正点原子嵌入式linux驱动开发——Linux DAC驱动

上一篇笔记中学习了ADC驱动,STM32MP157 也有DAC外设,DAC也使用的IIO驱动框架。本章就来学习一下如下在Linux下使用STM32MP157上的DAC。

DAC简介

ADC是模数转换器,负责将外界的模拟信号转换为数字信号。DAC刚好相反,是数模转换器,负责将SOC的数字信号转换为模拟信号

STM32MP157的DAC模块(数字/模拟转换模块)是12位数字输入,电压输出型的DAC。DAC可以配置为8位或12位模式,也可以与DMA控制器配合使用。DAC工作在12位模式
时,数据可以设置成左对齐或右对齐。DAC模块有2个输出通道,每个通道都有独立的转换器。在双DAC模式下,2个通道可以独立地进行转换,也可以同时进行转换并同步地更新2个通道的输出。DAC可以通过引脚输入参考电压Vref+(同ADC共用)以获得更精确的转换结果。STM32MP157的DAC模块主要特点有:

  1. 1个DAC 接口,最大两个DAC输出通道。
  2. 12位模式下数据左对齐或者右对齐。
  3. 同步更新功能。
  4. 噪声波、三角波形生成。
  5. 外部触发。
  6. 双DAC通道同时或者分别转换。
  7. 每个通道都有DMA功能。
  8. 输入参考电压VREF+。
  9. ……

STM32MP157 DAC框图如下图所示:

DAC结构框图

图中VDDA和VSSA为DAC模块模拟部分的供电,而VREF+则是DAC模块的参考电压。DAC_OUT1/2就是DAC的两个输出通道了,DAC_OUT1对应PA4引脚,DAC_OUT2对应PA5引脚。正点原子STM32MP157开发板使用DAC_OUT1,引脚为PA4

DAC驱动源码分析

设备树下的DAC节点

stm32mp151.dtsi文件中的dac节点信息如下:

dac节点

第2行,compatible属性值为“st,stm32h7-dac-core”,所以在整个Linux源码里面搜索这个字符串即可找到STM32MP157的DAC驱动核心文件,这个文件就是drivers/iio/dac/stm32-dac-core.c

第11、18行,compatible属性值“st,stm32-dac”,搜索这个字符串,可以找到ADC驱动文件,这个文件就是drivers/iio/dac/stm32-dac.c

关于STM32MP157的DAC节点更为详细的信息请参考对应的绑定文档:Documentation/devicetree/bindings/iio/dac/st,stm32-dac.txt。接下来简单分析一下绑定文档,后面需要根据绑定文档修改设备树,使能DAC对应的通道。

DAC首先需要一个根节点,DAC根节点属性如下:

1、必要属性

  • compatible:兼容性属性,必须的,可以设置为“st,stm32h7-dac-core”。
  • reg:DAC控制器寄存器信息。
  • clocks:时钟。
  • clock-names:时钟名字,必须为“pclk”。
  • vref-supply:此属性对应vref参考电压句柄。
  • address-cells:设置为1。
  • size-cells:设置为0。

2、可选属性

  • :pinctrl 引脚配置信息。
  • resets:复位句柄。

STM32MP157有两个DAC通道,每个DAC通道对应一个子节点,DAC子节点相关属性
如下:

  • compatible:兼容性属性,必须的,可以设置为“st,stm32-dac”。
  • reg:不同ADC控制器寄存器地址偏移信息。
  • io-channel-cells:设置为1。

DAC驱动源码分析

STM32MP157 DAC驱动文件也有两个:stm32-dac-core.c和stm32-dac.cstm32-dac-core.c是DAC核心层,主要用于DAC时钟、电源等初始化。需要重点关注的是stm32-dac.c这个文件。stm32-adc.c主体框架是platform,配合IIO驱动框架实现DAC驱动

stm32_dac结构体

首先来看一下stm32_dac结构体,内如如下:

stm32_dac结构体

stm32_dac结构体很简单,比上一章的stm32_adc结构体要简单很多,只有一个stm32_dac_common成员变量,内容如下:

stm32_dac_common结构体

可以看出,DAC驱动也采用了regmap API。

stm32_dac_probe函数

接下来看一下stm32_dac_probe函数,内容如下(有省略):

stm32_dac_probe函数

第12行,调用devm_iio_device_alloc函数申请iio_dev,这里也连stm32_dac内存一起申请
了。

第17行,调用iio_priv函数从iio_dev里面得到stm32_dac首地址。

第19-23行,初始化iio_dev,重点是第22行的stm32_dac_iio_info,因为用户空间读取或设置DAC数据最终就是由stm32_dac_iio_info来完成的

第25行,调用stm32_dac_chan_of_init函数设置DAC通道。

第36行,调用iio_device_register函数向内核注册iio_dev。

同样的stm32_dac_probe函数核心就是初始化DAC,然后建立DAC的IIO驱动框架

stm32_dac_iio_info结构体

stm32_dac_iio_info结构体内容如下所示:

stm32_dac_iio_info结构体

第2行,stm32_dac_read_raw函数用于读取DAC信息,读取DAC原始数据值、分辨率等。

第3行,stm32_dac_write_raw函数用于设置DAC值。

stm32_dac_read_raw和stm32_dac_write_raw函数内容如下:

stm32_dac_read_raw和stm32_dac_write_raw函数

第1-17行,stm32_dac_read_raw函数,读取DAC的原始值以及分辨率,非常简单。

第19-31行,stm32_dac_write_raw函数,向DAC写入原始值,也就是设置DAC。

硬件原理图分析

DAC原理图如下:

DAC原理图

上一章讲ADC的时候,说了JP2是一个3P的排针,用来设置ADC连接可调电位器还DAC。本章学习使用DAC,因此可以使用跳线帽将JP2的1,2引脚连接起来。也就是将DAC和ADC连接在一起,如下图所示:

DAC跳线帽设置

可以编写应用程序设置DAC,然后再使用ADC采集回去。正点原子STM32MP157开发板使用了DAC通道 1,引脚为PA4

DAC驱动编写

修改设备树

DAC驱动ST已经编写好了,只需要修改设备树即可。首先在stm32mp15-pinctrl.dtsi文件中添加DAC使用的PA4引脚配置信息:

示例代码 58.4.1.1 PA4 引脚配置信息 
1 dac_ch1_pins_a: dac-ch1 {
2     pins {
3         pinmux = <STM32_PINMUX('A', 4, ANALOG)>;
4     };
5 };

接下来在stm32mp157d-atk.dts文件中向根节点添加vdd子节点信息,内容如下:

示例代码 58.4.1.2 vdd 子节点 
1 v3v3: regulator-3p3v {
2     compatible = "regulator-fixed";
3     regulator-name = "v3v3";
4     regulator-min-microvolt = <3300000>;
5     regulator-max-microvolt = <3300000>;
6     regulator-always-on;
7     regulator-boot-on;
8 };

最后在stm32mp157d-atk.dts 文件中向 adc 节点追加一些内容,内容如下:

示例代码 58.4.1.3 adc 节点
1 &dac {
2     pinctrl-names = "default";
3     pinctrl-0 = <&dac_ch1_pins_a>; 
4     vref-supply = <&v3v3>; 
5     status = "okay";
6     dac1: dac@1 {
7         status = "okay"; 
8     };
9 };

第3行,配置dac引脚。

第4行,设置电压属性。

第6-8行,dac1子节点,设置很简单,直接将status属性设置为“okay”即可。

使能DAC驱动

同样的,使能Linux内核中的ST32MP157 DAC驱动,打开Linux内核配置界面,配置路
径如下:

-> Device Drivers
-> Industrial I/O support (IIO [=y])
-> Digital to analog converters
-> <*>STMicroelectronics STM32 DAC //使能 STM32 DAC

如下图所示:

DAC配置项

编写测试APP

编译修改后的设备树,然后使用新的设备树启动系统。进入/sys/bus/iio/devices目录下,此目录下就有DAC对应的iio设备:iio:deviceX,本章例程如下图所示:

DAC iio设备

上图中有两个IIO设备:iio:device0和iio:device1,可以依次进入这两个目录查
看分别对应什么外设。教程中当前所使用的开发板中iio:device0为ADC(上一章实验使能的 ADC驱动),iio:device1为本章使能的DAC设备。

进入“iio:device1”目录,内容如下图所示:

iio:device1目录文件

标准的IIO设备文件目录,只关心三个文件:

  • out_voltage1_powerdown:DAC输出使能文件,写0打开DAC,写1关闭DAC,默认为1,也就是关闭DAC。
  • out_voltage1_raw:DAC1通道 1原始值文件。
  • out_voltage1_scale:DAC1比例文件(分辨率),单位为mV。实际输出电压值(mV)=out_voltage1_raw * out_voltage1_scale。out_voltage1_scale默认值如下图所示:

out_voltage1_scale内容

从上图可以看出,out_voltage1_scale默认为0.805664062。

DAC1默认12位,因此可设置范围为0-4095。向out_voltage1_raw写入2000,命令如下:

echo 0 > /sys/bus/iio/devices/iio:device1/out_voltage1_powerdown //开启 DAC
echo 2000 > /sys/bus/iio/devices/iio:device1/out_voltage1_raw //设置 DAC

此时DAC输出的理论电压值为2000*0.805664062≈1611.328mV。
那么DAC输出是否正确呢?直接使用上一章编写的adcAPP.c读取DAC引脚电压值就行了。这里注意,一定要先按照之前的连接示意图所示,将JP2的右边两根排针连接起来,也就是将DAC和ADC引脚连接在一起。

运行上一章的adcApp.c,结果如下图所示:

ADC采集结果

从上图可以看出,ADC采集到的电压为1.61V,和设置的DAC理论值基本一致。这里要注意,DAC1是12位的,而ADC是16位的,因此可以看到他们的原始值会不一样。

接下来编译一个简单的DAC测试APP,APP等待用户输入DAC原始值,一旦用户输入以后就调用ADC来采集DAC输出的电压值,最后将DAC理论值与ADC采集到的实际值打印出来,看一下是否正确。

这里的过程基本相似,先设置char字符数组指针file_path放置iio框架对应的文件路径,并enum对应的文件索引,然后设置dac的设备结构体,存一下raw、scale和act就可以了。

之后编写file_data_read,是一样的操作,fopen打开然后fscanf扫描,遇到EOF就fseek调到头然后fclose。

之后写dac_add_dac_read函数来获取ADC、DAC数据,这里就是file_data_read然后atoi、atof得到原始值和比例,之后经过换算把实际值存到dac_dev结构体指针dev的adc_act成员变量中;之后同样方法获取DAC的理论真实值存到dev->dac_act中。

之后编写dac_enable,里面就是system来调用控制台进而使能DAC。dac_disable也是同理。

之后编写dac_set函数,设置DAC,这里就是sprintf将传入的value转为字符串,然后fopen打开文件,fseek把文件指针调整到文件头,fwrite写入转为字符串的value,之后fclose关闭文件。

最后写main函数,argc就1个,首先要dac_enable使能DAC,之后再while中scanf获取输入的目标dac设置值,然后通过fgets来获取输入值,之后dac_set把这个值传给DAC,调用dac_add_dac_read来获取数据,成功后就打印当前dac和adc值。

运行测试

编译驱动程序和测试APP

输入如下编译dacApp.c这个测试程序:

arm-none-linux-gnueabihf-gcc -march=armv7-a -mfpu=neon -mfloat-abi=hard dacApp.c -o dacApp

编译成功以后就会生成dacApp这个应用程序。

运行测试

注意,在测试之前一定要先按照接线示意图所示,将JP2跳线帽接到右边,也就是将ADC1_CH19通道连接到开发板上DAC1引脚上!

输入如下命令,使用dacApp测试程序:

./dacApp

APP运行以后会等待输入要设置的DAC值,每输入一次就会自动打印出ADC采集到的实际ADC值以及DAC的理论值,如下图所示:

DAC测试结果

上图中设置了0、500、1000、2000、3000和4095共6个DAC原始值,可以看出DAC设置的理论值和ADC采集到的实际值基本一致。

总结

DAC和ADC总体就很接近,都是ST官方已经写好了驱动,总体就是platform驱动加上regmap配合IIO驱动来完成。

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