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WinCE下光电编码器的驱动程序设计

2015-05-31   来源:互联网   点击:
引言   近年来,嵌入式技术发展迅速,嵌入式系统在各行各业得到了广泛的应用。然而,由于嵌入式计算机的专用性,系统的硬件、软件结构千差万别,其输入设备也不再像通用计算机那样单一。   嵌入式计算机的...
引言

  近年来,嵌入式技术发展迅速,嵌入式系统在各行各业得到了广泛的应用。然而,由于嵌入式计算机的专用性,系统的硬件、软件结构千差万别,其输入设备也不再像通用计算机那样单一。

  嵌入式计算机的输入设备一般有鼠标、键盘、触摸屏、按钮、旋钮等,而光电编码器(俗称"单键飞梭")作为一种输入设备,由于其具有输入灵活,简单可靠等特点,因此特别适合应用在嵌入式仪器和手持式设备上,整个系统可以只用一个键作为输入。触摸屏由于其方便灵活、节省空间、界面直观等特点也备受青睐,但存在寿命短,长时间使用容易产生误差等缺点。如果用光电编码器辅助触摸屏作为输入设备,必将大大增强系统的可靠性,使得人机接口更加人性化。但由于光电编码器并不是WinCE的标准输入设备,因此其驱动程序在嵌入式操作系统Windows CE Platform Builder中并未给出。本文以三星公司S3C2410(ARM9芯片)为CPU的嵌入式系统开发板为平台,详细阐述了嵌入式操作系统WinCE下光电编码器驱动程序的设计方法,以供同行参考。

1 光电编码器的工作原理

  光电编码器(Optical Encoder)俗称"单键飞梭",其外观好像一个电位器,因其外部有一个可以左右旋转同时又可按下的旋钮,很多设备(如显示器、示波器等)用它作为人机交互接口。下面以美国Greyhill公司生产的光电编码器为例,介绍其工作原理及使用方法。光电编码器的内部电路如图1所示,其内部有1个发光二极管和 2个光敏三极管。当左右旋转旋钮时,中间的遮光板会随旋钮一起转动,光敏三极管就会被遮光板有次序地遮挡,A、B相就会输出图2所示的波形;当按下旋钮时,2、3两脚接通,其用法同一般按键。

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图1 光电编码器的内部电路

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图2 光电编码器的输出波形

  当顺时针旋转时,光电编码器的A相相位会比B相超前半个周期;反之,A相会比B相滞后半个周期。通过检测A、B两相的相位就可以判断旋钮是顺时针还是逆时针旋转,通过记录A或B相变化的次数,就可以得出旋钮旋转的次数,通过检测2、3脚是否接通就可以判断旋钮是否按下。其具体的鉴相规则如下:

  ① A为上升沿,B=0时,旋钮右旋;

  ② B为上升沿,A=1时,旋钮右旋;

  ③ A为下降沿,B=1时,旋钮右旋;

  ④ B为下降沿,A=0时,旋钮右旋;

  ⑤ B为上升沿,A=0时,旋钮左旋;

  ⑥ A为上升沿,B=1时,旋钮左旋;

  ⑦ B为下降沿,A=1时,旋钮左旋;

  ⑧ A为下降沿,B=0时,旋钮左旋。

  通过上述方法,可以很简单地判断旋钮的旋转方向。在判断时添加适当的延时程序,以消除抖动干扰。

2 WinCE提供的驱动模型

  WinCE操作系统支持两种类型的驱动程序。一种为本地驱动程序,是把设备驱动程序作为独立的任务实现的,直接在顶层任务中实现硬件操作,因此都有明确和专一的目的。本地设备驱动程序适合于那些集成到Windows CE平台的设备,诸如键盘、触摸屏、音频等设备。另一种是具有定制接口的流接口驱动程序。它是一般类型的设备驱动程序。流接口驱动程序的形式为用户一级的动态链接库(DLL)文件,用来实现一组固定的函数称为"流接口函数",这些流接口函数使得应用程序可以通过文件系统访问这些驱动程序。本文讨论的光电编码器就属于流接口设备。

  2.1 流设备驱动加载过程

  WinCE.NET系统运行时会启动负责流驱动的加载进程DEVICE.exe。DEVICE.exe进程对驱动的加载是通过装载注册表列举器(RegEnum.dll)实现的。在WinCE.NET中,所有设备的资源信息都由OAL负责记录在系统注册表中,RegEnum.dll一个一个扫描注册表项HEKY_LOCAL_MACHINEDriverBuiltIn下的子键,发现新设备就根据每个表项的内容进行硬件设备初始化。

  2.2 中断与中断处理

  如果一个驱动程序要处理一个中断,那么驱动程序需要首先使用CreateEvent函数建立一个事件,调用 InterruptInitialize函数将该事件与中断标识绑定。然后驱动程序中的IST就可以使用WaitForSingleObject函数来等待中断的发生。在一个硬件中断发生之后,操作系统进入异常处理程序,异常处理程序调用OAL的OEMInterruptHandler函数,该函数检测硬件并将中断标识返回给系统;系统得到该中断标识便会找到该中断标识对应的事件,并唤醒等待相应事件的线程(IST),然后IST进行中断处理。处理完成之后,IST需要调用InterruptDone函数来告诉操作系统中断处理结束,操作系统再次调用OAL中的OEMInterruptDone函数,最后完成中断的处理。
 图3为WinCE.NET中断处理的流程框图。

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图3 WinCE.NET中断处理流程框图

3 光电编码器驱动程序的设计

  3.1 光电编码器与S3C2410的硬件接口

  光电编码器与S3C2410的接口电路如图4所示。光电编码器的A、B相为集电极开路输出,由于S3C2410的I/O口电平为3.3 V,所以将其通过电阻上拉到3.3 V后再分别接到CPU的EINT0和EINT1上;将P1直接接到3.3 V,P2通过电阻下拉到GND。当旋钮按下时,P2口输出为高电平,否则输出为低电平。

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图4 光电编码器与S3C2410的接口电路

  工作状态下,将EINT0、EINT1配置成上升沿和下降沿均触发的外部中断,将EINT2配置成上升沿触发的中断,旋钮按下时EINT2引脚产生上升沿触发中断。

  3.2 外部中断初始化及中断服务程序的编写

  首先必须完成CPU的I/O口和中断的初始化工作,然后再编写中断处理程序。具体分为4个步骤:

  ① 初始化I/O口。在Port_Init()函数中,将EINT0和EI
NT1初始化为上升沿和下降沿均触发的中断,将EINT2初始化为上升沿触发的中断。

  ② 添加中断号。在oalintr.h下添加光电编码器中断向量的宏定义。代码为

  #define SYSINTR_OED(SYSINTR_FIRMWARE+20)

  ③ 添加中断的初始化、禁止、复位等函数,分别在OEMInterruptEnable()、OEMInterruptDisable()、OEMInterruptDone()等函数中加入相关代码。

  ④ 返回中断标识,由OEMInterruptHandler()函数返回中断标识(SYSINTR_OED)。

  3.3 编写流接口驱动程序

  Windows CE.net把中断处理分成两个部分:中断服务程序(ISR)和中断服务线程(IST)。ISR通常要求越短、越快越好,它的唯一任务就是返回中断标识。正由于ISR很小,只能做少量的处理,因此中断处理器就调用IST执行大多数的中断处理。中断服务线程(IST)在从 WaitForSingleObject()函数得到中断已经发生的信号前一直保持空闲;当接收到中断信号后,它就在本机设备驱动程序的PDD层调用子程序,这些程序反过来访问硬件以获得硬件的状态。IST使用InterruptInitialize()函数来注册自己,然后使用 WaitForSingleObject()函数等待中断信号。如果这时中断信号到来,则应将光电编码器的状态记录下来,保存在变量OED_Status 中。OED_Status=1表示旋钮按下,OED_Status=2表示旋钮逆时针旋转,OED_Status=3表示旋钮顺时针旋转。

  这里还有一种比较简单的鉴相规则,具体步骤是,当创建线程时读出EINT1的电平状态并保存在变量PreEINT1中,每次中断到来时首先判断 EINT2是否为高电平。如果为高电平,则说明按钮按下;如果EINT2为低电平,则判断EINT0电平是否与PreEINT1相同。如果相同,则说明旋钮逆时针旋转;反之,旋钮顺时针旋转,判断的流程如图5所示。

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图5 光电编码器鉴相流程框图

  Windows CE流接口驱动程序模型要求驱动程序开发者编写10个接口函数,针对光电编码器的驱动主要应完成设备初始化和数据读取2个函数的编写。Windows CE设备文件名前缀由3个大写字母组成,操作系统使用这3个字母来识别与流接口驱动程序相对应的设备。这里定义设备文件名前缀为"OED" (Optical Encoder),其中设备初始化函数OED_Init()在Windows CE装载驱动程序时用于创建中断事件和中断服务线程。在函数OED_Read()中将光电编码器的状态(OED_Status)返回。

  3.4 封装驱动程序并加入到WinCE中

  根据上述方法编译出动态链接库(DLL)还不够,因为它的接口函数还没有导出,还需要告诉链接程序输出什么样的函数,因此必须建立一个后缀名为def的文件。在本设计中为OpticalEncoder.def。下面是此文件的内容:

LIBRARY OpticalEncoder
  EXPORTS
  OED_Close
  OED_Deinit
  OED_Init
  OED_IOControl
  OED_Open
  OED_PowerDown
  OED_PowerUp
  OED_Read
  OED_Seek
  OED_Write

  一个具体的流接口驱动程序和注册表是密不可分的。向WinCE内核添加注册表项的方法有两种:一种是直接修改Platform Builder下的reg文件;另一种是自己编写一个注册表文件,通过添加组件的方法将动态链接库文件添加到内核中。这里用第2种方法,将 OpticalEncoder.dll添加到内核中。编写的注册表文件内容如下:

[HKEY_LOCAL_MACHINEDriversBuilt InSTRINGS]
  Index=dword :1
  Prefix=OED
  Dll=OpticalEncoder.dll
  Order=dword :0

  最后编写一个CEC文件,完成对定制内核注册表部分的修改并将OpticalEncoder.dll添加到系统内核中去,然后在Platform Builder中就可以直接添加已经编写好的驱动程序了。

结语

  本文主要介绍了光电旋转编码器的原理及应用方法,并详细介绍了WinCE驱动程序的结构,成功地开发出了光电编码器在嵌入式操作系统WinCE下的驱动程序。实验证明,该方法正确可行,程序运行稳定可靠。

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