數(shù)據(jù)采集是工業(yè)控制系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，較高的采樣率對(duì)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)提出了高的要求。當(dāng)數(shù)據(jù)量不大，采樣率不高時(shí)，使用CPU進(jìn)行傳輸處理是非常簡(jiǎn)單方便的；當(dāng)遇到大的數(shù)據(jù)容量，高的采樣率時(shí)，如果仍然使用CPU處理數(shù)據(jù)傳輸，將會(huì)帶來(lái)巨大的CPU負(fù)載，難以滿足高速大容量數(shù)據(jù)采集的要求。通常，在數(shù)據(jù)容量比較大，采樣率較高的場(chǎng)合，使用DMA技術(shù)將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)絻?nèi)存，不經(jīng)過(guò)CPU管理，是比較通用的方案。

英創(chuàng)公司針對(duì)英創(chuàng)主板ESM335x已有的硬件資源，在linux-4.1.6操作系統(tǒng)環(huán)境下，提出了一種基于SPI接口的大容量通用數(shù)據(jù)采集方案，其物理連接如圖1所示。這里用另一塊ESM335x作為主設(shè)備，模擬數(shù)采裝置，實(shí)際使用可以是任何支持SPI主模式的設(shè)備。使用時(shí)，連接SPI主從設(shè)備的公共地后，只需要連接ESM335x主板上對(duì)應(yīng)SPI_SCLK、SPI_MOSI、SPI_CS0N的 3個(gè)管腳，見(jiàn)表1。

圖1 SPI接口大容量通用數(shù)據(jù)采集連接圖

表1 ESM335x工控主板SPI接口數(shù)采方案管腳說(shuō)明

該方案使用SPI作為傳輸協(xié)議，采用雙buffer的DMA技術(shù)，能夠達(dá)到1Msps（一個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)位寬8-16位）。ESM335x工作在SPI從模式，能夠接收的最高時(shí)鐘為16MHz（最低不限制），即最高數(shù)據(jù)傳輸率為2MBytes/s。當(dāng)DMA緩存buffer1裝滿數(shù)據(jù)后，會(huì)觸發(fā)DMA中斷，通知CPU將數(shù)據(jù)讀出DMA緩存，然后繼續(xù)將新傳輸進(jìn)入的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在buffer2；buffer2裝滿數(shù)據(jù)后，也產(chǎn)生DMA中斷通知CPU取出數(shù)據(jù)，然后將新數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到buffer1，如此循環(huán)，如圖2所示。當(dāng)主機(jī)傳輸完成不再提供時(shí)鐘信號(hào)后，ESM335x（從設(shè)備）通過(guò)定時(shí)器超時(shí)讀出DMA緩存中剩余的數(shù)據(jù)。

圖2 DMA雙buffer示意圖

圖3 使用DMA技術(shù)的SPI數(shù)據(jù)采集CPU負(fù)載

如圖3所示，使用此方案后，CPU負(fù)載率很低，此例中不到1%。用戶使用時(shí)，需要按如下步驟進(jìn)行操作：

1、加載SPI從模式驅(qū)動(dòng)。在linux操作系統(tǒng)中，使用insmod spi-slave.ko命令，會(huì)創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)/dev/spi-slave。

2、應(yīng)用程序打開(kāi)設(shè)備：

fd = open ( "/dev/spi-slave", O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR );

3、設(shè)定傳輸參數(shù)：

//configure info transfer to driver

structspi_slave_transfer

{

unsignedintclk; //驅(qū)動(dòng)根據(jù)不同clk，設(shè)定不同長(zhǎng)度的dma buffer，滿足填滿一個(gè)buffer的時(shí)間不超過(guò)10ms（雙buffer）

unsignedintmode; //SPI mode: 0,1,2,3

unsignedintbits_per_word; //每個(gè)采樣點(diǎn)的位數(shù)

};

structspi_slave_transfer transfer;

transfer.clk =16000000; //16M clk ---16KB every buffer

transfer.mode = 1;

transfer.bits_per_word = 16;

4、傳入?yún)?shù)至內(nèi)核，啟動(dòng)傳輸：

if(ioctl ( fd, SPI_SLAVE_START, &transfer )<0)

{

printf ( "START WRONG!!!!!!!!!!!!!!!!\n" );

exit ( 1 );

}

此時(shí)，主板上的SPI已經(jīng)進(jìn)入從模式，有數(shù)據(jù)傳入時(shí)，將存入DMA緩存，存滿一個(gè)buffer就通知CPU讀出數(shù)據(jù)到CPU維護(hù)的一個(gè)內(nèi)存區(qū)域（256個(gè)kfifo組成鏈表，kfifo大小與buffer相同，使用完后會(huì)覆蓋第一個(gè)kfifo）。同時(shí)，當(dāng)一次傳輸完成后，通過(guò)定時(shí)器讀出剩余在DMA buffer中的數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序應(yīng)及時(shí)使用read函數(shù)從CPU維護(hù)的區(qū)域讀出數(shù)據(jù)，以免CPU維護(hù)太多內(nèi)存。

count_in_byte = 0;

read_count = 0;

while(1)

{

FD_ZERO(&fdRead);

FD_SET(fd,&fdRead);

aTime.tv_sec = 2;

aTime.tv_usec = 0;

ret = select ( fd+1, &fdRead, NULL, NULL, &aTime );

if( ret<0 )

printf( "select, something wrong!\n " );

if( ret>0 )

{

if( FD_ISSET(fd, &fdRead) )

{

memset(read_buf,0,4096*4);

read_count = read(fd, read_buf, 4096*4);

if( read_count<0 )

{

printf ( "READ WRONG!!!!!!!!!!!!!!!!\n" );

exit ( 1 );

}

if(read_count){ //0 --- end-of-file not printf

count_in_byte += read_count;

printf("\nread_count = %d\ncount_in_byte = %d\n", read_count, count_in_byte);

}

//process data, here just print to console

if(read_count < 20){

for( i=0; i

{

printf ( "%02x ", read_buf[i] );

if(i%10 == 9)

printf ( "\n" );

}

printf("\n");

}

}

}

printf ( "remaining time %u.%u!\n",aTime.tv_sec, aTime.tv_usec );

}

5、完成傳輸，關(guān)閉SPI。

if(ioctl ( fd, SPI_SLAVE_STOP, &transfer )<0)

{

printf ( "STOP WRONG!!!!!!!!!!!!!!!!\n" );

exit ( 1 );

}

6、關(guān)閉設(shè)備文件

close ( fd );

當(dāng)主設(shè)備前后兩次傳輸?shù)膮?shù)不一樣時(shí)，從設(shè)備需要分兩次調(diào)用open/close函數(shù)，按以上步驟進(jìn)行操作。如有用戶對(duì)這個(gè)方案感興趣，可以聯(lián)系我們，我們將提供驅(qū)動(dòng)文件和完整的應(yīng)用程序示例。