WinCE下光電編碼器的驅動程序設計

光電編碼器以其體積小、輸入靈活等特點作為輸入設備，廣泛應用于各種嵌入式儀器中。本文討論光電編碼器的原理及使用方法；以三星公司ARM9芯片S3C2410為CPU的嵌入式系統開發板為平臺，詳細闡述嵌入式操作系統WinCE下光電編碼器驅動程序的設計方法。實驗證明，該方法正確可行，程序運行穩定可靠。

關鍵詞 嵌入式系統 WinCE 光電編碼器 S3C2410

引言

　　近年來，嵌入式技術發展迅速，嵌入式系統在各行各業得到了廣泛的應用。然而，由于嵌入式計算機的專用性，系統的硬件、軟件結構千差萬別，其輸入設備也不再像通用計算機那樣單一。嵌入式計算機的輸入設備一般有鼠標、鍵盤、觸摸屏、按鈕、旋鈕等，而光電編碼器（俗稱“單鍵飛梭”）作為一種輸入設備，由于其具有輸入靈活，簡單可靠等特點，因此特別適合應用在嵌入式儀器和手持式設備上，整個系統可以只用一個鍵作為輸入。觸摸屏由于其方便靈活、節省空間、界面直觀等特點也備受青睞，但存在壽命短，長時間使用容易產生誤差等缺點。如果用光電編碼器輔助觸摸屏作為輸入設備，必將大大增強系統的可靠性，使得人機接口更加人性化。但由于光電編碼器并不是WinCE的標準輸入設備，因此其驅動程序在嵌入式操作系統Windows CE Platform Builder中并未給出。本文以三星公司S3C2410（ARM9芯片）為CPU的嵌入式系統開發板為平臺，詳細闡述了嵌入式操作系統WinCE下光電編碼器驅動程序的設計方法，以供同行參考。

1? 光電編碼器的工作原理

　　光電編碼器（Optical Encoder）俗稱“單鍵飛梭”，其外觀好像一個電位器，因其外部有一個可以左右旋轉同時又可按下的旋鈕，很多設備（如顯示器、示波器等）用它作為人機交互接口。下面以美國Greyhill公司生產的光電編碼器為例，介紹其工作原理及使用方法。光電編碼器的內部電路如圖1所示，其內部有1個發光二極管和2個光敏三極管。當左右旋轉旋鈕時，中間的遮光板會隨旋鈕一起轉動，光敏三極管就會被遮光板有次序地遮擋，A、B相就會輸出圖2所示的波形；當按下旋鈕時，2、3兩腳接通，其用法同一般按鍵。

圖1? 光電編碼器的內部電路

圖2? 光電編碼器的輸出波形

　　當順時針旋轉時，光電編碼器的A相相位會比B相超前半個周期；反之，A相會比B相滯后半個周期。通過檢測A、B兩相的相位就可以判斷旋鈕是順時針還是逆時針旋轉，通過記錄A或B相變化的次數，就可以得出旋鈕旋轉的次數，通過檢測2、3腳是否接通就可以判斷旋鈕是否按下。其具體的鑒相規則如下：

　?、? A為上升沿，B＝0時，旋鈕右旋；
　?、? B為上升沿，A＝1時，旋鈕右旋；
　　③? A為下降沿，B＝1時，旋鈕右旋；
　?、? B為下降沿，A＝0時，旋鈕右旋；
　　⑤? B為上升沿，A＝0時，旋鈕左旋；
　?、? A為上升沿，B＝1時，旋鈕左旋；
　?、? B為下降沿，A＝1時，旋鈕左旋；
　?、? A為下降沿，B＝0時，旋鈕左旋。

　　通過上述方法，可以很簡單地判斷旋鈕的旋轉方向。在判斷時添加適當的延時程序，以消除抖動干擾。

2? WinCE提供的驅動模型

　　WinCE操作系統支持兩種類型的驅動程序。一種為本地驅動程序，是把設備驅動程序作為獨立的任務實現的，直接在頂層任務中實現硬件操作，因此都有明確和專一的目的。本地設備驅動程序適合于那些集成到Windows CE平臺的設備，諸如鍵盤、觸摸屏、音頻等設備。另一種是具有定制接口的流接口驅動程序。它是一般類型的設備驅動程序。流接口驅動程序的形式為用戶一級的動態鏈接庫（DLL）文件，用來實現一組固定的函數稱為“流接口函數”，這些流接口函數使得應用程序可以通過文件系統訪問這些驅動程序。本文討論的光電編碼器就屬于流接口設備。

2.1? 流設備驅動加載過程

　　WinCE.NET系統運行時會啟動負責流驅動的加載進程DEVICE.exe。DEVICE.exe進程對驅動的加載是通過裝載注冊表列舉器（RegEnum.dll）實現的。在WinCE.NET中，所有設備的資源信息都由OAL負責記錄在系統注冊表中，RegEnum.dll一個一個掃描注冊表項HEKY_LOCAL_MACHINE\Driver\BuiltIn下的子鍵，發現新設備就根據每個表項的內容進行硬件設備初始化。

2.2? 中斷與中斷處理

　　如果一個驅動程序要處理一個中斷，那么驅動程序需要首先使用CreateEvent函數建立一個事件，調用InterruptInitialize函數將該事件與中斷標識綁定。然后驅動程序中的IST就可以使用WaitForSingleObject函數來等待中斷的發生。在一個硬件中斷發生之后，操作系統進入異常處理程序，異常處理程序調用OAL的OEMInterruptHandler函數，該函數檢測硬件并將中斷標識返回給系統；系統得到該中斷標識便會找到該中斷標識對應的事件，并喚醒等待相應事件的線程(IST)，然后IST進行中斷處理。處理完成之后，IST需要調用InterruptDone函數來告訴操作系統中斷處理結束，操作系統再次調用OAL中的OEMInterruptDone函數，最后完成中斷的處理。圖3為WinCE.NET中斷處理的流程框圖。

圖3? WinCE.NET中斷處理流程框圖

3? 光電編碼器驅動程序的設計

3.1? 光電編碼器與S3C2410的硬件接口

　　光電編碼器與S3C2410的接口電路如圖4所示。光電編碼器的A、B相為集電極開路輸出，由于S3C2410的I/O口電平為3.3 V，所以將其通過電阻上拉到3.3 V后再分別接到CPU的EINT0和EINT1上；將P1直接接到3.3 V，P2通過電阻下拉到GND。當旋鈕按下時，P2口輸出為高電平，否則輸出為低電平。

圖4? 光電編碼器與S3C2410的接口電路

　　工作狀態下，將EINT0、EINT1配置成上升沿和下降沿均觸發的外部中斷，將EINT2配置成上升沿觸發的中斷，旋鈕按下時EINT2引腳產生上升沿觸發中斷。

3.2? 外部中斷初始化及中斷服務程序的編寫

　　首先必須完成CPU的I/O口和中斷的初始化工作，然后再編寫中斷處理程序。具體分為4個步驟：

①? 初始化I/O口。在Port_Init()函數中，將EINT0和EINT1初始化為上升沿和下降沿均觸發的中斷，將EINT2初始化為上升沿觸發的中斷。

②? 添加中斷號。在oalintr.h下添加光電編碼器中斷向量的宏定義。代碼為
　　#define SYSINTR_OED(SYSINTR_FIRMWARE+20)

③? 添加中斷的初始化、禁止、復位等函數,分別在OEMInterruptEnable()、OEMInterruptDisable()、OEMInterruptDone()等函數中加入相關代碼。

④? 返回中斷標識,由OEMInterruptHandler()函數返回中斷標識（SYSINTR_OED）。

3.3? 編寫流接口驅動程序

　　Windows CE.net把中斷處理分成兩個部分：中斷服務程序（ISR）和中斷服務線程（IST）。ISR通常要求越短、越快越好，它的唯一任務就是返回中斷標識。正由于ISR很小，只能做少量的處理，因此中斷處理器就調用IST執行大多數的中斷處理。中斷服務線程（IST）在從WaitForSingleObject()函數得到中斷已經發生的信號前一直保持空閑；當接收到中斷信號后，它就在本機設備驅動程序的PDD層調用子程序，這些程序反過來訪問硬件以獲得硬件的狀態。IST使用InterruptInitialize()函數來注冊自己，然后使用WaitForSingleObject()函數等待中斷信號。如果這時中斷信號到來，則應將光電編碼器的狀態記錄下來，保存在變量OED_Status中。OED_Status＝1表示旋鈕按下，OED_Status＝2表示旋鈕逆時針旋轉，OED_Status＝3表示旋鈕順時針旋轉。

　　這里還有一種比較簡單的鑒相規則，具體步驟是，當創建線程時讀出EINT1的電平狀態并保存在變量PreEINT1中，每次中斷到來時首先判斷EINT2是否為高電平。如果為高電平，則說明按鈕按下；如果EINT2為低電平，則判斷EINT0電平是否與PreEINT1相同。如果相同，則說明旋鈕逆時針旋轉；反之，旋鈕順時針旋轉，判斷的流程如圖5所示。

圖5? 光電編碼器鑒相流程框圖

　　Windows CE流接口驅動程序模型要求驅動程序開發者編寫10個接口函數，針對光電編碼器的驅動主要應完成設備初始化和數據讀取2個函數的編寫。Windows CE設備文件名前綴由3個大寫字母組成，操作系統使用這3個字母來識別與流接口驅動程序相對應的設備。這里定義設備文件名前綴為“OED”（Optical Encoder），其中設備初始化函數OED_Init()在Windows CE裝載驅動程序時用于創建中斷事件和中斷服務線程。在函數OED_Read()中將光電編碼器的狀態（OED_Status）返回。

3.4? 封裝驅動程序并加入到WinCE中

　　根據上述方法編譯出動態鏈接庫（DLL）還不夠，因為它的接口函數還沒有導出，還需要告訴鏈接程序輸出什么樣的函數，因此必須建立一個后綴名為def的文件。在本設計中為OpticalEncoder.def。下面是此文件的內容：

　　LIBRARY OpticalEncoder
　　EXPORTS
　　OED_Close
　　OED_Deinit
　　OED_Init
　　OED_IOControl
　　OED_Open
　　OED_PowerDown
　　OED_PowerUp
　　OED_Read
　　OED_Seek
　　OED_Write

　　一個具體的流接口驅動程序和注冊表是密不可分的。向WinCE內核添加注冊表項的方法有兩種：一種是直接修改Platform Builder下的reg文件；另一種是自己編寫一個注冊表文件，通過添加組件的方法將動態鏈接庫文件添加到內核中。這里用第2種方法，將OpticalEncoder.dll添加到內核中。編寫的注冊表文件內容如下：

　　[HKEY_LOCAL_MACHINE\Drivers\Built In\STRINGS]
　　"Index"=dword :1
　　"Prefix"="OED"
　　"Dll"="OpticalEncoder.dll"
　　"Order"=dword :0

　　最后編寫一個CEC文件，完成對定制內核注冊表部分的修改并將OpticalEncoder.dll添加到系統內核中去,然后在Platform Builder中就可以直接添加已經編寫好的驅動程序了。

結語

　　本文主要介紹了光電旋轉編碼器的原理及應用方法，并詳細介紹了WinCE驅動程序的結構，成功地開發出了光電編碼器在嵌入式操作系統WinCE下的驅動程序。實驗證明，該方法正確可行，程序運行穩定可靠。