μC/OS-II實時內核下的A/D驅動程序設計

關鍵詞：μC/OS-II A/D 驅動程序 C8051F015

A/D轉換是單片機數據采集系統的重要組成部分，實時內核下A/D驅動程序的實現過程主取決于A/D轉換器的轉換時間。本文首先比較和分析μC/OS-II下A/D采樣數據的三種方法；其次介紹C8051F015單片機A/D模數轉換器配置及特點；最后，在μC/OS-II內核移植到8位單片機C8051F015的基礎上，介紹編寫A/D驅動程序的一般思想和方法。

1 μC/OS-II實時內核下的A/D讀方法

實時內核下，驅動程序采用什么方法讀取A/D采樣數據是首先考慮的問題。許多因素將影響讀取A/D，如A/D的轉換時間、模擬值的轉換頻率、輸入通道數等，但最主要的取決于A/D的轉換時間。典型的A/D轉換典型的A/D轉換電路由模擬多路復用器（MUX）、放大器和模數轉換器（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A/D轉換器的轉換時間較慢（5ms以上）。應用程序調用圖1所示的驅動程序，并傳遞要讀取的通道。驅動程序通過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，并之穩定下來。接著，ADC被觸發開始轉換（②）。然后驅動程序延時一段時間以完成轉換（③_。延時時間必須比ADC轉換時間長。最后驅動程序讀取ADC轉換結果（④）。并將轉換結果返回到應用程序（⑤）。

圖2所示的是第2種讀取方法。當模擬轉換完成后，ADC產生的個中斷信號。若ADC轉換完成，ISR給信號量發一個信號（⑤），通知驅動程序，ADC已經完成轉換。如果ADC在規定的時限內沒有完成轉換。信號量超過（③），則驅動程序不再等待下去。驅動程序和中斷服務子程序（ISR）的偽代碼如下：

ADRd(ChannelNumber)

{

選擇要讀取的模擬輸入通道；

等待AMUX輸出穩定；

啟動ADC轉換；

等待來自ADC轉換結束中斷產生的信號量；

if(超時){

*eer=信號錯誤；

return；

}else{

讀取ADC轉換結果并將其返回到應用程序；

}

}

ADCoversion Complete ISR {

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

通知內核進入ISR（調用OSIntEnter（）或OSIntNesting直接加1）；

發送ADC轉換完成信號； /*利用μC/OS-II內核的OSSemPost()*/

通知內核退出ISR（調用OSIntExit（））；

恢復所有CPU寄存器；/*將CPU的PSW、ACC、B、DPL、DPH及Rn出棧*/

執行中斷返回指令（即RETI）；

}

在這種方法里，要求ISR執行時間與調用等待信號的時間之和為A/D轉換時間。

如果A/D轉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）結束后，驅動程序接著在一個軟件循環中等待（③）ADC直到完成轉換。在循環等待時，驅動程序檢測ADC的狀態（BUSY）信號。如果等待時間超過設定的定時值（軟件定時），則結束等待循環（循環等超時）。如果在循環等待中，檢測到ADC發出轉換結束的信號（BUSY）時，驅動程序讀取ADC轉換結果（④）并將結果返回到應用程序（⑤）。驅動程序偽代碼如下：

ADRd（ChannelNumber）{

選擇要讀取的模擬輸入通道；

等待AMUX輸出穩定；

啟動ADC轉換；

啟動超時定時器；

while(ADC Busy Counter 0)；/*循環檢測*/

if(Counter==0){

*err=信號錯誤；

return；

}else{

讀取ADC轉換結果并將其返回到應用程序；

}

}

A、D轉換速度快，這種驅動程序的實現是最好的。

2 C8051F015單片機的A/D轉換器

2.1 C8051C015單片機

C8051C015的美國Cygnal公司新推出的高速SOC型C8051Fxxx系列單片機。它的內核CIP-51與MCS-51的指令集完全兼容，CIP-51的系統時鐘頻率在0～25MHz。C8051Fxxx系列單片機采用流水線結構，與標準的8051相比，指令執行速度有很大的提高。CIP-51內核的指令執行時間是以系統時鐘為單位，70%的指令執行時間為1個或2個系統時鐘周期。C8051F015具有32KB的內存、2304B的RAM（片內256B、片外2048B）。CIP-51內核具有標準8052的所有外設部件，片上還集成有9通道10位A/D轉換接口電路、SMBus/I2C、SPI串行接口。

2.2 C8051F015的A/D轉換電路

C8051F015的A/D轉換電路包括1個9通道可配置模擬多路開關AMUX（8路用于外部模擬輸入、1路用于芯片環境溫度的測量）、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。每次轉換結束時，ADC0CH的ADBUSY（忙標志）的下降沿觸發中斷，也可用軟件查詢這個狀態位。

2.3 ADC轉換速度

C8051Fxxx系列單片機中ADC的速率都是可編程設置的。表1給出了所需最小分頻系數與SYSCLK（系統時鐘）的關系（ADC0CF為ADC配置寄存器）。

表1 ADC時鐘分頻系數與SYSCLK頻率的關系

在C8051F015單片機中，ADC的轉換時鐘周期至少在400ns，轉換時鐘應不大于2MHz。一般在啟動ADC之前都要處于跟蹤方式，而ADC一次轉換完成要用16個系統時鐘。另外，在轉換之前還要加上3個系統時鐘的跟蹤/保持捕獲時間，所以完成一次轉換需19個ADC轉換時鐘（9.5μs）。

圖1中的方法簡單，轉換時間在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內核調用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調用ISR的時間與調用等待信號時間之和大于A/D的轉換時間，所以CPU用于ISR和循環檢測的開銷大。

圖3所示的方法顯然適合于C8051F015單片機，其優點是：可以獲得快速的轉換時間；不需要增加一個復雜的ISR；轉換時信號改變時間更短；CPU的開銷小；循環檢測程序可被中斷，為中斷信號服務。

圖4 A/D驅動程序模塊流程圖

3 A/D驅動程序的編寫

外設驅動程序是實時內核和硬件之間的接口，是連接底層硬件和內核的紐帶。編寫驅動程序模塊應滿足以下主要功能：①對設備初始化；②把數據從內核傳送到硬件從硬件讀取數據；③讀取應用程序傳送給設備的數據和回送應用程序請求的數據；④監測和處理設備出現的異常。

A/D轉換電路作為一個模擬輸入模塊，μC/OS-II內核應把它作為一個獨立的任務（以下稱為ADTask()）來調用。A/D驅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以及應用程序調用A/D模塊的參量，并且ADInit（）創建任務ADTask（）。ADTb1[]是一個模擬輸入通道信息、ADC硬件狀態等參數配置以及轉換結果存儲表。ADUpdate（）負責讀取所有模擬輸入通道，訪問ADRd（）并傳遞給它一個通道數。ADRd（）負責通過多路復用器選擇合適的模擬輸入，啟動并等待ADC轉換，以及返回ADC轉換結果到ADUpdate（）。

在μC/OS-II這時內核下各原型函數、數據結構和常量的定義如下：

INT16S ADRd（INT8U ch）；

/*定義如何讀取A/D，A/D必須通過AIRd（）來驅動*/

void ADUpdate（void）；

/*一定時間內更新輸入通道*/

void ADInit(void)；

/*A/D模塊初始化代碼，包括初始化所有內部變量（通過ADInit（）初始化ADTb[]），初始化硬件A/D（通過ADInitI（））及創建任務ADTask（）*/

void ADTask （void data）;

/*由ADInit()創建，負責更新輸入通道（調用ADUpdate ()）*/

void ADInitI (void)；

/*初始化硬件A/D*/

AD_TaskPrio:設置任務ADTask()的優先級。

AD_TaskStkSize:設置分配給任務ADTask()的堆棧大小。

AD_MaxNummber:AMUX的輸入通道數。

AD_TaskDly:設定更新通道的間隔時間。

AD ADTbl[AD_MaxNummber]：AD類型的數組（AD是定義的數據結構）。

4 結論

對于A/D轉換器接口電路驅動程序的編寫歸納出以下幾點：

①在決定采用具體的驅動方案之前，分析接口電路的特點，尤其是了解A/D的轉換速度；

②對于轉換速度快的A/D轉換器，可能出現CPU的處理速度與A/D轉換速度不匹配，一般的A/D中不帶有FIFO緩沖區，須有內存中開辟緩沖區；

③在應用程序讀取設備之前，一定要初始化硬件（調用初始化函數），合理定義硬件的信息和狀態變量；

④不同的輸入通道采集到不同類型數據，環境、轉換精度都會影響到轉換結果，要對各個模擬輸入通道進行校準和補償（通常在應用程序中編寫通道補償函數）。