DAC


DAC

概述

功能简介

DAC(Digital to Analog Converter)是一种通过电流、电压或电荷的形式将数字信号转换为模拟信号的设备 。

基本概念

DAC模块支持数模转换的开发。它主要用于:

  1. 作为过程控制计算机系统的输出通道,与执行器相连,实现对生产过程的自动控制。
  2. 在利用反馈技术的魔术转换器设计中,作为重要的功能模块呈现。
  • 分辨率

    分辨率指的是D/A转换器能够转换的二进制位数,位数越多分辨率越高。

  • 转换精度

    精度是指输入端加有最大数值时,DAC的实际输出值和理论计算值之差,DAC转换器的转换精度与DAC转换器的集成芯片结构和接口电路配置有关。理想情况下,DAC的转换精度越小越好,因此为了获得更高精度的DAC转换结果,首先要保证选择的DAC转换器具备足够高的分辨率。其次,要保证接口电路的器件或电源误差最小或者不存在误差,否则会造成DAC转换的误差,当这些误差超过一定程度时,会导致DAC转换错误。

  • 转换速度

    转换速度一般由建立时间决定。从输入由全0突变为全1时开始,到输出电压稳定在FSR±½LSB范围(或以FSR±x%FSR指明范围)内为止,这段时间称为建立时间,它是DAC的最大响应时间,所以用它衡量转换速度的快慢。

    满量程范围FSR( Full Scale Range ),是指DAC输出信号幅度的最大范围,不同的DAC有不同的满量程范围, 该范围可以用正、负电流或者正、负电压来限制 。

    最低有效位LSB(Least Significant Byte),指的是一个二进制数字中的第0位(即最低位)。

运作机制

在HDF框架中,同类型设备对象较多时(可能同时存在十几个同类型配置器),若采用独立服务模式则需要配置更多的设备节点,且相关服务会占据更多的内存资源。相反,采用统一服务模式可以使用一个设备服务作为管理器,统一处理所有同类型对象的外部访问(这会在配置文件中有所体现),实现便捷管理和节约资源的目的。DAC模块接口适配模式采用统一服务模式(如图1所示)。

DAC模块各分层的作用为:接口层提供打开设备,写入数据,关闭设备接口的能力。核心层主要提供绑定设备、初始化设备以及释放设备的能力。适配层实现其他具体的功能。

说明:核心层可以调用接口层的函数,也可以通过钩子函数调用适配层函数,从而使得适配层间接的可以调用接口层函数,但是不可逆转接口层调用适配层函数。

图 1 统一服务模式

约束与限制

DAC模块当前仅支持轻量和小型系统内核(LiteOS)。

开发指导

场景介绍

DAC模块主要在设备中数模转换,音频输出,电机控制等设备使用,设置将DAC模块传入的数字信号转换为输出模拟信号时需要用到DAC数模转换驱动。

接口说明

通过以下DacMethod中的函数调用DAC驱动对应的函数。

DacMethod定义:

struct DacMethod {
    //写入数据的钩子函数
    int32_t (*write)(struct DacDevice *device, uint32_t channel, uint32_t val);
    //启动DAC设备的钩子函数
    int32_t (*start)(struct DacDevice *device);
    //停止DAC设备的钩子函数
    int32_t (*stop)(struct DacDevice *device);
};
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表 1 DacMethod结构体成员的回调函数功能说明

函数成员 入参 出参 返回值 功能
write device:结构体指针,核心层DAC控制器;
channel:uint32_t,传入的通道号;
val:uint32_t,要传入的数据;
HDF_STATUS相关状态 写入DA的目标值
start device:结构体指针,核心层DAC控制器; HDF_STATUS相关状态 开启DAC设备
stop device:结构体指针,核心层DAC控制器; HDF_STATUS相关状态 关闭DAC设备

开发步骤

DAC模块适配包含以下四个步骤:

  • 实例化驱动入口。
  • 配置属性文件。
  • 实例化核心层接口函数。
  • 驱动调试。
  1. 实例化驱动入口:

    驱动开发首先需要实例化驱动入口,驱动入口必须为HdfDriverEntry(在 hdf_device_desc.h 中定义)类型的全局变量,且moduleName要和device_info.hcs中保持一致。 HDF框架会汇总所有加载的驱动的HdfDriverEntry对象入口 ,形成一个类似数组的段地址空间,方便上层调用。

    一般在加载驱动时HDF会先调用Init函数加载该驱动。当Init调用异常时,HDF框架会调用Release释放驱动资源并退出。

    static struct HdfDriverEntry g_dacDriverEntry = {
        .moduleVersion = 1,
        .Init = VirtualDacInit,
        .Release = VirtualDacRelease,
        .moduleName = "virtual_dac_driver", //【必要且与 HCS 里面的名字匹配】
        };
        HDF_INIT(g_dacDriverEntry); //调用HDF_INIT将驱动入口注册到HDF框架中
    
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  2. 配置属性文件:

    • 在vendor/hisilicon/hispark_taurus/hdf_config/device_info/device_info.hcs文件中添加deviceNode描述。

      器件属性值对于厂商驱动的实现以及核心层DacDevice相关成员的默认值或限制范围有密切关系,比如设备通道的个数以及传输速率的最大值,会影响DacDevice相关成员的默认值。

      由于采用了统一服务模式,device_info.hcs文件中第一个设备节点必须为DAC管理器,其各项参数必须如下设置:

      成员名
      policy 具体配置为0,不发布服务
      priority 驱动启动优先级(0-200),值越大优先级越低,,优先级相同则不保证device的加载顺序。
      permission 驱动权限
      moduleName 固定为HDF_PLATFORM_DAC_MANAGER
      serviceName 固定为HDF_PLATFORM_DAC_MANAGER
      deviceMatchAttr 没有使用,可忽略

      从第二个节点开始配置具体DAC控制器信息,此节点并不表示某一路DAC控制器,而是代表一个资源性质设备,用于描述一类DAC控制器的信息。本例只有一个DAC设备,如有多个设备,则需要在device_info文件增加deviceNode信息,以及在dac_config文件中增加对应的器件属性。

      device_info.hcs 配置参考。

      root {
          device_dac :: device {
              //device0是DAC管理器
              device0 :: deviceNode {
                  policy = 0;
                  priority = 52;
                  permission = 0644;
                  serviceName = "HDF_PLATFORM_DAC_MANAGER";
                  moduleName = "HDF_PLATFORM_DAC_MANAGER";
              }
          }
          //dac_virtual是DAC控制器
          dac_virtual :: deviceNode {
              policy = 0;
              priority = 56;
              permission = 0644;
              moduleName = "virtual_dac_driver";        //【必要】用于指定驱动名称,需要与期望的驱动Entry中的moduleName一致
              serviceName = "VIRTUAL_DAC_DRIVER";       //【必要】驱动对外发布服务的名称,必须唯一
              deviceMatchAttr = "virtual_dac";          //【必要】用于配置控制器私有数据,要与dac_config.hcs中对应控制器保持一致
              }                                          
      }
      
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    • 添加dac_test_config.hcs器件属性文件 在vendor/vendor_hisilicon/hispark_taurus/hdf_config/hdf_test/xxx_test_config.hcs目录下新增文件用于驱动配置参数,(例如:vendor/vendor_hisilicon/hispark_taurus/hdf_config/hdf_test/dac_test_config.hcs)其中配置参数如下

      root {
          platform {
          dac_config {
                  match_attr = "virtual_dac"; //【必要】需要和device_info.hcs中的deviceMatchAttr值一致    
                  template dac_device {
                      deviceNum = 0; //设备号     
                      validChannel = 0x1; //有效通道1
                      rate = 20000; //速率
                  }
                  device_0 :: dac_device {
                      deviceNum = 0; //设备号
                      validChannel = 0x2; //有效通道2
                  }
              }
          }
      }
      
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  3. 实例化核心层接口函数:

    • 初始化DacDevice成员。

      在VirtualDacParseAndInit函数中对DacDevice成员进行初始化操作。

      //虚拟驱动自定义结构体
      struct VirtualDacDevice {
      //DAC设备结构体
          struct DacDevice device;
          //DAC设备号
          uint32_t deviceNum;
          //有效通道
          uint32_t validChannel;
          //DAC速率
          uint32_t rate;
      };
      //解析并且初始化核心层DacDevice对象
      static int32_t VirtualDacParseAndInit(struct HdfDeviceObject *device, const struct DeviceResourceNode *node)
      {
          //定义返回值
          int32_t ret;
          //DAC设备虚拟指针
          struct VirtualDacDevice *virtual = NULL;
          (void)device;
          //给virtual指针开辟空间
          virtual = (struct VirtualDacDevice *)OsalMemCalloc(sizeof(*virtual));
      if (virtual == NULL) {
          //为空则返回错误参数
          HDF_LOGE("%s: Malloc virtual fail!", __func__);
          return HDF_ERR_MALLOC_FAIL;
      }
      //读取属性文件配置参数
      ret = VirtualDacReadDrs(virtual, node);
      if (ret != HDF_SUCCESS) {
          //读取失败
          HDF_LOGE("%s: Read drs fail! ret:%d", __func__, ret);
          //释放virtual空间
          OsalMemFree(virtual);
          //指针置为0
          virtual = NULL;
          return ret;
      }
      //初始化虚拟指针
      VirtualDacDeviceInit(virtual);
      //对DacDevice中priv对象初始化
      virtual->device.priv = (void *)node;
      //对DacDevice中devNum对象初始化
      virtual->device.devNum = virtual->deviceNum;
      //对DacDevice中ops对象初始化
      virtual->device.ops = &g_method;
      //添加DAC设备
      ret = DacDeviceAdd(&virtual->device);
      if (ret != HDF_SUCCESS) {
          //添加设备失败
          HDF_LOGE("%s: add Dac controller failed! ret = %d", __func__, ret);
          //释放virtual空间
          OsalMemFree(virtual);
          //虚拟指针置空
          virtual = NULL;
          return ret;
      }
      
      return HDF_SUCCESS;
      }
      
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    • 自定义结构体参考。

      通过自定义结构体定义DAC数模转换必要的参数,在定义结构体时需要根据设备的功能参数来实现自定义结构体,从驱动的角度看,自定义结构体是参数和数据的载体,dac_config.hcs文件中传递的参数和数据会被HDF驱动模块的DacTestReadConfig函数读入,通过DeviceResourceIface来初始化结构体成员,其中一些重要数值也会传递给核心层DacDevice对象,例如设备号、总线号等。

      struct VirtualDacDevice {
          struct DacDevice device; //【必要】是核心层控制对象,具体描述见下面
          uint32_t deviceNum;      //【必要】设备号
          uint32_t validChannel;   //【必要】有效通道
          uint32_t rate;           //【必要】采样率
      };
      
      //DacDevice是核心层控制器结构体,其中的成员在Init函数中会被赋值
      struct DacDevice {
          const struct DacMethod *ops;
          OsalSpinlock spin; //自旋锁
          uint32_t devNum; //设备号
          uint32_t chanNum; //设备通道号
          const struct DacLockMethod *lockOps;
          void *priv;
      };
      
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    • 实例化DacDevice成员DacMethod。

      VirtualDacWrite、VirtualDacStop、VirtualDacStart函数会在dac_virtual.c文件中进行模块功能的实例化。

      static const struct DacMethod g_method = {
          .write = VirtualDacWrite, //DAC设备写入值
          .stop = VirtualDacStop, //停止DAC设备
          .start = VirtualDacStart, //开始启动DAC设备
      };
      
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      说明: DacDevice成员DacMethod的定义和成员说明见接口说明

    • Init函数参考

      入参:

      HdfDeviceObject这个是整个驱动对外暴露的接口参数,具备HCS配置文件的信息。

      返回值:

      HDF_STATUS相关状态(下表为部分展示,如需使用其他状态,可见//drivers/framework/include/utils/hdf_base.h中HDF_STATUS 定义)。

      状态(值) 问题描述
      HDF_ERR_INVALID_OBJECT 控制器对象非法
      HDF_ERR_INVALID_PARAM 参数非法
      HDF_ERR_MALLOC_FAIL 内存分配失败
      HDF_ERR_IO I/O 错误
      HDF_SUCCESS 传输成功
      HDF_FAILURE 传输失败

      函数说明:

      初始化自定义结构体对象,初始化DacDevice成员,并调用核心层DacDeviceAdd函数。

      static int32_t VirtualDacParseAndInit(struct HdfDeviceObject *device, const struct DeviceResourceNode *node)
      {
          // 定义返回值参数
          int32_t ret;
          // DAC设备的结构体指针
          struct VirtualDacDevice *virtual = NULL;
          (void)device;
          // 分配指定大小的内存
          virtual = (struct VirtualDacDevice *)OsalMemCalloc(sizeof(*virtual));
          if (virtual == NULL) {
              // 分配内存失败
              HDF_LOGE("%s: Malloc virtual fail!", __func__);
              return HDF_ERR_MALLOC_FAIL;
          }
          // 读取hcs中的node节点参数
          ret = VirtualDacReadDrs(virtual, node);
          if (ret != HDF_SUCCESS) {
              // 读取节点失败 
              HDF_LOGE("%s: Read drs fail! ret:%d", __func__, ret);
              goto __ERR__;
          }
          // 初始化DAC设备指针
          VirtualDacDeviceInit(virtual);
          // 节点数据传入私有数据
          virtual->device.priv = (void *)node;
          // 传入设备号
          virtual->device.devNum = virtual->deviceNum;
          // 传入方法
          virtual->device.ops = &g_method;
          // 添加DAC设备
          ret = DacDeviceAdd(&virtual->device);
          if (ret != HDF_SUCCESS) {
              // 添加DAC设备失败
              HDF_LOGE("%s: add Dac controller failed! ret = %d", __func__, ret);
              goto __ERR__;
          }
          // 成功添加DAC设备
          return HDF_SUCCESS;
      __ERR__:
          // 如果指针为空
          if (virtual != NULL) {
              // 释放内存
              OsalMemFree(virtual);
              // 指针置空
              virtual = NULL;
          }
      
          return ret;
      }
      
      static int32_t VirtualDacInit(struct HdfDeviceObject *device)
      {
          // 定义返回值参数
          int32_t ret;
          // 设备结构体子节点
          const struct DeviceResourceNode *childNode = NULL;
          // 入参指针进行判断
          if (device == NULL || device->property == NULL) {
              // 入参指针为空
              HDF_LOGE("%s: device or property is NULL", __func__);
              return HDF_ERR_INVALID_OBJECT;
          }
          // 入参指针不为空
          ret = HDF_SUCCESS;
          DEV_RES_NODE_FOR_EACH_CHILD_NODE(device->property, childNode) {
              // 解析子节点
              ret = VirtualDacParseAndInit(device, childNode);
              if (ret != HDF_SUCCESS) {
                  // 解析失败
                  break;
              }
          }
          // 解析成功
          return ret;
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    • Release 函数参考

      入参:

      HdfDeviceObject是整个驱动对外暴露的接口参数,具备HCS配置文件的信息。

      返回值:

      无。

      函数说明:

      释放内存和删除控制器,该函数需要在驱动入口结构体中赋值给Release接口,当HDF框架调用Init函数初始化驱动失败时,可以调用Release释放驱动资源。所有强制转换获取相应对象的操作前提是在Init函数中具备对应赋值的操作。

      static void VirtualDacRemoveByNode(const struct DeviceResourceNode *node)
      {
          // 定义返回值参数
          int32_t ret;
          // 定义DAC设备号
          int16_t devNum;
          // DAC设备结构体指针
          struct DacDevice *device = NULL;
          // DAC虚拟结构体指针
          struct VirtualDacDevice *virtual = NULL;
          // 设备资源接口结构体指针
          struct DeviceResourceIface *drsOps = NULL;
          // 通过实例入口获取设备资源
          drsOps = DeviceResourceGetIfaceInstance(HDF_CONFIG_SOURCE);
          // 入参指判空
          if (drsOps == NULL || drsOps->GetUint32 == NULL) {
              // 指针为空
              HDF_LOGE("%s: invalid drs ops fail!", __func__);
              return;
      }
      // 获取devNum节点的数据
      ret = drsOps->GetUint16(node, "devNum", (uint16_t *)&devNum, 0);
      if (ret != HDF_SUCCESS) {
          //获取失败
          HDF_LOGE("%s: read devNum fail!", __func__);
          return;
      }
      // 获取DAC设备号
      device = DacDeviceGet(devNum);
      // 判断DAC设备号以及数据是否为空
      if (device != NULL && device->priv == node) {
          // 为空释放DAC设备号
          DacDevicePut(device);
          // 移除DAC设备号
          DacDeviceRemove(device);
          virtual = (struct VirtualDacDevice *)device;
          // 释放虚拟指针
          OsalMemFree(virtual);
          }
          return;
      }
      
      static void VirtualDacRelease(struct HdfDeviceObject *device)
      {
          // 定义设备资源子节点结构体指针
          const struct DeviceResourceNode *childNode = NULL;
          // 入参指针判空
          if (device == NULL || device->property == NULL) {
          // 入参指针为空
          HDF_LOGE("%s: device or property is NULL", __func__);
          return;
          }
          
          DEV_RES_NODE_FOR_EACH_CHILD_NODE(device->property, childNode) {
              // 通过节点移除DAC
              VirtualDacRemoveByNode(childNode);
              }
      }
      
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  4. 驱动调试:

    【可选】针对新增驱动程序,建议验证驱动基本功能,例如挂载后的测试用例是否成功等。