WinCE下光电编码器的驱动程序设计

WinCE下光电编码器的驱动程序设计

时间:2012-11-17 16:33来源:未知 作者:秩名 点击: 63 次

光电编码器以其体积小、输入灵活等特点作为输入设备，广泛应用于各种嵌入式仪器中。本文讨论光电编码器的原理及使用方法；以三星公司ARM9芯片S3C2410为CPU的嵌入式系统开发板为平台，详细

 

摘要 
光电编码器以其体积小、输入灵活等特点作为输入设备，广泛应用于各种嵌入式仪器中。本文讨论光电编码器的原理及使用方法；以三星公司ARM9芯片S3C2410为CPU的嵌入式系统开发板为平台，详细阐述嵌入式操作系统WinCE下光电编码器驱动程序的设计方法。实验证明，该方法正确可行，程序运行稳定可靠。
关键词 
嵌入式系统  WinCE  光电编码器  S3C2410

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。

图1  光电编码器的内部电路

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_MACHINE\\Driver\\BuiltIn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。

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。

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EINT1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。

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_MACHINE\\Drivers\\Built In\\STRINGS]
    "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。
参考文献
[1] 周毓林,宁杨. Windows CE.net内核定制及应用开发[M]. 北京:电子工业出版社, 2005.
[2] Chris Muench. Windows CE权威指南[M]. 北京:中国电力出版社, 2001.
[3] 汪兵. EVC高级编程及其应用开发[M]. 北京:中国水利水电出版社, 2005.
[4] S3C2410 users manual v1.0. [OL]. http://www.samsung.com,2004.
[5] Optical encoder datasheet, Greyhill. [OL]. http://www.greyhill.com.

(责任编辑：山者)