前言

在嵌入式開發中，ADC應用比較頻繁，本文主要講解ADC的基本原理以及如何編寫基于ARM的裸機程序和基于Linux的驅動程序。

ARM架構：Cortex-A9Linux內核：3.14

在講述ADC之前，我們需要先了解什么是模擬信號和數字信號。

模擬信號

主要是與離散的數字信號相對的連續的信號。模擬信號分布于自然界的各個角落，如每天溫度的變化，而數字信號是人為的抽象出來的在時間上不連續的信號。電學上的模擬信號是主要是指幅度和相位都連續的電信號，此信號可以被模擬電路進行各種運算，如放大，相加，相乘等。

模擬信號是指用連續變化的物理量表示的信息，其信號的幅度，或頻率，或相位隨時間作連續變化，如目前廣播的聲音信號，或圖像信號等。

如下圖所示從上到下一次是正弦波、 調幅波、 阻尼震蕩波、 指數衰減波 。

數字信號

數字信號指幅度的取值是離散的，幅值表示被限制在有限個數值之內。二進制碼就是一種數字信號。二進制碼受噪聲的影響小，易于有數字電路進行處理，所以得到了廣泛的應用。

數字信號：高清數字電視，MP3，JPG，PNG文件等等。

優點：

1. 抗干擾能力強、無噪聲積累

在模擬通信中，為了提高信噪比，需要在信號傳輸過程中及時對衰減的傳輸信號進行放大，信號在傳輸過程中不可避免地疊加上的噪聲也被同時放大。

隨著傳輸距離的增加，噪聲累積越來越多，以致使傳輸質量嚴重惡化。

對于數字通信，由于數字信號的幅值為有限個離散值(通常取兩個幅值)，在傳輸過程中雖然也受到噪聲的干擾，但當信噪比惡化到一定程度時，

即在適當的距離采用判決再生的方法，再生成沒有噪聲干擾的和原發送端一樣的數字信號，所以可實現長距離高質量的傳輸。

2. 便于加密處理

信息傳輸的安全性和保密性越來越重要，數字通信的加密處理的比模擬通信容易得多，以話音信號為例，經過數字變換后的信號可用簡單的數字邏輯運算進行加密、解密處理。

3. 便于存儲、處理和交換

數字通信的信號形式和計算機所用信號一致，都是二進制代碼，因此便于與計算機聯網，也便于用計算機對數字信號進行存儲、處理和交換，

可使通信網的管理、維護實現自動化、智能化。

4. 設備便于集成化、微型

數字通信采用時分多路復用，不需要體積較大的濾波器。設備中大部分電路是數字電路，可用大規模和超大規模集成電路實現，因此體積小、功耗低。

5. 便于構成綜合數字網和綜合業務數字網

采用數字傳輸方式，可以通過程控數字交換設備進行數字交換，以實現傳輸和交換的綜合。

另外，電話業務和各種非話業務都可以實現數字化，構成綜合業務數字網。

6. 占用信道頻帶較寬

一路模擬電話的頻帶為4kHz帶寬，一路數字電話約占64kHz，這是模擬通信目前仍有生命力的主要原因。隨著寬頻帶信道(光纜、數字微波)的大量利用(一對光纜可開通幾千路電話)以及數字信號處理技術的發展(可將一路數字電話的數碼率由64kb/s壓縮到32kb/s甚至更低的數碼率)，數字電話的帶寬問題已不是主要問題了。

常用的數字信號編碼有不歸零（NRZ）編碼、 曼徹斯特（Manchester）編碼和差分曼徹斯特（Differential Manchester）編碼。

數字信號與模擬信號的轉化

模擬信號和數字信號之間可以相互轉換：模擬信號一般通過PCM脈碼調制(Pulse Code Modulation)方法量化為數字信號，

即讓模擬信號的不同幅度分別對應不同的二進制值，例如采用8位編碼可將模擬信號量化為2^8=256個量級，實用中常采取24位或30位編碼；

數字信號一般通過對載波進行移相(Phase Shift)的方法轉換為模擬信號。計算機、計算機局域網與城域網中均使用二進制數字信號，

目前在計算機廣域網中實際傳送的則既有二進制數字信號，也有由數字信號轉換而得的模擬信號。但是更具應用發展前景的是數字信號。

PCM脈沖編碼調制

脈沖編碼調制就是把一個時間連續，取值連續的模擬信號變換成時間離散，取值離散的數字信號后在信道中傳輸。

脈沖編碼調制就是對模擬信號先抽樣，再對樣值幅度量化， 編碼的過程。

抽樣：

就是對模擬信號進行周期性掃描，把時間上連續的信號變成時間上離散的信號。

該模擬信號經過抽樣后還應當包含原信號中所有信息，也就是說能無失真的恢復原模擬信號。

量化：

就是把經過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，即用一組規定的電平，把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示,通常是用二進制表示。

編碼：

就是用一組二進制碼組來表示每一個有固定電平的量化值。然而，實際上量化是在編碼過程中同時完成的，故編碼過程也稱為模/數變換，可記作A/D。

ADC

ADC，Analog-to-Digital Converter的縮寫，指模/數轉換器或者模數轉換器。是指將連續變化的模擬信號轉換為離散的數字信號的器件。真實世界的模擬信號，例如溫度、壓力、聲音或者圖像等，需要轉換成更容易儲存、處理和發射的數字形式。模/數轉換器可以實現這個功能，在各種不同的產品中都可以找到它的身影。

ADC最早用于對無線信號向數字信號轉換。如電視信號，長短播電臺發接收等。

與之相對應的DAC，Digital-to-Analog Converter，它是ADC模數轉換的逆向過程。

現在市場上的電子產品都集成了傳感器，傳感器要采集數據，他的內部結構里就一定要用到ADC，常見的傳感器如下：

溫濕度：溫度傳感器，DHT11

聲音：音頻芯片進行錄音，WM8906

圖像：索尼IMX386/IMX283傳感器

Exynos4412 A/D轉換器

三星的Exynos4412模塊結構圖如下所示：

Adc控制器集成在exynos4412 soc中，控制器內部有一根中斷線連接到中斷控制器combiner，然后路由到GIC（Generic Interrupt Controller），滑動變阻器連接到adc控制器的通道3。

ADC控制器

參考《Exynos 4412 SCP》 的datasheet。ADC控制器是10位或12位CMOS再循環式模擬數字轉換器，它具有10個通道輸入，并可將模擬量轉換至10位或12位二進制數。5Mhz A/D 轉換時鐘，最大1Msps的轉換速度。A/D轉換具備片上采樣保持功能，同時也支持待機工作模式。

ADC接口包括如下特性。

10bit/12bit輸出位可選。

微分誤差 1.0LSB。

積分誤差 2.0LSB。

最大轉換速率5Msps.

功耗少，電壓輸入1.8V。

電壓輸入范圍 0~1.8V。

支持偏上樣本保持功能。

通用轉換模式。

模塊圖

4412 A/D轉換器的控制器接口框圖如下：

原理我們并不需要關注，知道即可。

通道選擇

由上圖可知，A/D控制器一共有4個通道，通用寄存器地址為0x126c0000。

A/D控制器寄存器

對ADC控制器的操作主要是通過配置寄存器來實現的，查看datasheet，必須掌握寄存器的使用。以下是A/D控制器寄存器匯總。

1、A/D控制寄存器ADCCON

?

????RES?????:?選擇A/D轉換精度，0：劃分成1024份??1：劃分成4096份
??? ECFLG ??：轉換是否結束??0：轉換中??1：轉換完畢；對于輪詢模式需要根據該位判斷數據是否轉換完畢。
??? PRSCEN：A/D轉換預分頻是否使能
??? PRSCVL：預分頻的值，轉換公式見下面
??? STANDBY：待機模式??0：正常工作模式?1：待機模式。處于待機模式時要將PRSCEN設置為0
????READ_START:?A/D轉換由讀操作觸發，設置為1后，每次讀取A/D值的操作都會觸發一次A/D轉換。
????ENABLE_START:?單次開啟A/D轉換，轉換完畢后該位自動清零，當READ_START設置為1的時候，該位無效。

通常設置值為(1 << 16 | 1 << 14 | 99 <<6 | 1 << 1)。

2、A/D轉換數據寄存器ADCDAT0

注意該寄存器的值只有低12位有效。

3、A/D清中斷寄存器CLRINTADC

黃色部分可知，中斷例程負責清中斷，中斷結束后寫入任意值就可以清中斷。

4、A/D通道選擇寄存器ADCMUX

每次操作都要先設置通道，因為 4個通道是共用同一套寄存器，如果有其他任務也在使用A/D，就會產生混亂。在此我們選擇通道3，置3即可。

5、ADC中斷ID

參見9.2.2GIC Interrupt Table

由此可知，ADC中斷號對應的SPI值是10，inturrupt ID 為42。對于終端查詢方式和編寫終端的驅動需要知道SPI id和inturrupt ID，后面講解基于Linux驅動還會再分析設備樹節點如何填寫。

6、Combiner中斷控制器

combiner的配置寄存器：IMSRn、IECRn、ISERn、ISTRn，類似于GPIO 對中斷源分組。只有中斷模式才需要考慮combiner中斷控制器的操作。

7、Combiner分組

參考章節：10.2.1Interrupt CombinerTable 10-1Interrupt Groups of Interrupt Combiner

可見ADC在INTG10，即第10組。

8、Combiner IESR2

參考章節：10.4.2.9IESR2

如果要用中斷模式設置為1即可。

9、Combiner IECR2

參考章節：10.4.2.10IECR2

此處用于關閉中斷，采用默認值即可，注意，如果設置了1，那么中斷功能就關閉了。

10、A/D轉換的轉換時間計算

例如：PCLK為100MHz,PRESCALER = 65 ;所有10位轉換時間為

100MHz/(99+1) = 1MHz

轉化時間為1/(1MHz/5 cycles) = 5us。

完成一次A/D轉換需要5個時鐘周期。A/D轉換器的最大工作時鐘為5MHz,所以最大采樣率可以達到1Mit/s.

電路連接圖

由該電路圖可知，外設是一個滑動變阻器，根據接觸點的不同，會導致輸入電壓的模擬值不同。連接的A/D控制器通道為3。該電路利用一個電位計輸出電壓到4412的AIN3管腳。輸入的電壓范圍為0~1.8V。

ADC裸機開發程序實例

ADC數據的讀取通常由2種方法：中斷模式、輪訓模式。

輪訓模式

輪詢模式讀取數據步驟如下:

1.要讀取數據首先向ADC寄存器ADCCON的bit：1寫1，發送轉換命令，采用讀-啟動模式來開啟轉換。

2.當ADC控制器轉換完畢會將ADCCON的bit：15設置為1，

3.輪詢檢測ADCCON的bit：15是否設置為1，如果設置為1，就讀走數據，否則繼續等待。

這種方式比較占用CPU資源。

//注：這里使用讀-啟動模式

/***********************ADC?******************/
#define???ADC_CFG??__REG(0x10010118)
#define??ADCCON??__REG(0x126C0000)
#define??ADCDLY??__REG(0x126C0008)
#define??ADCDAT??__REG(0x126C000C)
#define??CLRINTADC?__REG(0x126C0018)
#define??ADCMUX??__REG(0x126C001C)

#include?"exynos_4412.h"
#include?"pwm.h"
#include?"uart.h"

unsigned?char?table[10]?=?{'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9'};

void?mydelay_ms(int?time)
{
??int?i,?j;

??while(time--)
??{
????for?(i?=?0;?i?

	中斷模式

	中斷模式讀取數據步驟如下:

	1.要讀取數據首先向ADC寄存器ADCCON的bit：0寫1，發送轉換命令;

	2.當ADC控制器轉換完畢會通過中斷線向CPU發送中斷信號;

	3.在中斷處理函數中，讀走數據，并清中斷.

	注：中斷對應寄存器的設置，后續會更新對應的文檔。

	void?do_irq(void)
{
???????int?irq_num;

???????irq_num?=?CPU0.ICCIAR?&0x3ff;
???????switch(irq_num)
???????{
?????????case?42:
??????????????adc_num?=?ADCDAT&0xfff;
??????????????printf("adc?=?%d
",adc_num);
??????????????CLRINTADC?=?0;
???????//????IECR2?=?IECR2?|?(1?<

	基于Linux驅動編寫

	設備樹

	編寫基于Linux的ADC外設驅動，首先需要編寫設備樹節點信息，在裸機程序中，我們只用到了寄存器地址，而編寫基于Linux的驅動，我們需要用到中斷功能。所以編寫設備樹節點需要知道ADC要用到的硬件資源主要包括：寄存器資源和中斷資源。

	關于中斷的使用我們在后續文章中會繼續分析，現在我們只需要知道中斷信息如何填寫即可。

	ADC寄存器信息填寫

	

	在這里插入圖片描述

	由上可知，寄存器基地址為0x126c0000,其他寄存器只需要根據基地址做偏移即可獲取，所以設備樹的reg屬性信息如下：

	reg?=?<0x126C0000?0x20>;

	ADC中斷信息填寫

	描述中斷連接需要四個屬性：父節點提供以下信息
interrupt-controller -?一個空的屬性定義該節點作為一個接收中斷信號的設備。
interrupt-cells ?????-?這是一個中斷控制器節點的屬性。它聲明了該中斷控制器的中斷指示符中【interrupts】 cell 的個數（類似于?#address-cells 和?#size-cells）。


	子節點描述信息
interrupt-parent -?這是一個設備節點的屬性，包含一個指向該設備連接的中斷控制器的 phandle。那些沒有 interrupt-parent 的節點則從它們的父節點中繼承該屬性。
interrupts ??????-?一個設備節點屬性，包含一個中斷指示符的列表，對應于該設備上的每個中斷輸出信號。【設備的中斷信息放在該屬性中】

	父節點

	

	首先我們必須知道ADC控制器的中斷線的父節點：

	由上圖可知ADC控制器位于soc內，4個ADC通道公用一根中斷線，該中斷線連接在combiner上，所以我們需要查找到combiner這個父節點的說明：

	進入設備樹文件所在目錄：archarmootdts
grep?combiner?*.*?-n


	經過篩選得到以下信息，

	因為我們使用的板子是exynos4412，而exynos系列通用的平臺設備樹文件是exynos4.dtsi，查看該文件：

	

	上圖列舉了combiner控制器的詳細信息：

	interrupt-cells?;

	interrupt-cells?=<2>;

	所以ADC控制器中斷控制器的interrupts屬性應該有兩個cell。

	interrupts屬性填寫

	而設備的中斷信息填寫方式由內核的以下文檔提供：

	Documentationdevicetreeindingsinterrupt-controllerinterrupts.txt
69.?b)?two?cells
?70.??------------
?71.??The?#interrupt-cells?property?is?set?to?2?and?the?first?cell?72.?defines?the
?73.??index?of?the?interrupt?within?the?controller,?while?the?second?cell?is?used
?74.??to?specify?any?of?the?following?flags:
?75.????-?bits[3:0]?trigger?type?and?level?flags
?76.????????1?=?low-to-high?edge?triggered
?77.????????2?=?high-to-low?edge?triggered
?78.????????4?=?active?high?level-sensitive
?79.????????8?=?active?low?level-sensitive


	由以上信息可知，中斷的第一個cell是該中斷源所在中斷控制器的index，第二個cell表示中斷的觸發方式

	*. 1：上升沿觸發*. 2：下降沿觸發*. 3：高電平觸發*. 4：低電平觸發

	那么index應該是多少呢？

	詳見datasheet的9.2.2 GIC Interrupt Table 節：

	

	此處我們應該是填寫左側的SPI ID：10 還是填寫INTERRUPT ID：42呢？

	此處我們可以參考LCD節點的interrupts填寫方法：

	通過查找父節點為combiner的設備信息。

	繼續grep combiner . -n

	

	由此可見lcd這個設備的interrupts屬性index值是11，所以可知ADC控制器中斷線的index是10。中斷信息如下：
interrupt-parent?=?<&combiner>;
interrupts?=?<10?3>;

	ADC外設設備樹信息
fs4412-adc{
????compatible?=?"fs4412,adc";
????reg?=?<0x126C0000?0x20>;
????interrupt-parent?=?<&combiner>;
????interrupts?=?<10?3>;
};

	本文默認大家會使用設備樹，不知道如何使用設備樹的朋友，后續會開一篇單獨講解設備樹。【注意】在不支持設備樹內核中，以Cortex-A8為例，中斷信息填寫在以下文件中
內部中斷，Irqs.h?(archarmmach-s5pc100includemach)
外部中斷在Irqs.h?(archarmplat-s5pincludeplat)

	ADC屬于內部中斷，位于archarmmach-s5pc100includemachIrqs.h中。

	寄存器信息填寫在以下位置：
archarmmach-s5pc100Mach-smdkc100.c

static?struct?platform_device?*smdkc100_devices[]?__initdata?=?{
??&s3c_device_adc,
??&s3c_device_cfcon,
??&s3c_device_i2c0,
??&s3c_device_i2c1,
??&s3c_device_fb,
??&s3c_device_hsmmc0,
??&s3c_device_hsmmc1,
??&s3c_device_hsmmc2,
??&samsung_device_pwm,
??&s3c_device_ts,
??&s3c_device_wdt,
??&smdkc100_lcd_powerdev,
??&s5pc100_device_iis0,
??&samsung_device_keypad,
??&s5pc100_device_ac97,
??&s3c_device_rtc,
??&s5p_device_fimc0,
??&s5p_device_fimc1,
??&s5p_device_fimc2,
??&s5pc100_device_spdif,
};


	結構體s3c_device_adc定義在以下文件:
archarmplat-samsungDevs.c

#ifdef?CONFIG_PLAT_S3C24XX
static?struct?resource?s3c_adc_resource[]?=?{
??[0]?=?DEFINE_RES_MEM(S3C24XX_PA_ADC,?S3C24XX_SZ_ADC),
??[1]?=?DEFINE_RES_IRQ(IRQ_TC),
??[2]?=?DEFINE_RES_IRQ(IRQ_ADC),
};

struct?platform_device?s3c_device_adc?=?{
??.name????=?"s3c24xx-adc",
??.id????=?-1,
??.num_resources??=?ARRAY_SIZE(s3c_adc_resource),
??.resource??=?s3c_adc_resource,
};
#endif?/*?CONFIG_PLAT_S3C24XX?*/

#if?defined(CONFIG_SAMSUNG_DEV_ADC)
static?struct?resource?s3c_adc_resource[]?=?{
??[0]?=?DEFINE_RES_MEM(SAMSUNG_PA_ADC,?SZ_256),
??[1]?=?DEFINE_RES_IRQ(IRQ_TC),
??[2]?=?DEFINE_RES_IRQ(IRQ_ADC),
};

struct?platform_device?s3c_device_adc?=?{
??.name????=?"samsung-adc",
??.id????=?-1,
??.num_resources??=?ARRAY_SIZE(s3c_adc_resource),
??.resource??=?s3c_adc_resource,
};
#endif?/*?CONFIG_SAMSUNG_DEV_ADC?*/


	由代碼可知，平臺驅動對應的platform_device具體內容由宏CONFIG_PLAT_S3C24XX、CONFIG_SAMSUNG_DEV_ADC來控制。驅動編寫架構和流程如下
read()
{
???????1、向adc設備發送要讀取的命令
??????????ADCCON????1<<0?|?1<<14?|?0X1<<16?|?0XFF<<6
???????2、讀取不到數據就休眠
????????????wait_event_interruptible();
???????3、等待被喚醒讀數據
????????? havedata =?0；
}
adc_handler（）
{
???????1、清中斷?ADC使用中斷來通知轉換數據完畢的
?????? 2、狀態位置位；
??????????? havedata=1；
???????3、喚醒阻塞進程
????????????wake_up()
}
probe（）
{
??????1、讀取中斷號，注冊中斷處理函數
??????2、讀取寄存器的地址，ioremap
??????3、字符設備的操作
}

	驅動需要首先捕獲中斷信號后再去寄存器讀取相應的數據，在ADC控制器沒有準備好數據之前，應用層需要阻塞讀取數據，所以在讀取數據的函數中，需要借助等待隊列來實現驅動對應用進程的阻塞。驅動程序

	驅動程序對寄存器的操作參考裸機程序，只是基地址需要通過ioremap（）做映射，對寄存器的讀寫操作需要用readl、writel。

	driver.c
#include?
#include?
#include?
#include?
#include?
#include?
#include?
#include?
#include?
static?int?major?=?250;
?
?
static?wait_queue_head_t?wq;
static?int?have_data?=?0;
static?int?adc;
static?struct?resource?*res1;
static?struct?resource?*res2;
static?void?*adc_base;
?
#define?ADCCON?0x0000
#define?ADCDLY?0x0008
#define?ADCDAT?0x000C
#define?CLRINTADC?0x0018
#define?ADCMUX?0x001C
?
?
static??irqreturn_t?adc_handler(int?irqno,?void?*dev)
{
??have_data?=?1;
?
??printk("11111
");
??/*清中斷*/
??writel(0x12,adc_base?+?CLRINTADC);
??wake_up_interruptible(&wq);
??return?IRQ_HANDLED;
}
static?int?adc_open?(struct?inode?*inod,?struct?file?*filep)
{
?
??return?0;
}
static?ssize_t?adc_read(struct?file?*filep,?char?__user?*buf,?size_t?len,?loff_t?*pos)
{
????writel(0x3,adc_base?+?ADCMUX);
??writel(1<<0?|?1<<14?|?0X1<<16?|?0XFF<<6?,adc_base?+ADCCON?);
?
??wait_event_interruptible(wq,?have_data==1);
?
??/*read?data*/
??adc?=?readl(adc_base+ADCDAT)&0xfff;
??
??if(copy_to_user(buf,&adc,sizeof(int)))
??{
????return?-EFAULT;
??}
??have_data?=?0;
??return?len;
}
static??int?adc_release(struct?inode?*inode,?struct?file?*filep)
{
??return?0;
}
static?struct?file_operations??adc_ops?=
{
??.open?=?adc_open,
??.release?=?adc_release,
??.read?=?adc_read,
};
?
?
static?int?hello_probe(struct?platform_device?*pdev)
{
??int?ret;
??printk("match?0k?
");
?
??res1?=?platform_get_resource(pdev,IORESOURCE_IRQ,?0);
????res2?=?platform_get_resource(pdev,IORESOURCE_MEM,?0);
?????
??ret?=?request_irq(res1->start,adc_handler,IRQF_DISABLED,"adc1",NULL);
??????adc_base?=?ioremap(res2->start,res2->end-res2->start);
?
??register_chrdev(?major,?"adc",?&adc_ops);
??init_waitqueue_head(&wq);
??
??return?0;
}
static?int?hello_remove(struct?platform_device?*pdev)
{
??free_irq(res1->start,NULL);
??free_irq(res2->start,NULL);??
??unregister_chrdev(?major,?"adc");
??return?0;
}
?
static?struct?of_device_id?adc_id[]=
{
??{.compatible?=?"fs4412,adc"?},
};
?
static?struct?platform_driver?hello_driver=
{
??
??.probe?=?hello_probe,
??.remove?=?hello_remove,
??.driver?={
????.name?=?"bigbang",
????.of_match_table?=?adc_id,
??},
};
?
static?int?hello_init(void)
{
??printk("hello_init");
??return?platform_driver_register(&hello_driver);
}
static?void?hello_exit(void)
{
??platform_driver_unregister(&hello_driver);
??printk("hello_exit?
");
??return;
}
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);


	測試程序

	test.c
#include?
#include?
#include?
#include?
?
main()
{
??int?fd,len;
??int?adc;
??fd?=?open("/dev/hello",O_RDWR);
??if(fd<0)
??{
????perror("open?fail?
");
????return?;
??}
?
??while(1)
??{
????read(fd,&adc,4);
????printf("adc%0.2f?V?
",(1.8*adc)/4096);
??}
?
??close(fd);
}


	編輯：黃飛

	?