數據采集是工業控制系統中的重要環節，較高的采樣率對數據處理環節提出了高的要求。當數據量不大，采樣率不高時，使用CPU進行傳輸處理是非常簡單方便的；當遇到大的數據容量，高的采樣率時，如果仍然使用CPU處理數據傳輸，將會帶來巨大的CPU負載，難以滿足高速大容量數據采集的要求。通常，在數據容量比較大，采樣率較高的場合，使用DMA技術將數據直接傳輸到內存，不經過CPU管理，是比較通用的方案。

英創公司針對英創主板ESM335x已有的硬件資源，在linux-4.1.6操作系統環境下，提出了一種基于SPI接口的大容量通用數據采集方案，其物理連接如圖1所示。這里用另一塊ESM335x作為主設備，模擬數采裝置，實際使用可以是任何支持SPI主模式的設備。使用時，連接SPI主從設備的公共地后，只需要連接ESM335x主板上對應SPI_SCLK、SPI_MOSI、SPI_CS0N的 3個管腳，見表1。

圖1 SPI接口大容量通用數據采集連接圖

表1 ESM335x工控主板SPI接口數采方案管腳說明

該方案使用SPI作為傳輸協議，采用雙buffer的DMA技術，能夠達到1Msps（一個采樣點數據位寬8-16位）。ESM335x工作在SPI從模式，能夠接收的最高時鐘為16MHz（最低不限制），即最高數據傳輸率為2MBytes/s。當DMA緩存buffer1裝滿數據后，會觸發DMA中斷，通知CPU將數據讀出DMA緩存，然后繼續將新傳輸進入的數據存儲在buffer2；buffer2裝滿數據后，也產生DMA中斷通知CPU取出數據，然后將新數據存儲到buffer1，如此循環，如圖2所示。當主機傳輸完成不再提供時鐘信號后，ESM335x（從設備）通過定時器超時讀出DMA緩存中剩余的數據。

圖2 DMA雙buffer示意圖

圖3 使用DMA技術的SPI數據采集CPU負載

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

1、加載SPI從模式驅動。在linux操作系統中，使用insmod spi-slave.ko命令，會創建設備節點/dev/spi-slave。

2、應用程序打開設備：

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

3、設定傳輸參數：

//configure info transfer to driver

structspi_slave_transfer

{

unsignedintclk; //驅動根據不同clk，設定不同長度的dma buffer，滿足填滿一個buffer的時間不超過10ms（雙buffer）

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

unsignedintbits_per_word; //每個采樣點的位數

};

structspi_slave_transfer transfer;

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

transfer.mode = 1;

transfer.bits_per_word = 16;

4、傳入參數至內核，啟動傳輸：

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

{

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

exit ( 1 );

}

此時，主板上的SPI已經進入從模式，有數據傳入時，將存入DMA緩存，存滿一個buffer就通知CPU讀出數據到CPU維護的一個內存區域（256個kfifo組成鏈表，kfifo大小與buffer相同，使用完后會覆蓋第一個kfifo）。同時，當一次傳輸完成后，通過定時器讀出剩余在DMA buffer中的數據。應用程序應及時使用read函數從CPU維護的區域讀出數據，以免CPU維護太多內存。

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，關閉SPI。

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

{

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

exit ( 1 );

}

6、關閉設備文件

close ( fd );

當主設備前后兩次傳輸的參數不一樣時，從設備需要分兩次調用open/close函數，按以上步驟進行操作。如有用戶對這個方案感興趣，可以聯系我們，我們將提供驅動文件和完整的應用程序示例。