高速數(shù)據(jù)采集是對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)處理能力的考驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)100kSPS采樣率的AD轉(zhuǎn)換為例，系統(tǒng)需要每10μs穩(wěn)定可靠的響應(yīng)AD中斷、讀取AD數(shù)據(jù)。常規(guī)的WinCE或Linux嵌入式操作系統(tǒng)均無法滿足穩(wěn)定的10μs中斷響應(yīng)的性能要求，因此傳統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)采集方案通常使用FPGA/CPLD對(duì)AD芯片進(jìn)行直接操作、控制AD轉(zhuǎn)換并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，緩存一定量的數(shù)據(jù)后再向系統(tǒng)發(fā)出中斷請(qǐng)求，系統(tǒng)響應(yīng)中斷讀取批量數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的FPGA/CPLD方案實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、成本較高，本文將介紹基于ESM7000工控主板實(shí)現(xiàn)的高效低成本高速AD采集方案。

　　ESM7000是英創(chuàng)基于i.MX7D處理器開發(fā)的低功耗高性能工控主板，支持雙網(wǎng)口、6串口、雙CAN總線接口、PCIe、ISA總線等豐富的通訊接口，支持18-bit并行RGB或LVDS顯示接口。主CPU i.MX7D是NXP推出的異構(gòu)多核處理器，配置了主頻高達(dá)1GHz的ARM Cortex-A7雙核和一顆運(yùn)行速度240MHz、帶硬件浮點(diǎn)運(yùn)算的ARM Cortex-M4內(nèi)核。本方案將充分利用i.MX7D的異構(gòu)CPU架構(gòu)，由高性能的Cortex-A7完成人機(jī)交互、數(shù)據(jù)處理、通訊管理等復(fù)雜運(yùn)算，而實(shí)時(shí)的AD數(shù)據(jù)采集則由i.MX7D的Cortex-M4完成。

　　AD芯片選擇了TI的ADS8588S，ADS8588S是單電源供電的、具有雙極性輸入的16位、高速8通道同步AD采樣芯片，ADS8588S集成了模擬前端，允許直接連接傳感器，無需使用外部驅(qū)動(dòng)電路，能實(shí)現(xiàn)高性能、高精度及零延遲的AD轉(zhuǎn)換，非常適用于工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用。

　　下圖是ESM7000連接ADS8588S的原理框圖：

圖1：ESM7000連接ADS8588S原理框圖

　　ESM7000與ADS8588S的電路連接十分簡(jiǎn)單，ADS8588S的CONV啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換信號(hào)由ESM7000的PWM3提供，ADS8588S的ADC_BUSY信號(hào)連接到ESM7000的GPIO25，可以作為轉(zhuǎn)換完成的中斷請(qǐng)求。ADS8588S的所有配置都由外部硬件完成，不需要軟件配置，因?yàn)橹恍枰?條SPI信號(hào)線，ESM7000的SPI_MOSI則被配置為GPIO作為ADS8588S硬件復(fù)位信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)高速可靠的實(shí)時(shí)響應(yīng)，上述功能接口都由ESM7000的Cortex-M4內(nèi)核管理使用。

　　下表1列出了ADS8588S的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間，圖2是讀取ADS8588S AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的時(shí)序要求。

表1：ADS8588S AD轉(zhuǎn)換時(shí)間

圖2：ADS8588S讀取數(shù)據(jù)時(shí)序

　　ADS8588S SPI接口時(shí)鐘最高為20MHz，讀取8通道16位AD數(shù)據(jù)需要128個(gè)SPI時(shí)鐘，最短耗時(shí)6.4μs，表1中ADS8588S最快的AD轉(zhuǎn)換需要3.9μs，如果采用圖2中的Read After conversion時(shí)序，則AD轉(zhuǎn)換加上讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果最少需要10.3μs，不能實(shí)現(xiàn)100kSPS的AD采集。如果在AD轉(zhuǎn)換的同時(shí)讀取上一次AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果(Read During Conversion)，則要求SPI讀操作必須在ADS8588S BUSY過程中完成，如圖2所示。ADS8588S SPI讀操作最快需要6.4μs，顯然無法在3.9μs的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)完成，但ADS8588S提供了一個(gè)2次平均模式，AD轉(zhuǎn)換時(shí)間在8.4μs~8.8μs之間(見表1: Oversampling by 2)，在此期間剛好可完成6.4μs的SPI讀操作，而8.8μs的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間也能滿足100kSPS的最大采樣率的要求。

　　下圖是在ESM7000 Cortex-M4內(nèi)核上、運(yùn)行FreeRTOS操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的100kSPS AD數(shù)據(jù)采集實(shí)際波形，示波器通道1至通道4依次為：PWM3、ADC_BUSY、SPI_CS_B、SPI_SCLK。

圖3：ESM7000操作ADS8288S時(shí)序圖

　　上圖在Cortex-M4程序中直接利用了ESM7000的PWM產(chǎn)生中斷信號(hào)，在PWM中斷服務(wù)程序中啟動(dòng)SPI讀操作，因此ADC_BUSY信號(hào)線還可以省掉不用。為了提高SPI操作效率，SPI數(shù)據(jù)接收在SPI FIFO中斷中完成，讀取AD數(shù)據(jù)后直接存放在M4與A7(Linux)共享的乒乓buffer中。M4程序在采樣到指定個(gè)數(shù)的AD數(shù)據(jù)后，通過RPmsg協(xié)議通知應(yīng)用程序，應(yīng)用程序根據(jù)RPmsg提供的信息從共享內(nèi)存中讀取AD數(shù)據(jù)。M4程序使用了FreeRTOS操作系統(tǒng)，主要的代碼如下：

/*！
* PWM中斷服務(wù)程序,在PWM中斷中啟動(dòng)SPI讀取上一次AD轉(zhuǎn)換結(jié)果
*/
void ESM_PWM3_HANDLER(void) 
{
    uint8_t i;
    PWM_ClearStatusFlag(ESM_PWM3, pwmStatusCompare);
    /*每個(gè)數(shù)據(jù)包的第一次采樣記錄us定時(shí)器的值，用于時(shí)間同步*/
    if (samplingCnt == 0)
        data_packed.time_stamp = GPT_ReadCounter(ESM_GPT1);
/* 向SPI TX FIFO填數(shù)據(jù)即同時(shí)啟動(dòng)SPI讀操作，讀取4個(gè)DWORD、共128bit SPI數(shù)據(jù) */
    for (i = 0; i < 4; i++)
    {
        ECSPI_TXDATA_REG(ESM_SPI1) = 0;
    }
    samplingCnt = (samplingCnt + 8) % sampling_len;
}
/*！
* SPI中斷服務(wù)程序，為了提高SPI操作效率，當(dāng)SPI FIFO中接收到超過32個(gè)DWORD數(shù)時(shí)產(chǎn)生中斷
* 在中斷服務(wù)程序中將SPI數(shù)據(jù)讀出
*/
void ESM_SPI1_HANDLER(void)
{
    uint32_t tmp;
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    /* Disable all SPI interrupt */
    ECSPI_INTREG_REG(ESM_SPI1) = 0;
    while (ECSPI_STATREG_REG(ESM_SPI1) & ECSPI_STATREG_RR_MASK)
    {
        tmp = ECSPI_RXDATA_REG(ESM_SPI1);
        /* 將AD數(shù)據(jù)存放在M4與A7(Linux)的共享內(nèi)存中 */
        *((uint16_t *)mem_addr + shared_buf_idx++) = (uint16_t)(tmp >> 16);
        *((uint16_t *)mem_addr + shared_buf_idx++) = (uint16_t)tmp;
        if (shared_buf_idx >= sampling_len)
        {
            /* 當(dāng)采樣到指定長(zhǎng)度的AD數(shù)據(jù)后，對(duì)乒乓buffer進(jìn)行切換，
            并將xDataReadySemaphore信號(hào)量設(shè)置為有效 */
            shared_buf_idx = 0;
            if (mem_addr == SHARED_MEMORY_BASE + SHARED_MEMORY_BLOCK0)
            {
                data_packed.flags = 0;
                mem_addr = SHARED_MEMORY_BASE + SHARED_MEMORY_BLOCK1;
            }
            else
            {
                data_packed.flags = 1;
                mem_addr = SHARED_MEMORY_BASE + SHARED_MEMORY_BLOCK0;
            }
            /* Unlock the task to process the event. */
            xSemaphoreGiveFromISR(xDataReadySemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken);
            /* Perform a context switch to wake the higher priority task. */
            portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
        }
    }
    ECSPI_ClearStatusFlag(ESM_SPI1, ecspiFlagRxfifoDataRequest);
    ECSPI_SetIntCmd(ESM_SPI1, ecspiFlagRxfifoDataRequest, true);
}
static void DataReadyTask(void *pvParameters)
{
    int result;
    for (;;)
    {
        /* 等待信號(hào)量，任務(wù)被無超時(shí)阻塞 */
        xSemaphoreTake(xDataReadySemaphore, portMAX_DELAY);
        /* 通過RPmsg多核協(xié)議將當(dāng)前數(shù)據(jù)包信息上報(bào)給應(yīng)用程序 */
        result = RPMSG_Send(&data_packed, sizeof(data_packed));
        assert(result == 0);
    }
}

　　ESM7000高速AD采集方案充分利用了i.MX7D的異構(gòu)CPU架構(gòu)，由高性能的Cortex-A7完成人機(jī)交互、數(shù)據(jù)處理、通訊管理等復(fù)雜運(yùn)算，而實(shí)時(shí)的AD數(shù)據(jù)采集則由i.MX7D的Cortex-M4完成。我們基于此方案推出了ESM2001工控機(jī)，感興趣的客戶可參考這里：EMX2000系列工控機(jī)。

　　ADS8588S支持的最大采樣率為200kSPS，本方案經(jīng)過簡(jiǎn)單的硬件改造，不需要增加任何硬件成本，也可實(shí)現(xiàn)200kSPS的高速AD采集，有需要的客戶可與英創(chuàng)聯(lián)系。

　　ESM7000異常CPU架構(gòu)的實(shí)時(shí)應(yīng)用介紹及軟件開發(fā)說明請(qǐng)參考：

　　ESM7000異構(gòu)CPU架構(gòu)的實(shí)時(shí)應(yīng)用

　　ESM7000 Cortex-M4技術(shù)開發(fā)參考手冊(cè)