在英創工控主板上實現高速工控數據采集
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、ESM7100 | V1.2或以上版本 | 支持ISA總線的同步讀寫功能 |
| ESM6802 | V2.2或以上版本 | |
| ESM3354、ESM3352 | V4.2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 | 1 | 2 | ISA_ADVn，地址鎖存控制信號 |
| ISA_AD0，地址數據總線，LSB | 3 | 4 | ISA_AD4，地址數據總線 |
| ISA_AD1，地址數據總線 | 5 | 6 | ISA_AD5，地址數據總線 |
| ISA_AD2，地址數據總線 | 7 | 8 | ISA_AD6，地址數據總線 |
| ISA_AD3，地址數據總線 | 9 | 10 | ISA_AD7，地址數據總線，MSB |
| MSLn，支持多模塊掛接總線 | 11 | 12 | ISA_WEn，數據寫控制信號 |
| GPIO9，可選作為IRQ | 13 | 14 | ISA_RDn，數據讀控制信號 |
| GPIO8，可選作為IRQ | 15 | 16 | ISA_CSn，片選控制信號 |
| GPIO25，可選作為IRQ | 17 | 18 | VDD_5V0，+5V供電 |
| GPIO24，作為同步時鐘ISA_BCLK | 19 | 20 | GND，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：
異步讀總線時序
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
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
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。