ESM7000異構CPU實時應用之一8通道并行100K 16bit AD采集
高速數據采集是對系統實時響應處理能力的考驗，以實現100kSPS采樣率的AD轉換為例，系統需要每10μs穩定可靠的響應AD中斷、讀取AD數據。常規的WinCE或Linux嵌入式操作系統均無法滿足穩定的10μs中斷響應的性能要求，因此傳統的高速數據采集方案通常使用FPGA/CPLD對AD芯片進行直接操作、控制AD轉換并對數據進行緩存，緩存一定量的數據后再向系統發出中斷請求，系統響應中斷讀取批量數據。傳統的FPGA/CPLD方案實現復雜、成本較高，本文將介紹基于ESM7000工控主板實現的高效低成本高速AD采集方案。
ESM7000是英創基于i.MX7D處理器開發的低功耗高性能工控主板，支持雙網口、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推出的異構多核處理器，配置了主頻高達1GHz的ARM Cortex-A7雙核和一顆運行速度240MHz、帶硬件浮點運算的ARM Cortex-M4內核。本方案將充分利用i.MX7D的異構CPU架構，由高性能的Cortex-A7完成人機交互、數據處理、通訊管理等復雜運算，而實時的AD數據采集則由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，無需使用外部驅動電路，能實現高性能、高精度及零延遲的AD轉換，非常適用于工業自動化應用。
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的電路連接十分簡單，ADS8588S的CONV啟動AD轉換信號由ESM7000的PWM3提供，ADS8588S的ADC_BUSY信號連接到ESM7000的GPIO25，可以作為轉換完成的中斷請求。ADS8588S的所有配置都由外部硬件完成，不需要軟件配置，因為只需要3條SPI信號線，ESM7000的SPI_MOSI則被配置為GPIO作為ADS8588S硬件復位信號。為了實現高速可靠的實時響應，上述功能接口都由ESM7000的Cortex-M4內核管理使用。
下表1列出了ADS8588S的AD轉換時間，圖2是讀取ADS8588S AD轉換結果的時序要求。
表1：ADS8588S AD轉換時間
圖2：ADS8588S讀取數據時序
ADS8588S SPI接口時鐘最高為20MHz，讀取8通道16位AD數據需要128個SPI時鐘，最短耗時6.4μs，表1中ADS8588S最快的AD轉換需要3.9μs，如果采用圖2中的Read After conversion時序，則AD轉換加上讀取轉換結果最少需要10.3μs，不能實現100kSPS的AD采集。如果在AD轉換的同時讀取上一次AD轉換的結果(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轉換時間內完成，但ADS8588S提供了一個2次平均模式，AD轉換時間在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轉換時間也能滿足100kSPS的最大采樣率的要求。
下圖是在ESM7000 Cortex-M4內核上、運行FreeRTOS操作系統實現的100kSPS AD數據采集實際波形，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時序圖
上圖在Cortex-M4程序中直接利用了ESM7000的PWM產生中斷信號，在PWM中斷服務程序中啟動SPI讀操作，因此ADC_BUSY信號線還可以省掉不用。為了提高SPI操作效率，SPI數據接收在SPI FIFO中斷中完成，讀取AD數據后直接存放在M4與A7(Linux)共享的乒乓buffer中。M4程序在采樣到指定個數的AD數據后，通過RPmsg協議通知應用程序，應用程序根據RPmsg提供的信息從共享內存中讀取AD數據。M4程序使用了FreeRTOS操作系統，主要的代碼如下：
/*！
* PWM中斷服務程序,在PWM中斷中啟動SPI讀取上一次AD轉換結果
*/
void ESM_PWM3_HANDLER(void)
{
uint8_t i;
PWM_ClearStatusFlag(ESM_PWM3, pwmStatusCompare);
/*每個數據包的第一次采樣記錄us定時器的值，用于時間同步*/
if (samplingCnt == 0)
data_packed.time_stamp = GPT_ReadCounter(ESM_GPT1);
/* 向SPI TX FIFO填數據即同時啟動SPI讀操作，讀取4個DWORD、共128bit SPI數據 */
for (i = 0; i < 4; i++)
{
ECSPI_TXDATA_REG(ESM_SPI1) = 0;
}
samplingCnt = (samplingCnt + 8) % sampling_len;
}
/*！
* SPI中斷服務程序，為了提高SPI操作效率，當SPI FIFO中接收到超過32個DWORD數時產生中斷
* 在中斷服務程序中將SPI數據讀出
*/
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數據存放在M4與A7(Linux)的共享內存中 */
*((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)
{
/* 當采樣到指定長度的AD數據后，對乒乓buffer進行切換，
并將xDataReadySemaphore信號量設置為有效 */
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 (;;)
{
/* 等待信號量，任務被無超時阻塞 */
xSemaphoreTake(xDataReadySemaphore, portMAX_DELAY);
/* 通過RPmsg多核協議將當前數據包信息上報給應用程序 */
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CPU架構，由高性能的Cortex-A7完成人機交互、數據處理、通訊管理等復雜運算，而實時的AD數據采集則由i.MX7D的Cortex-M4完成。我們基于此方案推出了ESM2001工控機，感興趣的客戶可參考這里：EMX2000系列工控機。
ADS8588S支持的最大采樣率為200kSPS，本方案經過簡單的硬件改造，不需要增加任何硬件成本，也可實現200kSPS的高速AD采集，有需要的客戶可與英創聯系。
ESM7000異常CPU架構的實時應用介紹及軟件開發說明請參考：