STM32MP157驱动开发——Linux DAC驱动

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0.前言

  上一节对 STM32MP157 内部的 ADC 设备驱动进行了开发，这一节就了解下该芯片内部的 DAC 设备。

一、DAC 简介

  DAC 是数模转换器，负责将 SOC 的数字信号转换为模拟信号。STM32MP157 的 DAC 模块(数字/模拟转换模块)是 12 位数字输入，电压输出型的 DAC。DAC 可以配置为 8 位或 12 位模式，也可以与 DMA 控制器配合使用。DAC 工作在 12 位模式时，数据可以设置成左对齐或右对齐。DAC 模块有 2 个输出通道，每个通道都有独立的转换器。在双 DAC 模式下，2 个通道可以独立地进行转换，也可以同时进行转换并同步地更新 2 个通道的输出。DAC 可以通过引脚输入参考电压 Vref+（通 ADC 共用）以获得更精确的转换结果。
其主要特点有：

① 1 个 DAC 接口，最大两个 DAC 输出通道
② 12 位模式下数据左对齐或者右对齐
③ 同步更新功能
④ 噪声波、三角波形生成
⑤ 外部触发
⑥ 双 DAC 通道同时或者分别转换
⑦ 每个通道都有 DMA 功能
⑧ 输入参考电压 VREF+

二、驱动源码分析

1.设备树下的 DAC 节点

一个 compatible 属性值为“st,stm32h7-dac-core”，对应的 DAC 驱动核心文件为 drivers/iio/dac/stm32-daccore.c。另一个 compatible 属性值“st,stm32-dac”，对应 ADC 驱动文件为 drivers/iio/dac/stm32-dac.c。与 DAV 相关的文档为 Documentation/devicetree/bindings/iio/dac/st,stm32-dac.txt。该文档中介绍了如何添加 DAC 设备节点。
DAC 首先需要一个根节点，根节点属性如下：
必要属性：

• compatible：兼容性属性，必须的，可以设置为“st,stm32h7-dac-core”
• reg：DAC 控制器寄存器信息
• clocks：时钟
• clock-names：时钟名字，必须为“pclk”
• vref-supply：此属性对应 vref 参考电压句柄
• address-cells：设置为 1
• size-cells：设置为 0

可选属性：

• pinctrl 引脚配置信息
• resets：复位句柄

STM32MP157 有两个 DAC 通道，每个 DAC 通道对应一个子节点，子节点的属性如下：

• compatible：兼容性属性，必须的，可以设置为“st,stm32-dac”
• reg：不同 ADC 控制器寄存器地址偏移信息
• io-channel-cells：设置为1

2.驱动源码分析

  STM32MP157 DAC 驱动文件也有两个：stm32-dac-core.c 和 stm32-dac.c。stm32-dac-core.c 是 DAC 核心层，主要用于 DAC 时钟、电源等初始化。stm32-adc.c 主体框架是 platform，配合 IIO 驱动框架实现 DAC 驱动。(主要关注此文件)

1）stm32_dac 结构体

struct stm32_dac {
    
    
	struct stm32_dac_common *common;
};

相比较于 ADC 的结构体，此结构体简单得多，只有一个 stm32_dac_common 成员变量，其内容如下：

struct stm32_dac_common {
    
    
	struct regmap *regmap; /* regmap */
	int vref_mv; /* 参考电压 */
	bool hfsel; /* 高速总线时钟选择 */
};

可以看出，DAC 驱动也采用了 regmap API。

2）stm32_adc_probe 函数

1 static int stm32_dac_probe(struct platform_device *pdev)
2 {
    
    
3 		struct device_node *np = pdev->dev.of_node;
4 		struct device *dev = &pdev->dev;
5 		struct iio_dev *indio_dev;
6 		struct stm32_dac *dac;
7 		int ret;
8 
9 		if (!np)
10 			return -ENODEV;
11
12 		indio_dev = devm_iio_device_alloc(&pdev->dev, sizeof(*dac));
13 		if (!indio_dev)
14 			return -ENOMEM;
15 		platform_set_drvdata(pdev, indio_dev);
16
17 		dac = iio_priv(indio_dev);
18 		dac->common = dev_get_drvdata(pdev->dev.parent);
19 		indio_dev->name = dev_name(&pdev->dev);
20 		indio_dev->dev.parent = &pdev->dev;
21 		indio_dev->dev.of_node = pdev->dev.of_node;
22 		indio_dev->info = &stm32_dac_iio_info;
23 		indio_dev->modes = INDIO_DIRECT_MODE;
24
25 		ret = stm32_dac_chan_of_init(indio_dev);
26 		if (ret < 0)
27 			return ret;
......
36 		ret = iio_device_register(indio_dev);
37 		if (ret)
38 			goto err_pm_put;
......
50 		return ret;
51 }

第 12 行，调用 devm_iio_device_alloc 函数申请 iio_dev，这里也连 stm32_dac 内存一起申请了。
第 17 行，调用 iio_priv 函数从 iio_dev 里面的到 stm32_dac 首地址。
第 19~23 行，初始化 iio_dev，重点是第 22 行的 stm32_dac_iio_info，因为用户空间读取或设置 DAC 数据最终就是由 stm32_dac_iio_info 来完成的。
第 25 行，调用 stm32_dac_chan_of_init 函数设置 DAC 通道。
第 36 行，调用 iio_device_register 函数向内核注册 iio_dev。

核心步骤就是初始化 ADC，然后建立 ADC 的 IIO 驱动框架。

3）stm32_dac_iio_info 结构体

1 static const struct iio_info stm32_dac_iio_info = {
    
    
2 		.read_raw = stm32_dac_read_raw,
3 		.write_raw = stm32_dac_write_raw,
4 		.debugfs_reg_access = stm32_dac_debugfs_reg_access,
5 };

第 2 行，stm32_dac_read_raw 函数用于读取 DAC 信息，读取 DAC 原始数据值、分辨率等。
第 3 行，stm32_dac_write_raw 函数用于设置 DAC 值。

stm32_dac_read_raw 和 stm32_dac_write_raw 函数内容如下：

1 static int stm32_dac_read_raw(struct iio_dev *indio_dev,
2 								struct iio_chan_spec const *chan,
3 								int *val, int *val2, long mask)
4 {
    
    
5 		struct stm32_dac *dac = iio_priv(indio_dev);
6 
7 		switch (mask) {
    
    
8 			case IIO_CHAN_INFO_RAW:
9 				return stm32_dac_get_value(dac, chan->channel, val);
10 			case IIO_CHAN_INFO_SCALE:
11 				*val = dac->common->vref_mv;
12 				*val2 = chan->scan_type.realbits;
13 				return IIO_VAL_FRACTIONAL_LOG2;
14 			default:
15 				return -EINVAL;
16 		}
17 }
18
19 static int stm32_dac_write_raw(struct iio_dev *indio_dev,
20 								  struct iio_chan_spec const *chan,
21 								  int val, int val2, long mask)
22 {
    
    
23 		struct stm32_dac *dac = iio_priv(indio_dev);
24
25 		switch (mask) {
    
    
26 			case IIO_CHAN_INFO_RAW:
27 				return stm32_dac_set_value(dac, chan->channel, val);
28 			default:
29 				return -EINVAL;
30 		}
31 }

第 1~17 行，stm32_dac_read_raw 函数，读取 DAC 的原始值以及分辨率，非常简单。
第 19~31 行，stm32_dac_write_raw 函数，向 DAC 写入原始值，也就是设置 DAC。

可以看出，相较于 ADC 的驱动，DAC 的驱动实现也简单一些。

三、驱动开发

原理图：

JP2 是一个 3P 的排针，用来设置 ADC 连接可调电位器还是DAC。本节使用 DAC 功能，因此使用跳线帽将 JP2 的 1,2 引脚连接起来。

正点原子 STM32MP157 开发板使用了 DAC 通道 1，引脚为 PA4。
在开发过程中，可以编写应用程序设置 DAC，然后再使用 ADC 采集回去。

1.修改设备树

DAC 驱动已经由 ST 编写好，只需要修改设备树即可。在 stm32mp15-pinctrl.dtsi 文件中添加 DAC 使用的 PA4 引脚配置信息(原文件中已存在该节点)：

dac_ch1_pins_a: dac-ch1 {
    
    
	pins {
    
    
		pinmux = <STM32_PINMUX('A', 4, ANALOG)>;
	};
};

然后在 stm32mp157d-atk.dts 文件中向根节点添加 v3v3 子节点信息(可以与上节 ADC 中的 vdd 共用)：

v3v3: regulator-3p3v {
    
    
	compatible = "regulator-fixed";
	regulator-name = "v3v3";
	regulator-min-microvolt = <3300000>;
	regulator-max-microvolt = <3300000>;
	regulator-always-on;
	regulator-boot-on;
};

最后在 stm32mp157d-atk.dts 文件中向 adc 节点追加一些内容：

&dac {
    
    
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&dac_ch1_pins_a>;
	vref-supply = <&vdd>;
	status = "okay";
	dac1: dac@1 {
    
    
		status = "okay";
	};
};

①配置 dac 引脚
②设置电压属性(如果与上节的vdd共用，需要修改名称)
③dac1 子节点，设置很简单，直接将 status 属性设置为“okay”即可

2.使能DAC驱动

同样的，使能 Linux 内核中的 ST32MP157 DAC 驱动，在 menuconfig 中选中以下选项：

然后就可以编译出新的内核镜像与设备树文件，启动开发板。

四、 运行测试

启动开发板后，在 /sys/bus/iio/devices 目录下就会存在与 DAC 对应的 iio 设备：

• out_voltage1_powerdown：DAC 输出使能文件，写 0 打开 DAC，写 1 关闭 DAC，默认为 1，也就是关闭 DAC
• out_voltage1_raw：DAC1 通道 1 原始值文件
• out_voltage1_scale：DAC1 比例文件(分辨率)，单位为 mV。实际输出电压值(mV)=out_voltage1_raw * out_voltage1_scale

ADC1 默认 12 位，因此可设置范围为 0~4095。
先在终端中向 out_voltage1_raw 写入 2000：

echo 0 > /sys/bus/iio/devices/iio:device1/out_voltage1_powerdown #开启 DAC
echo 2000 > /sys/bus/iio/devices/iio:device1/out_voltage1_raw #设置 DAC

此时 DAC 的理论输出电压为 2000*0.805664062≈1611.328mV。使用上一节的 ADC 测试程序，读取该引脚的电压值：

可以看出，采样到的结果基本一致。

接下来编译一个简单的 DAC 测试 APP，APP 等待用户输入 DAC 原始值，当用户输入以后就调用 ADC 来采集 DAC 输出的电压值，最后将 DAC 理论值与 ADC 采集到的实际值打印出来，看一下是否正确。
dac_app.c：

#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "sys/ioctl.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#include <poll.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <signal.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>

/* 字符串转数字，将浮点小数字符串转换为浮点数数值 */
#define SENSOR_FLOAT_DATA_GET(ret, index, str, member)\
	ret = file_data_read(file_path[index], str);\
	dev->member = atof(str);\
	
/* 字符串转数字，将整数字符串转换为整数数值 */
#define SENSOR_INT_DATA_GET(ret, index, str, member)\
	ret = file_data_read(file_path[index], str);\
	dev->member = atoi(str);\

/* iio框架对应的文件路径 */
static char *file_path[] = {
    
    
	"/sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_voltage_scale",
	"/sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_voltage19_raw",
	"/sys/bus/iio/devices/iio:device1/out_voltage1_scale",
	"/sys/bus/iio/devices/iio:device1/out_voltage1_raw",
};

/* 文件路径索引，要和file_path里面的文件顺序对应 */
enum path_index {
    
    
	IN_VOLTAGE_SCALE = 0,
	IN_VOLTAGE_RAW,
	OUT_VOLTAGE1_SCALE,
	OUT_VOLTAGE1_RAW,
};

/*
 * dac数据设备结构体
 */
struct dac_dev{
    
    
	int dac_raw, adc_raw;
	float dac_scale, adc_scale;
	float dac_act, adc_act;
};

struct dac_dev stm32dac;

 /*
 * @description			: 读取指定文件内容
 * @param - filename 	: 要读取的文件路径
 * @param - str 		: 读取到的文件字符串
 * @return 				: 0 成功;其他 失败
 */
static int file_data_read(char *filename, char *str)
{
    
    
	int ret = 0;
	FILE *data_stream;

    data_stream = fopen(filename, "r"); /* 只读打开 */
    if(data_stream == NULL) {
    
    
		printf("can't open file %s\r\n", filename);
		return -1;
	}

	ret = fscanf(data_stream, "%s", str);
    if(!ret) {
    
    
        printf("file read error!\r\n");
    } else if(ret == EOF) {
    
    
        /* 读到文件末尾的话将文件指针重新调整到文件头 */
        fseek(data_stream, 0, SEEK_SET);  
    }
	fclose(data_stream);	/* 关闭文件 */	
	return 0;
}

 /*
 * @description	: 获取ADC、DAC数据
 * @param - dev : 设备结构体
 * @return 		: 0 成功;其他 失败
 */
static int dac_add_dac_read(struct dac_dev *dev)
{
    
    
	int ret = 0;
	char str[50];

	/* 1、获取ADC值 */
	SENSOR_FLOAT_DATA_GET(ret, IN_VOLTAGE_SCALE, str, adc_scale);
	SENSOR_INT_DATA_GET(ret, IN_VOLTAGE_RAW, str, adc_raw);

	/* 转换ADC采集到的实际电压值mV */
	dev->adc_act = (dev->adc_scale * dev->adc_raw)/1000.f;

	/* 2、获取DAC值 */
	SENSOR_FLOAT_DATA_GET(ret, OUT_VOLTAGE1_SCALE, str, dac_scale);
	SENSOR_INT_DATA_GET(ret, OUT_VOLTAGE1_RAW, str, dac_raw);

	/* 转换DAC理论电压值mV */
	dev->dac_act = (dev->dac_scale * dev->dac_raw)/1000.f;
	return ret;
}

 /*
 * @description	: 使能DAC
 * @return 		: 无
 */
void dac_enable(void)
{
    
    
	system("echo 0 > /sys/bus/iio/devices/iio:device1/out_voltage1_powerdown");
}

/*
 * @description	: 禁止DAC
 * @return 		: 无
 */
void dac_disable(void)
{
    
    
	system("echo 1 > /sys/bus/iio/devices/iio:device1/out_voltage1_powerdown");
}

/*
 * @description			: 设置DAC
 * @param - filename	: 要写的文件路径
 * @param - value 		: DAC原始值
 * @return 				: 无
 */
int dac_set(char *filename, int value)
{
    
    
	int ret = 0;
	FILE *data_stream;
	char str[10];

	/* 1、将整形变量转换为字符串 */
	sprintf(str, "%d", value);

	/* 2、打开文件流 */
    data_stream = fopen(filename, "w"); /* 只写打开 */
    if(data_stream == NULL) {
    
    
		printf("can't open file %s\r\n", filename);
		return -1;
	}

	/* 3、将文件指针重新调整到文件头 */
	fseek(data_stream, 0, SEEK_SET);  

	/* 4、向文件流写入数据 */
	ret = fwrite(str, sizeof(str), 1, data_stream);
    if(!ret) {
    
    
        printf("file read error!\r\n");
    } 

	/* 5、关闭文件 */
	fclose(data_stream);		
	return 0;
}

/*
 * @description		: main主程序
 * @param - argc 	: argv数组元素个数
 * @param - argv 	: 具体参数
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
int main(int argc, char *argv[])
{
    
    
	int ret = 0;
	unsigned int cmd;
	unsigned char str[100];

	if (argc != 1) {
    
    
		printf("Error Usage!\r\n");
		return -1;
	}

	dac_enable();	/* 是能DAC */
	while (1) {
    
    
		printf("请输入DAC原始值(0~4095):");
		ret = scanf("%d", &cmd);
		if (ret != 1) {
    
    				/* 参数输入错误 */
			fgets(str, sizeof(str), stdin);				/* 防止卡死 */
		} else {
    
    					/* 参数输入正确 */
			if((cmd < 0) || (cmd > 4095)) {
    
    
				printf("输入错误，请正确输入DAC值，范围:0~4095!\r\n");
				continue;
			}
			dac_set(file_path[OUT_VOLTAGE1_RAW], cmd);
			ret = dac_add_dac_read(&stm32dac);
			if(ret == 0) {
    
     			/* 数据读取成功 */
				printf("DAC原始值：%d，理论电压值：%.3fV\r\n", stm32dac.dac_raw, stm32dac.dac_act);
				printf("ADC原始值：%d，实际电压值：%.3fV\r\n", stm32dac.adc_raw, stm32dac.adc_act);
				printf("\r\n");
			}
		}
	}
	return 0;
}

此测试程序是从上一节的 adc_app.c 的基础上修改得到，主要添加了设置 DAC 以及
读取 DAC 数据的内容。
①file_path 为需要操作的文件路径，有 DAC 和 ADC 对应的原始值、分辨率文件
②dac_dev 为 DAC 设备结构体
③dac_add_adc_read 函数读取 ADC 和 DAC 的原始值以及分辨率，并且计算出对应的实际电压值
④dac_enable 函数使能 DAC 输出，本质是向 out_voltage1_powerdown 文件写 0
⑤dac_disable 函数关闭 DAC 输出，本质是向 out_voltage1_powerdown 文件写 1
⑥dac_set 函数用于设置 DAC 原始值。dac_set 的 value 参数就是要设置的 DAC 原始值，这是个整形参数。但是 out_voltage1_raw 文件需要输入字符串，因此先使用 sprintf 函数将整形的 value 值转换为对应的字符串，然后才能调用 fwrite 函数将其写入到 out_voltage1_raw 文件中。

使用以下命令编译测试App：

arm-none-linux-gnueabihf-gcc -march=armv7-a -mfpu=neon -mfloat-abi=hard dacApp.c -o dacApp

参数的功能主要是使能浮点运算。
测试：