摘要 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沒備一般有鼠標、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。獾綾嗦肫韉哪誆康緶啡繽?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。
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：
①A為上升沿，B=0時，旋鈕右旋；
②B為上升沿，A=l時，旋鈕右旋；
③A為下降沿，B=1時，旋鈕右旋；
④B為下降沿，A=O時，旋鈕右旋；
⑤B為上升沿，A=0時，旋鈕左旋；
⑥A為上升沿，B=1時，旋鈕左旋；
⑦B為下降沿，A=l時，旋鈕左旋；
⑧A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WaitForSing|eObject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。
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S3C24lO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3．3V后再分別接到CPU的EINT0和EINT1上；將Pl直接接到3．3V，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。
工作狀態下，將EINTO、EINTl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EINTl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oalint.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()、OEM-InterruptDone()等函數中加入相關代碼。
④返同中斷標識，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)。TSR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EINTl的電平狀態并保存在變量PreEINTl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EINTO電平是否與PreEINTl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。
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。WindowsCE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OpticalEnccder.def。下面是此文件的內容：
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：
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。
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