SPI接口DAC设备驱动与应用程序开发

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
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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
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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
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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

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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
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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
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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
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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

2. 发送 SPI 消息：

./spidev_test -m 16 /dev/spidev0.0

3. 读取数据：

./spidev_test -r 8 /dev/spidev0.0

4. 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。

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

时序图，假设SCLK上升沿的时候读取电平 ：

记住SPI其实就是彼此数据的置换：

• 
• 

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

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>;};
};

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：

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>;};
};

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