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( 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。