摘要：在某型激光跟蹤儀的設(shè)計(jì)中，通過(guò)實(shí)時(shí)控制俯仰、方位兩路電機(jī)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的快速、平穩(wěn)跟蹤。使用AT91RM9200處理器，擴(kuò)展12位DA轉(zhuǎn)換器DAC7714，完成2路直流電機(jī)的控制。闡述了在嵌入式Linux環(huán)境下該芯片驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)過(guò)程，說(shuō)明了該驅(qū)動(dòng)程序與測(cè)試程序及內(nèi)核的之間關(guān)系。通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序、測(cè)試程序代碼的講解，歸納出嵌入式驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)的共性及具體開(kāi)發(fā)流程，為嵌入式開(kāi)發(fā)打下基礎(chǔ)。
設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在Linux內(nèi)核中占有極其重要的位置，在一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中，除了CPU、內(nèi)存以及其他很少的幾個(gè)部件以外，所有的設(shè)備控制操作都必須由驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須為系統(tǒng)中的每個(gè)外設(shè)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，否則設(shè)備無(wú)法在Linux下正常工作。
在基于AT91RM9200處理器的某嵌入式激光跟蹤儀中，為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的快速、平穩(wěn)跟蹤，需要控制兩路電機(jī)，即：方位電機(jī)、俯仰電機(jī)。其原理如下：通過(guò)不斷讀取兩路角度編碼器的數(shù)據(jù)，計(jì)算出兩路電機(jī)實(shí)際角度與期望角度的偏差，利用反饋控制的原理，驅(qū)動(dòng)兩路電機(jī)跟蹤目標(biāo)。兩路電機(jī)的控制電壓為5V時(shí)，電機(jī)停止不動(dòng)；控制電壓為0V時(shí)，電機(jī)以最大速度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；控制電壓為10V時(shí)，電機(jī)以最大速度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
根據(jù)上述控制要求，選擇4通道12位的串行DA轉(zhuǎn)換器--DAC7714轉(zhuǎn)換器作為兩路電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片在嵌入式Linux系統(tǒng)下驅(qū)動(dòng)程序的優(yōu)劣，將直接決定整個(gè)儀器的跟蹤效果，也是嵌入式開(kāi)發(fā)的需要解決的基本問(wèn)題之一。
1 概述
DAC7714是美國(guó)TI公司推出的一款4通道12位串行輸入、電壓輸出型DA轉(zhuǎn)換器。其供電電壓為±15 V,可以實(shí)現(xiàn)輸出自動(dòng)保持，采用此串口芯片除了具有節(jié)省單片機(jī)資源的優(yōu)點(diǎn)外，還具有同時(shí)輸出多路0~10 V（參考電壓為+10 V和0 V），特別適用于MCU資源緊缺而控制通道比較多的場(chǎng)合。
DAC7714性能特點(diǎn)：
1）12位分辨率，串行接口；
2）功耗僅為250 mW;
3）4個(gè)模擬輸出通道，電壓輸出；
4）線性誤差±1LSB;
5）支持單極性（0~10 V）或雙極性（-10 V~+10 V）輸出；
6）自動(dòng)輸出保持；
7）復(fù)位信號(hào)可選，不同復(fù)位方式具有不同初始值。
2 硬件設(shè)計(jì)
嵌入式激光跟蹤儀硬件比較復(fù)雜，這里進(jìn)介紹與電機(jī)驅(qū)動(dòng)相關(guān)的DAC7714與AT91RM9200的硬件連接部分。由于實(shí)際使用時(shí)的電機(jī)功率較大，需要在DAC7714的兩路輸出再加一級(jí)驅(qū)動(dòng)電路才能真正驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
2.1 DAC7714引腳及功能
DAC7714為SOJ16封裝，具體引腳及功能介紹如下：
VOUTA~VOUTD:4個(gè)模擬量輸出
CS:片選端，低電平有效
CLK:串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘端
VCC:正電源，通常為+15 V
VSS:負(fù)電源，通常為0或-15 V
GND:地
VREFL:模擬輸出電壓參考（下限）
VREFH:模擬輸出電壓參考（上限）
SDI:串行數(shù)據(jù)輸入
LOADDACS:轉(zhuǎn)換結(jié)束判斷位
RESET和RESETSEL:芯片復(fù)位設(shè)置位
2.2 DAC7714硬件設(shè)計(jì)
DAC7714硬件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，其可編程引腳RESET、LOADDACS、CS、CLK、SDI分別與AT91RM9200的IO口PA0-PA1、PA3-PA5連接，為下一步驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)打下基礎(chǔ)；其VOUTA、VOUTB接兩路電機(jī)的控制信號(hào)；VREFL接地，VREFH接+10 V,使用單極性接法。其具體連接如圖1所示。
圖1 DAC7714硬件設(shè)計(jì)
3 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)程序的目的是驅(qū)動(dòng)硬件正常工作，所以編寫驅(qū)動(dòng)程序要針對(duì)特定的硬件來(lái)進(jìn)行。在嵌入式激光跟蹤儀中，需要編寫DAC7714的驅(qū)動(dòng)程序，內(nèi)核將以設(shè)備節(jié)點(diǎn)的形式調(diào)用、管理該芯片。DAC7714屬于串行DA轉(zhuǎn)換器，需要根據(jù)其工作時(shí)序圖，控制AT91RM9200的上述引腳，模擬其工作時(shí)序，在內(nèi)核Linux-2.4.19中完成驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。
3.1 DAC7714工作時(shí)序圖
DAC7714完成一次數(shù)模轉(zhuǎn)換，需要在CS為低電平期間，在CLK的上升沿，串行輸出16位數(shù)據(jù)到SDI.16位數(shù)據(jù)中，前兩位A1和A0的組合將決定對(duì)某一通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出（00-A通道、01-B通道、10-C通道、11-D通道），接下來(lái)兩位為無(wú)效位，最后的12位數(shù)據(jù)即真正需要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。其工作時(shí)序圖如圖2所示。
圖2 DAC7714工作時(shí)序圖
3.2 驅(qū)動(dòng)程序組成
DAC7714驅(qū)動(dòng)程序作為設(shè)備文件，同樣分為open、write、release等幾個(gè)操作。對(duì)于內(nèi)核來(lái)說(shuō)，DAC7714屬于字符型設(shè)備，并為該設(shè)備命名為Name[]="DAC7714drv".該模塊在使用時(shí)采用insmod命令進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載，使用rmmod命令進(jìn)行動(dòng)態(tài)卸載。DAC7714驅(qū)動(dòng)程序主要由注冊(cè)函數(shù)、注銷函數(shù)、初始化函數(shù)、DA輸出函數(shù)構(gòu)成。
用戶在使用insmod命令加載模塊時(shí)，實(shí)際調(diào)用的是以下注冊(cè)函數(shù)：
應(yīng)用程序中使用open函數(shù)打開(kāi)DAC7714設(shè)備時(shí)，實(shí)際調(diào)用以下函數(shù)完成對(duì)控制器相應(yīng)引腳的初始化操作（以PA0連接RESET為例介紹）：
應(yīng)用程序使用write函數(shù)操作DAC7714時(shí)，實(shí)際調(diào)用如下函數(shù)對(duì)其輸出進(jìn)行控制：
在DAC7714_write函數(shù)中，控制AT91RM9200的PA0-PA5引腳電平，模擬圖2的時(shí)序完成DA輸出，其流程圖3所示。
圖3 DAC7714工作流程圖
4 測(cè)試程序設(shè)計(jì)
在測(cè)試程序中，實(shí)現(xiàn)對(duì)DAC7714的4路輸出分別進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試方法是，對(duì)于指定的數(shù)字量，通過(guò)萬(wàn)用表或示波器測(cè)量DAC7714相應(yīng)通道的電壓輸出值，若該值與理論值一致，則表明驅(qū)動(dòng)程序正確。
首先調(diào)用open函數(shù)打開(kāi)DAC7714設(shè)備，然后控制數(shù)字量從0依次加1,并結(jié)合通道號(hào)生成DAC7714所能識(shí)別的控制數(shù)字量，然后調(diào)用write函數(shù)控制輸出，當(dāng)控制數(shù)字量達(dá)到最大值時(shí)，切換下一通道。測(cè)試程序主要代碼如下。
5 結(jié)論
文中給出了DAC7714硬件設(shè)計(jì)方案，在AT91RM9200+嵌入式Linux環(huán)境下，詳細(xì)介紹了基于其驅(qū)動(dòng)程序和測(cè)試程序的設(shè)計(jì)方法，揭示了嵌入式開(kāi)發(fā)的一般規(guī)律。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，將4路通道的實(shí)際輸出電壓與理論電壓進(jìn)行了比較，誤差最大為0.1%,完全能夠滿足激光跟蹤的要求。 
