harmony 鸿蒙ADC

  • 2022-08-09
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ADC

概述

功能简介

ADC（Analog to Digital Converter），即模拟-数字转换器，可将模拟信号转换成对应的数字信号，便于存储与计算等操作。除电源线和地线之外，ADC只需要1根线与被测量的设备进行连接，其物理连线如图1所示：

图 1 ADC物理连线示意图
ADC物理连线示意图

基本概念

  • 分辨率

    分辨率指的是ADC模块能够转换的二进制位数，位数越多分辨率越高。

  • 转换误差

    转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出。它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。

  • 转换时间

    转换时间是指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。

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。ADC模块即采用统一服务模式（如图2所示）。

ADC模块各分层的作用为：

  • 接口层：提供打开设备，写入数据，关闭设备的能力。

  • 核心层：主要负责服务绑定、初始化以及释放管理器，并提供添加、删除以及获取控制器的能力。

  • 适配层：由驱动适配者实现与硬件相关的具体功能，如控制器的初始化等。

在统一模式下，所有的控制器都被核心层统一管理，并由核心层统一发布一个服务供接口层，因此这种模式下驱动无需再为每个控制器发布服务。

图 2 ADC统一服务模式结构图
ADC统一服务模式结构图

使用指导

场景介绍

ADC设备通常用于将模拟电压转换为数字量，例如与NTC电阻搭配进行温度测量，或者将其他模拟传感器的输出量转换为数字量的场景。当驱动开发者需要将ADC设备适配到OpenHarmony时，需要进行ADC驱动适配，下文将介绍如何进行ADC驱动适配。

接口说明

为了保证上层在调用ADC接口时能够正确的操作硬件，核心层在//drivers/hdf_core/framework/support/platform/include/adc/adc_core.h中定义了以下钩子函数。驱动适配者需要在适配层实现这些函数的具体功能，并与这些钩子函数挂接，从而完成接口层与核心层的交互。

AdcMethod和AdcLockMethod定义：

struct AdcMethod {
    int32_t (*read)(struct AdcDevice *device, uint32_t channel, uint32_t *val);
    int32_t (*start)(struct AdcDevice *device);
    int32_t (*stop)(struct AdcDevice *device);
};

struct AdcLockMethod {
    int32_t (*lock)(struct AdcDevice *device);
    void (*unlock)(struct AdcDevice *device);
};

在适配层中，AdcMethod必须被实现，AdcLockMethod可根据实际情况考虑是否实现。核心层提供了默认的AdcLockMethod，其中使用Spinlock作为保护临界区的锁：

static int32_t AdcDeviceLockDefault(struct AdcDevice *device)
{
    if (device == NULL) {
        return HDF_ERR_INVALID_OBJECT;
    }
    return OsalSpinLock(&device->spin);
}

static void AdcDeviceUnlockDefault(struct AdcDevice *device)
{
    if (device == NULL) {
        return;
    }
    (void)OsalSpinUnlock(&device->spin);
}

static const struct AdcLockMethod g_adcLockOpsDefault = {
    .lock = AdcDeviceLockDefault,
    .unlock = AdcDeviceUnlockDefault,
};

若实际情况不允许使用Spinlock，驱动适配者可以考虑使用其他类型的锁来实现一个自定义的AdcLockMethod。一旦实现了自定义的AdcLockMethod，默认的AdcLockMethod将被覆盖。

表 1 AdcMethod结构体成员的钩子函数功能说明

函数成员 入参 出参 返回值 功能
read device：结构体指针，核心层ADC控制器
channel：uint32_t类型，传入的通道号		 val：uint32_t类型指针，要传出的信号数据 HDF_STATUS相关状态 读取ADC采样的信号数据
stop device：结构体指针，核心层ADC控制器 无 HDF_STATUS相关状态 关闭ADC设备
start device：结构体指针，核心层ADC控制器 无 HDF_STATUS相关状态 开启ADC设备

表 2 AdcLockMethod结构体成员函数功能说明

函数成员 入参 出参 返回值 功能
lock device：结构体指针，核心层ADC设备对象。 无 HDF_STATUS相关状态 获取临界区锁
unlock device：结构体指针，核心层ADC设备对象。 无 HDF_STATUS相关状态 释放临界区锁

开发步骤

ADC模块适配包含以下四个步骤：

  1. 实例化驱动入口

    • 实例化HdfDriverEntry结构体成员。

    • 调用HDF_INIT将HdfDriverEntry实例化对象注册到HDF框架中。

  2. 配置属性文件

    • 在device_info.hcs文件中添加deviceNode描述。

    • 【可选】添加adc_config.hcs器件属性文件。

  3. 实例化核心层接口函数

    • 初始化AdcDevice成员。

    • 实例化AdcDevice成员AdcMethod。

      icon-note.gif 说明：
      实例化AdcDevice成员AdcMethod，其定义和成员说明见接口说明。

  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。

开发实例

下方将基于Hi3516DV300开发板以//device/soc/hisilicon/common/platform/adc/adc_hi35xx.c驱动为示例，展示需要驱动适配者提供哪些内容来完整实现设备功能。

  1. 实例化驱动入口

    驱动入口必须为HdfDriverEntry（在//drivers/hdf_core/interfaces/inner_api/host/shared/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框架会将所有加载的驱动的HdfDriverEntry对象首地址汇总，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Bind函数，再调用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。

    ADC驱动入口参考：

    ADC控制器会出现多个设备挂接的情况，因而在HDF框架中首先会为此类型的设备创建一个管理器对象。这样，需要打开某个设备时，管理器对象会根据指定参数查找到指定设备。

    ADC管理器的驱动由核心层实现，驱动适配者不需要关注这部分内容的实现，但在实现Init函数的时候需要调用核心层的AdcDeviceAdd函数，它会实现相应功能。

    static struct HdfDriverEntry g_hi35xxAdcDriverEntry = {
    .moduleVersion = 1,
    .Init = Hi35xxAdcInit,
    .Release = Hi35xxAdcRelease,
    .moduleName = "hi35xx_adc_driver",        // 【必要且与device_info.hcs文件内的模块名匹配】
};
HDF_INIT(g_hi35xxAdcDriverEntry);             // 调用HDF_INIT将驱动入口注册到HDF框架中


// 核心层adc_core.c管理器服务的驱动入口
struct HdfDriverEntry g_adcManagerEntry = {
    .moduleVersion = 1,
    .Bind = AdcManagerBind,                   // ADC不需要实现Bind，本例是一个空实现，驱动适配者可根据自身需要添加相关操作
    .Init = AdcManagerInit,                   // 见Init参考
    .Release = AdcManagerRelease,             // 见Release参考
    .moduleName = "HDF_PLATFORM_ADC_MANAGER", // 这与device_info.hcs文件中device0对应
};
HDF_INIT(g_adcManagerEntry);                  // 调用HDF_INIT将驱动入口注册到HDF框架中

  2. 配置属性文件

    完成驱动入口注册之后，下一步请在//vendor/hisilicon/hispark_taurus/hdf_config/device_info/device_info.hcs文件中添加deviceNode信息，并在adc_config.hcs中配置器件属性。

    deviceNode信息与驱动入口注册相关，器件属性值对于驱动适配者的驱动实现以及核心层AdcDevice相关成员的默认值或限制范围有密切关系。

    统一服务模式的特点是device_info.hcs文件中第一个设备节点必须为ADC管理器，其各项参数如表3所示：

    表 3 device_info.hcs节点参数说明

|成员名|值| |——–|——–| |policy|驱动服务发布的策略，ADC管理器具体配置为2，表示驱动对内核态和用户态都发布服务| |priority|驱动启动优先级（0-200），值越大优先级越低。ADC管理器具体配置为50| |permission|驱动创建设备节点权限，ADC管理器具体配置为0664| |moduleName|驱动名称，ADC管理器固定为HDF_PLATFORM_ADC_MANAGER| |serviceName|驱动对外发布服务的名称，ADC管理器服务名设置为HDF_PLATFORM_ADC_MANAGER| |deviceMatchAttr|驱动私有数据匹配的关键字，ADC管理器没有使用，可忽略|

从第二个节点开始配置具体ADC控制器信息，第一个节点并不表示某一路ADC控制器，而是代表一个资源性质设备，用于描述一类ADC控制器的信息。本例只有一个ADC设备，如有多个设备，则需要在device_info.hcs文件增加deviceNode信息，以及在adc_config.hcs文件中增加对应的器件属性。

- device_info.hcs配置参考

    ```c
    root {
        device_info {
            platform :: host {
                device_adc :: device {
                    device0 :: deviceNode {
                        policy = 2;
                        priority = 50;
                        permission = 0644;
                        moduleName = "HDF_PLATFORM_ADC_MANAGER";
                        serviceName = "HDF_PLATFORM_ADC_MANAGER";
                    }
                    device1 :: deviceNode {
                        policy = 0;                               // 等于0，不需要发布服务。
                        priority = 55;                            // 驱动启动优先级。
                        permission = 0644;                        // 驱动创建设备节点权限。
                        moduleName = "hi35xx_adc_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 = "HI35XX_ADC_DRIVER";        //【必要】驱动对外发布服务的名称，必须唯一。
                        deviceMatchAttr = "hisilicon_hi35xx_adc"; //【必要】用于配置控制器私有数据，要与adc_config.hcs中对应控制器保持一致，具体的控制器信息在adc_config.hcs中。
                    }
                }
            }
        }
    }
    ```

- adc_config.hcs配置参考

    此处以Hi3516DV300为例，给出HCS配置参考。其中部分字段为Hi3516DV300特有功能，驱动适配者可根据需要进行删除或添加字段。

    ```c
    root {
        platform {
            adc_config_hi35xx {
                match_attr = "hisilicon_hi35xx_adc";
                template adc_device {
                    regBasePhy = 0x120e0000; // 寄存器物理基地址
                    regSize = 0x34;          // 寄存器位宽
                    deviceNum = 0;           // 设备号
                    validChannel = 0x1;      // 有效通道
                    dataWidth = 10;          // AD转换后的数据位宽，即分辨率
                    scanMode = 1;            // 扫描模式
                    delta = 0;               // 转换结果误差范围
                    deglitch = 0;            // 滤毛刺开关
                    glitchSample = 5000;     // 滤毛刺时间窗口
                    rate = 20000;            // 转换速率
                }
                device_0 :: adc_device {
                    deviceNum = 0;
                    validChannel = 0x2;
                }
            }
        }
    }
    ```

    需要注意的是，新增adc_config.hcs配置文件后，必须在hdf.hcs文件中将其包含，否则配置文件无法生效。

    例如：本例中adc_config.hcs所在路径为//device/soc/hisilicon/hi3516dv300/sdk_liteos/hdf_config/adc/adc_config.hcs，则必须在产品对应的hdf.hcs中添加如下语句：

    ```c
    #include "../../../../device/soc/hisilicon/hi3516dv300/sdk_liteos/hdf_config/adc/adc_config.hcs" // 配置文件相对路径
    ```

    本例基于Hi3516DV300开发板的小型系统LiteOS内核运行，对应的hdf.hcs文件路径为vendor/hisilicon/hispark_taurus/hdf_config/hdf.hcs以及//device/hisilicon/hispark_taurus/sdk_liteos/hdf_config/hdf.hcs。驱动适配者需根据实际情况选择对应路径下的文件进行修改。

  1. 实例化核心层函数

    完成驱动入口注册之后，下一步就是以核心层AdcDevice对象的初始化为核心，包括初始化驱动适配者自定义结构体（传递参数和数据），实例化AdcDevice成员AdcMethod（让用户可以通过接口来调用驱动底层函数），实现HdfDriverEntry成员函数（Bind，Init，Release）。

    • 自定义结构体参考。

      从驱动的角度看，自定义结构体是参数和数据的载体，而且adc_config.hcs文件中的数值会被HDF读入并通过DeviceResourceIface来初始化结构体成员，其中一些重要数值（例如设备号、总线号等）也会传递给核心层AdcDevice对象。

      struct Hi35xxAdcDevice {
    struct AdcDevice device;         // 【必要】是核心层控制对象，必须作为自定义结构体的首个成员，其具体描述见下方。
    volatile unsigned char *regBase; // 【必要】寄存器基地址
    volatile unsigned char *pinCtrlBase;
    uint32_t regBasePhy;             // 【必要】寄存器物理基地址
    uint32_t regSize;                // 【必要】寄存器位宽
    uint32_t deviceNum;              // 【必要】设备号
    uint32_t dataWidth;              // 【必要】信号接收的数据位宽
    uint32_t validChannel;           // 【必要】有效通道
    uint32_t scanMode;               // 【必要】扫描模式
    uint32_t delta;
    uint32_t deglitch;
    uint32_t glitchSample;
    uint32_t rate;                   // 【必要】采样率
};


// AdcDevice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 AdcDevice {
    const struct AdcMethod *ops;
    OsalSpinlock spin;
    uint32_t devNum;
    uint32_t chanNum;
    const struct AdcLockMethod *lockOps;
    void *priv;
};

    • AdcDevice成员钩子函数结构体AdcMethod的实例化。

      AdcLockMethod钩子函数结构体本例未实现，若要实例化，可参考I2C驱动开发。

      static const struct AdcMethod g_method = {
    .read = Hi35xxAdcRead,
    .stop = Hi35xxAdcStop,
    .start = Hi35xxAdcStart,
};

    • Init函数开发参考

      入参：

      HdfDeviceObject是整个驱动对外提供的接口参数，具备HCS配置文件的信息。

      返回值：

      HDF_STATUS相关状态（表4为部分展示，如需使用其他状态，可参考//drivers/hdf_core/interfaces/inner_api/utils/hdf_base.h中HDF_STATUS定义）。

      表 4 HDF_STATUS相关状态说明

    |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AdcDevice成员，并调用核心层AdcDeviceAdd函数。


```c
static int32_t Hi35xxAdcInit(struct HdfDeviceObject *device)
{
    int32_t ret;
    struct DeviceResourceNode *childNode = NULL;
    ......
    // 遍历、解析adc_config.hcs中的所有配置节点，并分别调用Hi35xxAdcParseInit函数来初始化device。
    DEV_RES_NODE_FOR_EACH_CHILD_NODE(device->property, childNode) {
        ret = Hi35xxAdcParseInit(device, childNode); // 函数定义见下方
        ......
    }
    HDF_LOGI("%s: adc init success.", __func__);
    return ret;
}


static int32_t Hi35xxAdcParseInit(struct HdfDeviceObject *device, struct DeviceResourceNode *node)
{
    int32_t ret;
    struct Hi35xxAdcDevice *hi35xx = NULL;     //【必要】自定义结构体对象


    (void)device;
    hi35xx = (struct Hi35xxAdcDevice *)OsalMemCalloc(sizeof(*hi35xx));  //【必要】内存分配
    ......
    ret = Hi35xxAdcReadDrs(hi35xx, node);      //【必要】将adc_config文件的默认值填充到结构体中，函数定义见下方
    ......
    hi35xx->regBase = OsalIoRemap(hi35xx->regBasePhy, hi35xx->regSize); //【必要】地址映射
    ......
    hi35xx->pinCtrlBase = OsalIoRemap(HI35XX_ADC_IO_CONFIG_BASE, HI35XX_ADC_IO_CONFIG_SIZE);
    ......
    Hi35xxAdcDeviceInit(hi35xx);               // 【必要】ADC设备的初始化
    hi35xx->device.priv = (void *)node;        // 【必要】存储设备属性
    hi35xx->device.devNum = hi35xx->deviceNum; // 【必要】初始化AdcDevice成员
    hi35xx->device.ops = &g_method;            // 【必要】AdcMethod的实例化对象的挂载
    ret = AdcDeviceAdd(&hi35xx->device);       // 【必要且重要】调用此函数填充核心层结构体，返回成功信号后驱动才完全接入平台核心层。
    ......
    return HDF_SUCCESS;


__ERR__:
    if (hi35xx != NULL) {                      // 若不成功，需要执行去初始化相关函数。
        if (hi35xx->regBase != NULL) {
            OsalIoUnmap((void *)hi35xx->regBase);
            hi35xx->regBase = NULL;
        }
        AdcDeviceRemove(&hi35xx->device);
        OsalMemFree(hi35xx);
    }
    return ret;
}


static int32_t Hi35xxAdcReadDrs(struct Hi35xxAdcDevice *hi35xx, const struct DeviceResourceNode *node)
{
    int32_t ret;
    struct DeviceResourceIface *drsOps = NULL;


    // 获取drsOps方法
    drsOps = DeviceResourceGetIfaceInstance(HDF_CONFIG_SOURCE);
    if (drsOps == NULL||drsOps->GetUint32 == NULL) {
        HDF_LOGE("%s: invalid drs ops", __func__);
        return HDF_ERR_NOT_SUPPORT;
    }
    // 将配置参数依次读出，并填充至结构体中
    ret = drsOps->GetUint32(node, "regBasePhy", &hi35xx->regBasePhy, 0);
    if (ret != HDF_SUCCESS) {
        HDF_LOGE("%s: read regBasePhy failed", __func__);
        return ret;
    }
    ret = drsOps->GetUint32(node, "regSize", &hi35xx->regSize, 0);
    if (ret != HDF_SUCCESS) {
        HDF_LOGE("%s: read regSize failed", __func__);
        return ret;
    }
    ......
    return HDF_SUCCESS;
}
```

    • Release函数开发参考

      入参：

      HdfDeviceObject是整个驱动对外提供的接口参数，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。

      static void Hi35xxAdcRelease(struct HdfDeviceObject *device)
{
    const struct DeviceResourceNode *childNode = NULL;
    ......
    // 遍历、解析adc_config.hcs中的所有配置节点，并分别进行Release操作。
    DEV_RES_NODE_FOR_EACH_CHILD_NODE(device->property, childNode) {
        Hi35xxAdcRemoveByNode(childNode);// 函数定义见下
    }
}


static void Hi35xxAdcRemoveByNode(const struct DeviceResourceNode *node)
{
    int32_t ret;
    int32_t deviceNum;
    struct AdcDevice *device = NULL;
    struct Hi35xxAdcDevice *hi35xx = NULL;
    struct DeviceResourceIface *drsOps = NULL;


    drsOps = DeviceResourceGetIfaceInstance(HDF_CONFIG_SOURCE);
    ......
    ret = drsOps->GetUint32(node, "deviceNum", (uint32_t *)&deviceNum, 0);
    ......
    // 可以调用AdcDeviceGet函数通过设备的deviceNum获取AdcDevice对象，以及调用AdcDeviceRemove函数来释放AdcDevice对象的内容。
    device = AdcDeviceGet(deviceNum);
    if (device != NULL && device->priv == node) {
        AdcDevicePut(device);   
        AdcDeviceRemove(device);                   //【必要】主要是从管理器驱动那边移除AdcDevice对象。
        hi35xx = (struct Hi35xxAdcDevice *)device; //【必要】通过强制转换获取自定义的对象并进行Release操作。这一步的前提是device必须作为自定义结构体的首个成员。
        OsalIoUnmap((void *)hi35xx->regBase);
        OsalMemFree(hi35xx);
    }
    return;
}

  2. 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。

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