SPI接口DAC设备驱动与应用程序开发

news2025/4/16 17:51:53

本文章相关专栏往期内容，SPI子系统专栏：

  1. SPI通信协议与Linux设备驱动框架解析
  2. SPI传输与驱动框架的实现
  3. spidev.c：SPI设备驱动的核心实现逻辑

PCI/PCIe子系统专栏：

  1. 专栏地址：PCI/PCIe子系统
  2. PCIe设备MSI/MSI-X中断源码分析与驱动编写
    – 末片，有专栏内容观看顺序

Uart子系统专栏：

  1. 专栏地址：Uart子系统
  2. Linux内核早期打印机制与RS485通信技术
    – 末片，有专栏内容观看顺序

interrupt子系统专栏：

  1. 专栏地址：interrupt子系统
  2. Linux 链式与层级中断控制器讲解：原理与驱动开发
    – 末片，有专栏内容观看顺序

pinctrl和gpio子系统专栏：

  1. 专栏地址：pinctrl和gpio子系统

  2. 编写虚拟的GPIO控制器的驱动程序：和pinctrl的交互使用

    – 末片，有专栏内容观看顺序

input子系统专栏：

  1. 专栏地址：input子系统
  2. input角度：I2C触摸屏驱动分析和编写一个简单的I2C驱动程序
    – 末片，有专栏内容观看顺序

I2C子系统专栏：

  1. 专栏地址：IIC子系统
  2. 具体芯片的IIC控制器驱动程序分析：i2c-imx.c-CSDN博客
    – 末篇，有专栏内容观看顺序

总线和设备树专栏：

  1. 专栏地址：总线和设备树
  2. 设备树与 Linux 内核设备驱动模型的整合-CSDN博客
    – 末篇，有专栏内容观看顺序

img

目录

  • 1.spi_dac设备的应用程序
    • 1.2 测试示例
      • 1.2.1 使用方法
      • 1.2.2 代码讲解
    • 1.3 编写操作spi_dac设备的应用程序
      • 1.3.1 DAC介绍
      • 1.3.2 时序图
      • 1.3.3 DAC公式
      • 1.3.4 编写
      • 3.3.5 上机
  • 2.编写DAC的驱动程序
    • 2.1 编写设备树
    • 2.2 代码

1.spi_dac设备的应用程序

1.2 测试示例

内核提供的测试程序：tools\spi\spidev_fdx.c 📎spidev_fdx.c（应用程序）

1.2.1 使用方法

编译该程序并生成可执行文件 spidev_test，你可以使用以下命令来与 SPI 设备交互。

  1. 查看设备状态：
./spidev_test /dev/spidev0.0
  1. 发送 SPI 消息：
./spidev_test -m 16 /dev/spidev0.0
  1. 读取数据：
./spidev_test -r 8 /dev/spidev0.0
  1. 启用详细模式：
./spidev_test -v /dev/spidev0.0

1.2.2 代码讲解

（1）显示设备属性

static void dumpstat(const char *name, int fd)
{
    __u8	lsb, bits;
    __u32	mode, speed;

    if (ioctl(fd, SPI_IOC_RD_MODE32, &mode) < 0) {  //读取当前的 SPI 模式。
        perror("SPI rd_mode");
        return;
    }
    if (ioctl(fd, SPI_IOC_RD_LSB_FIRST, &lsb) < 0) { //读取传输是 LSB 先还是 MSB 先。
        perror("SPI rd_lsb_fist");
        return;
    }
    if (ioctl(fd, SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD, &bits) < 0) {  //读取每字传输的位数。
        perror("SPI bits_per_word");
        return;
    }
    if (ioctl(fd, SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ, &speed) < 0) { //读取最大传输速度。
        perror("SPI max_speed_hz");
        return;
    }

    printf("%s: spi mode 0x%x, %d bits %sper word, %d Hz max\n",
           name, mode, bits, lsb ? "(lsb first) " : "", speed);  //printf打印出设备的参数
}

通过 ioctl 调用，读取当前 SPI 设备的配置信息（模式、LSB/MSB 顺序、每字传输位数、最大速度等），并将其打印到控制台。

（2）读设备数据

static void do_read(int fd, int len)
{
	unsigned char	buf[32], *bp;
	int		status;

	/* read at least 2 bytes, no more than 32 */
	if (len < 2)
		len = 2;
	else if (len > sizeof(buf))
		len = sizeof(buf);
	memset(buf, 0, sizeof buf);

	status = read(fd, buf, len);
    //检查并确保读取的数据长度在 2 到 32 字节之间，并通过 read(fd, buf, len) 来从设备读取数据到 buf。
	if (status < 0) {
		perror("read");
		return;
	}
	if (status != len) {
		fprintf(stderr, "short read\n");
		return;
	}

	printf("read(%2d, %2d): %02x %02x,", len, status,
		buf[0], buf[1]);
	status -= 2;
	bp = buf + 2;
	while (status-- > 0)
		printf(" %02x", *bp++); // 将读取到的数据打印到控制台。
	printf("\n");
}

（3）发送消息

static void do_msg(int fd, int len)
{
	struct spi_ioc_transfer	xfer[2];
	unsigned char		buf[32], *bp;
	int			status;

	memset(xfer, 0, sizeof xfer);
	memset(buf, 0, sizeof buf);

	if (len > sizeof buf)
		len = sizeof buf;

	buf[0] = 0xaa;
	xfer[0].tx_buf = (unsigned long)buf;
	xfer[0].len = 1;

	xfer[1].rx_buf = (unsigned long) buf;
	xfer[1].len = len;

	status = ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(2), xfer);
	if (status < 0) {
		perror("SPI_IOC_MESSAGE");
		return;
	}

	printf("response(%2d, %2d): ", len, status);
	for (bp = buf; len; len--)
		printf(" %02x", *bp++);
	printf("\n");
}

它不是通过调用write函数，进而去调用spidev驱动中的spidev_write，而是通过Ioctl函数来实现，这是可以的，ioctl函数在之前就介绍过是可以用来执行一些复杂的数据传输操作。

（4）主函数

int main(int argc, char **argv)
{
	int		c;
	int		readcount = 0;
	int		msglen = 0;
	int		fd;
	const char	*name;

	while ((c = getopt(argc, argv, "hm:r:v")) != EOF) {
		switch (c) {
		case 'm':
			msglen = atoi(optarg);
			if (msglen < 0)
				goto usage;
			continue;
		case 'r':
			readcount = atoi(optarg);
			if (readcount < 0)
				goto usage;
			continue;
		case 'v':
			verbose++;
			continue;
		case 'h':
		case '?':
usage:
			fprintf(stderr,
				"usage: %s [-h] [-m N] [-r N] /dev/spidevB.D\n",
				argv[0]);
			return 1;
		}
	}

	if ((optind + 1) != argc)
		goto usage;
	name = argv[optind];

	fd = open(name, O_RDWR);
	if (fd < 0) {
		perror("open");
		return 1;
	}

	dumpstat(name, fd);

	if (msglen)
		do_msg(fd, msglen);

	if (readcount)
		do_read(fd, readcount);

	close(fd);
	return 0;
}

  • 解析命令行参数，支持的选项包括：

    • -m N：发送 N 字节的消息。
    • -r N：读取 N 字节的数据。
    • -v：启用详细模式。
    • -h 或 -?：打印帮助信息。

  • 打开指定的 SPI 设备文件并调用 dumpstat 打印设备的状态。

  • 根据命令行参数调用 do_msg（发送消息）和 do_read（读取数据）函数进行 SPI 传输。

  • 最后关闭设备文件。

1.3 编写操作spi_dac设备的应用程序

使用的驱动程序是内核提供的spidev.

DAC芯片手册：📎TLC5615.pdfc

1.3.1 DAC介绍

DAC（Digital-to-Analog Converter，数字-模拟转换器）是一种将数字信号转换为模拟电压或电流输出的器件。DAC模块常用于音频输出、信号处理、自动控制系统等场合。

img

img

一个典型的 DAC 模块有以下常见的引脚：

  • DIN（Data In，数据输入）：

    • 这是数据输入引脚，通过它传入要转换的数字信号。
    • 数据通常以串行方式传输，例如 SPI（Serial Peripheral Interface）通信协议。每次传输的数字信号代表希望生成的模拟输出。

  • SCLK（Serial Clock，串行时钟）：

    • 时钟信号引脚，用于同步数据的传输。
    • 通过时钟的上升沿或下降沿（取决于 DAC 的工作模式）将数据从控制器（例如微控制器）发送到 DAC 的数据输入引脚 DIN。SCLK 控制数据传输的时序。

  • CS（Chip Select，片选）：

    • 片选信号引脚，用于启用或禁用 DAC。
    • 当 CS 处于低电平时，DAC 会被选中并开始接收数据；当 CS 拉高时，数据传输结束，DAC 停止通信并执行相应的操作（如更新输出电压）。

  • DOUT（Data Out，数据输出）：

    • 这是数据输出引脚，一些高级 DAC 模块带有此引脚，用于反馈通信或级联多个 DAC。
    • DOUT 通常用于从 DAC 向主设备返回状态信息，也可以将多个 DAC 模块级联，形成串行数据链。
    • 级联下（也就是多个DAC串行），传输的16bit数据

  • Vdd（电源输入）：

    • 为 DAC 提供工作电压的引脚。
    • 典型的工作电压范围为 2.7V 到 5.5V 或 3.3V/5V，具体取决于 DAC 的型号。Vdd 为内部数字和模拟电路供电。

  • OUT（模拟输出）：

    • DAC 的模拟电压输出引脚。
    • 根据输入的数字信号，这个引脚会输出相应的模拟信号，通常是电压信号（例如 0V-3.3V 或 0V-5V）。在某些情况下，DAC 可以直接输出电流信号。
    • 其中传入的是16bit，但是输出的10bit，高四位无效，第两位为0

  • REFIN（Reference Input，基准电压输入）：

    • 基准电压输入引脚，用于提供 DAC 模块的基准电压。
    • 基准电压决定了 DAC 的输出范围。例如，如果参考电压为 2.5V，DAC 的输出范围可能会是 0V 到 2.5V。外部基准电压可以提高 DAC 的精度和稳定性。

  • AGND（Analog Ground，模拟地）：

    • 模拟电路的地线。
    • 与 Vdd 共同提供 DAC 的电源参考电压，确保 DAC 输出的稳定性。AGND 通常用于模拟部分电路，以减少数字噪声的干扰。

需要特别注意的是OUT和DOUT，因为这两个的差异，输入的16bit数据其高4位和低2位得都为0才能保证传输正确的数据。这个在时序图讲解的时候再提。

1.3.2 时序图

img

时序图，假设SCLK上升沿的时候读取电平 ：

img

记住SPI其实就是彼此数据的置换：

  • img
  • img

在CS有效（低电平）期间，DIN(MISO)数据会随着SCLK的每次时钟脉冲被移入从机的移位寄存器，从高位（MSB）开始依次传输到低位（LSB）。同时，DOUT(MOSI)也会将从机中保存的前一次数据从高位（MSB）开始依次移出，传输到主机的移位寄存器中。

在TLC5615的SPI通信中，**DOUT**的第一位对应上一帧（previous frame）的LSB。这是由TLC5615的工作原理和SPI协议的移位寄存器设计决定的。

  • CS信号拉低后，TLC5615进入通信状态，其移位寄存器不会被清零，而是保留上一帧的数据内容。
  • 在通信开始时，从机的移位寄存器会直接输出当前内容中的最高位（MSB）。
  • 但是，因为SPI通信是连续的，上一帧数据的LSB早已移位到移位寄存器的最高位（MSB位置）。
  • 假设上一帧完整的16位数据已经移位完成，寄存器中的最后一个位（LSB）自然会移到最高位（MSB）。
  • 当新的时钟信号（SCLK）到来时，从机移位寄存器的最高位（previous LSB）会最先通过DOUT传出。

SPI协议和TLC5615设计中，移位寄存器在时钟脉冲驱动下始终保持连续性，导致上一帧数据循环至当前帧的最高位。

我觉得主要是得看SPI选择的通信模式吧，像模式0，第一个上升沿就要移入数据，但是此时根本还没有数据，在此之前应该就进行了一次数据的移除。

1.3.3 DAC公式

数字信号怎么转换为模拟信号

img

OUT引脚输出电压：2 * V****refin ***** (n / 1024)，其中n为输出的10bit的10进制值

1.3.4 编写

📎dac_test.c

编写设备树：

&ecspi1 {
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&pinctrl_ecspi1>;

    fsl,spi-num-chipselects = <2>;
    cs-gpios = <&gpio4 26 GPIO_ACTIVE_LOW>, <&gpio4 24 GPIO_ACTIVE_LOW>;
    status = "okay";

    dac: dac {
        compatible = "spidev";
        reg = <0>;
        spi-max-frequency = <20000000>;
    };
};

img

3.3.5 上机

编译应用程序：

arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc  -o  dac_test  dac_test.c

编译驱动：

img

2.编写DAC的驱动程序

使用之前讲到的编写SPI设备的驱动框架

2.1 编写设备树

&ecspi1 {
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&pinctrl_ecspi1>;

    fsl,spi-num-chipselects = <2>;
    cs-gpios = <&gpio4 26 GPIO_ACTIVE_LOW>, <&gpio4 24 GPIO_ACTIVE_LOW>;
    status = "okay";

    dac: dac {
        compatible = "spidev";
        reg = <0>;
        spi-max-frequency = <20000000>;
    };
};

img

img

2.2 代码

📎dac_test.c

📎dac_drv.c

如果spidev没有被编译进内核，那么先执行：

insmod dac_drv.ko

确定设备节点：

ls /dev/100ask_dac

假设设备节点为/dev/100ask_dac，执行测试程序：

./dac_test  /dev/100ask_dac  500
./dac_test  /dev/100ask_dac  600
./dac_test  /dev/100ask_dac  1000

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