英创信息技术基于SPI接口的大容量通用数据采集方案
数据采集是工业控制系统中的重要环节，较高的采样率对数据处理环节提出了高的要求。当数据量不大，采样率不高时，使用cpu进行传输处理是非常简单方便的；当遇到大的数据容量，高的采样率时，如果仍然使用cpu处理数据传输，将会带来巨大的cpu负载，难以满足高速大容量数据采集的要求。通常，在数据容量比较大，采样率较高的场合，使用dma技术将数据直接传输到内存，不经过cpu管理，是比较通用的方案。
英创公司针对英创主板esm335x已有的硬件资源，在linux-4.1.6操作系统环境下，提出了一种基于spi接口的大容量通用数据采集方案，其物理连接如图1所示。这里用另一块esm335x作为主设备，模拟数采装置，实际使用可以是任何支持spi主模式的设备。使用时，连接spi主从设备的公共地后，只需要连接esm335x主板上对应spi_sclk、spi_mosi、spi_cs0n的 3个管脚，见表1。
图1 spi接口大容量通用数据采集连接图
表1 esm335x工控主板spi接口数采方案管脚说明
信号名称 cn2（管脚标号） 说明
gpio29/spi_mosi f14 spi数据信号，主设备输出，从设备输入
gpio30/spi_sclk f15 spi时钟信号，主设备输出，从设备输入
gpio31/spi_cs0n f16 spi片选信号，低有效，主设备输出，从设备输入
该方案使用spi作为传输协议，采用双buffer的dma技术，能够达到1msps（一个采样点数据位宽8-16位）。esm335x工作在spi从模式，能够接收的最高时钟为16mhz（最低不限制），即最高数据传输率为2mbytes/s。当dma缓存buffer1装满数据后，会触发dma中断，通知cpu将数据读出dma缓存，然后继续将新传输进入的数据存储在buffer2；buffer2装满数据后，也产生dma中断通知cpu取出数据，然后将新数据存储到buffer1，如此循环，如图2所示。当主机传输完成不再提供时钟信号后，esm335x（从设备）通过定时器超时读出dma缓存中剩余的数据。
图2 dma双buffer示意图
图3 使用dma技术的spi数据采集cpu负载
如图3所示，使用此方案后，cpu负载率很低，此例中不到1%。用户使用时，需要按如下步骤进行操作：
1、加载spi从模式驱动。在linux操作系统中，使用insmod spi-slave.ko命令，会创建设备节点/dev/spi-slave。
2、应用程序打开设备：
fd = open ( /dev/spi-slave, o_rdwr, s_irusr | s_iwusr );
3、设定传输参数：
//configure info transfer to driver
structspi_slave_transfer
{
unsignedintclk; //驱动根据不同clk，设定不同长度的dma buffer，满足填满一个buffer的时间不超过10ms（双buffer）
unsignedintmode; //spi mode: 0,1,2,3
unsignedintbits_per_word; //每个采样点的位数
};
structspi_slave_transfer transfer;
transfer.clk =16000000; //16m clk ---16kb every buffer
transfer.mode = 1;
transfer.bits_per_word = 16;
4、传入参数至内核，启动传输：
if(ioctl ( fd, spi_slave_start, &transfer )<0)
{
printf ( start wrong!!!!!!!!!!!!!!!!\n );
exit ( 1 );
}
此时，主板上的spi已经进入从模式，有数据传入时，将存入dma缓存，存满一个buffer就通知cpu读出数据到cpu维护的一个内存区域（256个kfifo组成链表，kfifo大小与buffer相同，使用完后会覆盖第一个kfifo）。同时，当一次传输完成后，通过定时器读出剩余在dma buffer中的数据。应用程序应及时使用read函数从cpu维护的区域读出数据，以免cpu维护太多内存。
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( ret0 )
{
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、完成传输，关闭spi。
if(ioctl ( fd, spi_slave_stop, &transfer )<0)
{
printf ( stop wrong!!!!!!!!!!!!!!!!\n );
exit ( 1 );
}
6、关闭设备文件
close ( fd );
当主设备前后两次传输的参数不一样时，从设备需要分两次调用open/close函数，按以上步骤进行操作。如有用户对这个方案感兴趣，可以联系我们，我们将提供驱动文件和完整的应用程序示例。
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图1 spi接口大容量通用数据采集连接图
表1 esm335x工控主板spi接口数采方案管脚说明
信号名称 cn2（管脚标号） 说明
gpio29/spi_mosi f14 spi数据信号，主设备输出，从设备输入
gpio30/spi_sclk f15 spi时钟信号，主设备输出，从设备输入
gpio31/spi_cs0n f16 spi片选信号，低有效，主设备输出，从设备输入
该方案使用spi作为传输协议，采用双buffer的dma技术，能够达到1msps（一个采样点数据位宽8-16位）。esm335x工作在spi从模式，能够接收的最高时钟为16mhz（最低不限制），即最高数据传输率为2mbytes/s。当dma缓存buffer1装满数据后，会触发dma中断，通知cpu将数据读出dma缓存，然后继续将新传输进入的数据存储在buffer2；buffer2装满数据后，也产生dma中断通知cpu取出数据，然后将新数据存储到buffer1，如此循环，如图2所示。当主机传输完成不再提供时钟信号后，esm335x（从设备）通过定时器超时读出dma缓存中剩余的数据。
图2 dma双buffer示意图
图3 使用dma技术的spi数据采集cpu负载
如图3所示，使用此方案后，cpu负载率很低，此例中不到1%。用户使用时，需要按如下步骤进行操作：
1、加载spi从模式驱动。在linux操作系统中，使用insmod spi-slave.ko命令，会创建设备节点/dev/spi-slave。
2、应用程序打开设备：
fd = open ( /dev/spi-slave, o_rdwr, s_irusr | s_iwusr );
3、设定传输参数：
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structspi_slave_transfer
{
unsignedintclk; //驱动根据不同clk，设定不同长度的dma buffer，满足填满一个buffer的时间不超过10ms（双buffer）
unsignedintmode; //spi mode: 0,1,2,3
unsignedintbits_per_word; //每个采样点的位数
};
structspi_slave_transfer transfer;
transfer.clk =16000000; //16m clk ---16kb every buffer
transfer.mode = 1;
transfer.bits_per_word = 16;
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{
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exit ( 1 );
}
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{
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{
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);
}
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{
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、完成传输，关闭spi。
if(ioctl ( fd, spi_slave_stop, &transfer )<0)
{
printf ( stop wrong!!!!!!!!!!!!!!!!\n );
exit ( 1 );
}
6、关闭设备文件
close ( fd );
当主设备前后两次传输的参数不一样时，从设备需要分两次调用open/close函数，按以上步骤进行操作。如有用户对这个方案感兴趣，可以联系我们，我们将提供驱动文件和完整的应用程序示例。
上半年智能手机后置双摄占比高达71%，什么原因导致双摄这么受欢迎？
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基于RA6M5开发板的低功耗电子时钟设计
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