，环境、转换精度都会影响到转换结果，要对各个模拟输入通道进行校准和补偿（通常在应用程序中编写通道补偿函数）。