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在英創工控主板上實現高速工控數據采集

 2018-9-10     作者:Emtronix          889次

  在工業控制領域,數據采集基本上是各類工控智能設備的基礎性功能。在很多應用領域,如電力故障錄波、電力諧波分析、工程振動沖擊監測等,其要求的平均數據采集速率可高達5MB/s(每秒5兆字節)。這樣的速率已不可能依靠普通的串行接口,如UART、SPI、CAN來實現。另一方面通過高速的接口如PCIe、USB2.0 / USB3.0來實現高速數據采集,則面臨復雜且成本高昂(硬件成本超¥200)的接口電路,因此對成本敏感的嵌入式設備就顯得不現實了。


  英創公司的主流工控主板產品,如ESM7000、ESM6802、ESM3354等,均配置有精簡ISA總線接口,該接口的主要應用之一就是面向工業控制的數據采集。基本的精簡ISA總線由8位地址數據總線(分時復用)+ 4條控制信號組成,通過異步操作的讀寫總線周期,來實現對數據采集單元的控制。精簡ISA總線的最大優點硬件接口簡單、應用程序接口簡單,特別適合在嵌入式系統中使用。但在異步模式下,精簡ISA總線的讀寫速度只能達到4MB/s – 4.2MB/s,還不能完全滿足工控領域高速數據采集的需求。


  為了滿足工控領域高速數據采集的需求,英創公司對其主要的工控主板產品進行了一次升級,為精簡ISA總線增加了同步讀寫功能,使數據讀寫速度可達到至少12MB/s,同時仍然保持接口電路的簡單化。目前支持精簡ISA總線高速同步讀寫功能的主板有:


主板型號PCB版本號簡要說明
ESM7000、ESM7100V1.2或以上版本支持ISA總線的同步讀寫功能
ESM6802V2.2或以上版本
ESM3354、ESM3352V4.2或以上版本


  在常規的異步總線周期中,每個總線周期實現一個字節的讀或寫操作;而在同步總線周期中,每個總線周期可實現4個字節的讀或寫,從而使讀寫速度大幅度提高到12MB/s。對同步讀寫操作,要求采集數據必須是按4字節倍數提供的。這對具體應用,通常都能很容易就滿足這個要求。


  支持同步讀寫模式的精簡ISA總線是在基本ISA總線上增加一條總線時鐘信號構成的,按ESMARC 評估底板(EVB)的ISA總結接口信號的排序如下:


信號及說明PIN#信號及說明
RESET_B,硬件復位12ISA_ADVn,地址鎖存控制信號
ISA_AD0,地址數據總線,LSB34ISA_AD4,地址數據總線
ISA_AD1,地址數據總線56ISA_AD5,地址數據總線
ISA_AD2,地址數據總線78ISA_AD6,地址數據總線
ISA_AD3,地址數據總線910ISA_AD7,地址數據總線,MSB
MSLn,支持多模塊掛接總線1112ISA_WEn,數據寫控制信號
GPIO9,可選作為IRQ1314ISA_RDn,數據讀控制信號
GPIO8,可選作為IRQ1516ISA_CSn,片選控制信號
GPIO25,可選作為IRQ1718VDD_5V0,+5V供電
GPIO24,作為同步時鐘ISA_BCLK1920GND,電源信號地


  上表列出了8位地址數據總線信號ISA_D0 – ISA_D7,4路總線控制信號(ISA_CSn、ISA_ADVn、ISA_RDn和ISA_WEn)均為低電平有效,對讀周期ISA_RDn將有效,對寫周期則ISA_WEn有效。基本的ISA總線周期的典型時序如下:


在英創工控主板上實現高速工控數據采集.png

異步讀總線時序


在英創工控主板上實現高速工控數據采集.png

異步寫總線時序


  對異步讀寫操作,一個完整的讀寫操作時間包括上述的總線操作周期和總線周期間隔,大約在240ns – 250ns,對應著4MB/s – 4.2MB/s的數據讀寫速度。


  英創工控主板一旦啟動ISA總線的同步讀寫模式,GPIO24管腳將自動切換為總線時鐘信號ISA_BCLK,ISA_BCLK僅在總線周期內才有輸出脈沖,時鐘頻率在25MHz – 30MHz。每個總線周期包含8個BCLK時鐘,時鐘上升沿進行相應操作:第1個BCLK上升沿鎖存地址(ISA_ADVn同時為低),之后3個BCLK延時,數據采集單元應在3個BCLK時鐘內使數據準備就緒。從第4個BCLK上升沿開始,系統將讀取當前數據,同時數據采集單元更新下一個數據至ISA數據總線上。這樣循環讀4次,總線周期結束。以下是同步讀的總線周期時序:


同步讀總線時序.png

同步讀總線時序


20181106-ESM7100-ISA-BUS-WRITE-TIMING.png

同步寫總線時序(示波器截屏)


  根據上述的總線時序,可以在FPGA或CPLD上用一個簡單的狀態機,就可譯碼出鎖存更新采集數據的脈沖信號SYNC_STROBE,其上升沿用于更新采集數據。接口電路譯碼的控制信號如下所示:


同步讀總線時序及譯碼控制信號.png

同步讀總線時序及譯碼控制信號


  在上面的時序圖中,信號SYNC_MODE和SYNC_READY由狀態機譯碼產生,SYNC_MODE用于區別讀寫模式,而SYNC_READY用于生成SYNC_STROBEn:

  SYNC_STROBEn = !SYNC_READY | ISA_BCLK;


  若BCLK為30MHz,則數據采集單元需要保證在20ns內保證數據在ISA總線上準備就緒,這是對接口電路要求最高的地方。在上述時序中,系統將使用BCLK的第4個至第8個上升沿讀取總線上的數據,數采單元將使用SYNC_STROBEn的上升沿更新數據。SYNC_STROBEn的上升沿會比對應的BCLK上升沿延時3-5ns,取決于FPGA或CPLD的門延時。一個完整總線操作過程需要300ns,對應12MB/s的數據讀取速度。進一步,還可把一個總線周期的數據讀取數從4字節提升至8字節,同時保持譯碼電路的簡潔,這樣就可輕松把數據讀取速度提升至18MB/s水平。


  為了方便客戶的應用程序,ISA總線的驅動程序把數據讀取長度為32字節的整倍數的情形視為讀取采集數據,將自動啟動同步讀總線模式。其他情況則自動返回異步模式。客戶的接口電路,可用SYNC_MODE信號來區別本總線周期的后續是同步操作還是異步操作。下表為精簡ISA總線讀寫速度:


總線操作模式數據速率
異步讀 / 異步寫4.2MB/s
同步讀(4字節)12MB/s
同步讀(8字節)18MB/s


  以上是對精簡ISA總線同步讀取模式在高速數據采集上的應用簡介,有興趣的客戶可與英創公司技術聯系,索取更詳細的設計資料。技術支持郵箱:support@emtronix.com

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