學(xué)機(jī)械的去學(xué)嵌入式_英創(chuàng)信息技術(shù)在英創(chuàng)工控主板上實(shí)現(xiàn)高速工控?cái)?shù)據(jù)采集

小嵌

學(xué)機(jī)械的去學(xué)嵌入式_英創(chuàng)信息技術(shù)在英創(chuàng)工控主板上實(shí)現(xiàn)高速工控?cái)?shù)據(jù)采集,   

　　在工業(yè)控制領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集基本上是各類工控智能設(shè)備的基礎(chǔ)性功能。在很多應(yīng)用領(lǐng)域，如電力故障錄波、電力諧波分析、工程振動(dòng)沖擊監(jiān)測(cè)等，其要求的平均數(shù)據(jù)采集速率可高達(dá)5MB/s（每秒5兆字節(jié)）。這樣的速率已不可能依靠普通的串行接口，如UART、SPI、CAN來實(shí)現(xiàn)。另一方面通過高速的接口如PCIe、USB2.0 / USB3.0來實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集，則面臨復(fù)雜且成本高昂（硬件成本超￥200）的接口電路，因此對(duì)成本敏感的嵌入式設(shè)備就顯得不現(xiàn)實(shí)了。

　　英創(chuàng)公司的主流工控主板產(chǎn)品，如ESM7000、ESM6802、ESM3354等，均配置有精簡(jiǎn)ISA總線接口，該接口的主要應(yīng)用之一就是面向工業(yè)控制的數(shù)據(jù)采集�；�本的精簡(jiǎn)ISA總線由8位地址數(shù)據(jù)總線（分時(shí)復(fù)用）+ 4條控制信號(hào)組成，通過異步操作的讀寫總線周期，來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集單元的控制。精簡(jiǎn)ISA總線的最大優(yōu)點(diǎn)硬件接口簡(jiǎn)單、應(yīng)用程序接口簡(jiǎn)單，特別適合在嵌入式系統(tǒng)中使用。但在異步模式下，精簡(jiǎn)ISA總線的讀寫速度只能達(dá)到4MB/s – 4.2MB/s，還不能完全滿足工控領(lǐng)域高速數(shù)據(jù)采集的需求。

　　為了滿足工控領(lǐng)域高速數(shù)據(jù)采集的需求，英創(chuàng)公司對(duì)其主要的工控主板產(chǎn)品進(jìn)行了一次升級(jí)，為精簡(jiǎn)ISA總線增加了同步讀寫功能，使數(shù)據(jù)讀寫速度可達(dá)到至少12MB/s，同時(shí)仍然保持接口電路的簡(jiǎn)單化。目前支持精簡(jiǎn)ISA總線高速同步讀寫功能的主板有：

主板型號(hào)	PCB版本號(hào)	簡(jiǎn)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(guī)的異步總線周期中，每個(gè)總線周期實(shí)現(xiàn)一個(gè)字節(jié)的讀或?qū)懖僮�；而在同步總線周期中，每個(gè)總線周期可實(shí)現(xiàn)4個(gè)字節(jié)的讀或?qū)�，從而使讀寫速度大幅度提高到12MB/s。對(duì)同步讀寫操作，要求采集數(shù)據(jù)必須是按4字節(jié)倍數(shù)提供的。這對(duì)具體應(yīng)用，通常都能很容易就滿足這個(gè)要求。

　　支持同步讀寫模式的精簡(jiǎn)ISA總線是在基本ISA總線上增加一條總線時(shí)鐘信號(hào)構(gòu)成的，按ESMARC 評(píng)估底板（EVB）的ISA總結(jié)接口信號(hào)的排序如下：

信號(hào)及說明	PIN#	信號(hào)及說明
RESET_B，硬件復(fù)位	1	2	ISA_ADVn，地址鎖存控制信號(hào)
ISA_AD0，地址數(shù)據(jù)總線，LSB	3	4	ISA_AD4，地址數(shù)據(jù)總線
ISA_AD1，地址數(shù)據(jù)總線	5	6	ISA_AD5，地址數(shù)據(jù)總線
ISA_AD2，地址數(shù)據(jù)總線	7	8	ISA_AD6，地址數(shù)據(jù)總線
ISA_AD3，地址數(shù)據(jù)總線	9	10	ISA_AD7，地址數(shù)據(jù)總線，MSB
MSLn，支持多模塊掛接總線	11	12	ISA_WEn，數(shù)據(jù)寫控制信號(hào)
GPIO9，可選作為IRQ	13	14	ISA_RDn，數(shù)據(jù)讀控制信號(hào)
GPIO8，可選作為IRQ	15	16	ISA_CSn，片選控制信號(hào)
GPIO25，可選作為IRQ	17	18	VDD_5V0，+5V供電
GPIO24，作為同步時(shí)鐘ISA_BCLK	19	20	GND，電源信號(hào)地

　　上表列出了8位地址數(shù)據(jù)總線信號(hào)ISA_D0 – ISA_D7，4路總線控制信號(hào)（ISA_CSn、ISA_ADVn、ISA_RDn和ISA_WEn）均為低電平有效，對(duì)讀周期ISA_RDn將有效，對(duì)寫周期則ISA_WEn有效。基本的ISA總線周期的典型時(shí)序如下：

  

異步讀總線時(shí)序

  

異步寫總線時(shí)序

　　對(duì)異步讀寫操作，一個(gè)完整的讀寫操作時(shí)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(duì)應(yīng)著4MB/s – 4.2MB/s的數(shù)據(jù)讀寫速度。

　　英創(chuàng)工控主板一旦啟動(dòng)ISA總線的同步讀寫模式，GPIO24管腳將自動(dòng)切換為總線時(shí)鐘信號(hào)ISA_BCLK，ISA_BCLK僅在總線周期內(nèi)才有輸出脈沖，時(shí)鐘頻率在25MHz – 30MHz。每個(gè)總線周期包含8個(gè)BCLK時(shí)鐘，時(shí)鐘上升沿進(jìn)行相應(yīng)操作：第1個(gè)BCLK上升沿鎖存地址（ISA_ADVn同時(shí)為低），之后3個(gè)BCLK延時(shí)，數(shù)據(jù)采集單元應(yīng)在3個(gè)BCLK時(shí)鐘內(nèi)使數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。從第4個(gè)BCLK上升沿開始，系統(tǒng)將讀取當(dāng)前數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)據(jù)采集單元更新下一個(gè)數(shù)據(jù)至ISA數(shù)據(jù)總線上。這樣循環(huán)讀4次，總線周期結(jié)束。以下是同步讀的總線周期時(shí)序：

  

同步讀總線時(shí)序

  

同步寫總線時(shí)序（示波器截屏）

　　根據(jù)上述的總線時(shí)序，可以在FPGA或CPLD上用一個(gè)簡(jiǎn)單的狀態(tài)機(jī)，就可譯碼出鎖存更新采集數(shù)據(jù)的脈沖信號(hào)SYNC_STROBE，其上升沿用于更新采集數(shù)據(jù)。接口電路譯碼的控制信號(hào)如下所示：

  

同步讀總線時(shí)序及譯碼控制信號(hào)

　　在上面的時(shí)序圖中，信號(hào)SYNC_MODE和SYNC_READY由狀態(tài)機(jī)譯碼產(chǎn)生，SYNC_MODE用于區(qū)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(shù)據(jù)采集單元需要保證在20ns內(nèi)保證數(shù)據(jù)在ISA總線上準(zhǔn)備就緒，這是對(duì)接口電路要求最高的地方。在上述時(shí)序中，系統(tǒng)將使用BCLK的第4個(gè)至第8個(gè)上升沿讀取總線上的數(shù)據(jù)，數(shù)采單元將使用SYNC_STROBEn的上升沿更新數(shù)據(jù)。SYNC_STROBEn的上升沿會(huì)比對(duì)應(yīng)的BCLK上升沿延時(shí)3-5ns，取決于FPGA或CPLD的門延時(shí)。一個(gè)完整總線操作過程需要300ns，對(duì)應(yīng)12MB/s的數(shù)據(jù)讀取速度。進(jìn)一步，還可把一個(gè)總線周期的數(shù)據(jù)讀取數(shù)從4字節(jié)提升至8字節(jié)，同時(shí)保持譯碼電路的簡(jiǎn)潔，這樣就可輕松把數(shù)據(jù)讀取速度提升至18MB/s水平。

　　為了方便客戶的應(yīng)用程序，ISA總線的驅(qū)動(dòng)程序把數(shù)據(jù)讀取長(zhǎng)度為32字節(jié)的整倍數(shù)的情形視為讀取采集數(shù)據(jù)，將自動(dòng)啟動(dòng)同步讀總線模式。其他情況則自動(dòng)返回異步模式�？蛻舻慕涌陔娐�，可用SYNC_MODE信號(hào)來區(qū)別本總線周期的后續(xù)是同步操作還是異步操作。下表為精簡(jiǎn)ISA總線讀寫速度：

總線操作模式	數(shù)據(jù)速率
異步讀 / 異步寫	4.2MB/s
同步讀（4字節(jié)）	12MB/s
同步讀（8字節(jié)）	18MB/s

　　以上是對(duì)精簡(jiǎn)ISA總線同步讀取模式在高速數(shù)據(jù)采集上的應(yīng)用簡(jiǎn)介，有興趣的客戶可與英創(chuàng)公司技術(shù)聯(lián)系，索取更詳細(xì)的設(shè)計(jì)資料。技術(shù)支持郵箱：support@emtronix.com。