【導(dǎo)讀】隨著技術(shù)的進(jìn)步,低功耗物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和邊緣/云計(jì)算需要更精確的數(shù)據(jù)傳輸。圖1展示的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)帶有24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在此我們通常會(huì)遇到這樣一個(gè)問(wèn)題,即微控制單元(MCU)能否為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器提供高速的串行接口。
本文描述了設(shè)計(jì)MCU和ADC之間的高速串行外設(shè)接口(SPI)關(guān)于數(shù)據(jù)事務(wù)處理驅(qū)動(dòng)程序的流程,并簡(jiǎn)要介紹了優(yōu)化SPI驅(qū)動(dòng)程序的不同方法及其ADC與MCU配置。本文還詳細(xì)介紹了SPI和直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(DMA)關(guān)于數(shù)據(jù)事務(wù)處理的示例代碼。最后,本文演示了在不同MCU(ADuCM4050、MAX32660)中使用相同驅(qū)動(dòng)程序時(shí)ADC的吞吐率。
圖1. 狀態(tài)監(jiān)控。
引言
通用SPI驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)介
通常,MCU廠商會(huì)在例程代碼中提供通用的SPI驅(qū)動(dòng)程序/API。通用SPI驅(qū)動(dòng)程序/API通??梢院w大多數(shù)用戶的應(yīng)用,這些代碼可能包含許多配置或判斷語(yǔ)句。但在某些特定情況下,比如ADC數(shù)據(jù)采集,通用的SPI驅(qū)動(dòng)程序可能無(wú)法滿足ADC數(shù)據(jù)的全速的吞吐速率需求,因?yàn)橥ㄓ玫尿?qū)動(dòng)程序中有過(guò)多的配置,而未使用的配置會(huì)產(chǎn)生額外的開銷并導(dǎo)致時(shí)間延遲。
圖2. 通用API的配置。
設(shè)計(jì)思路與實(shí)踐框架
我們通常會(huì)選擇低功耗高性能的MCU作為主機(jī)通過(guò)SPI提取ADC的輸出數(shù)據(jù)。但是,由于ADI的SPI驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)據(jù)事務(wù)處理命令存在冗余,因此數(shù)據(jù)輸出速率可能被顯著降低。為了充分釋放ADC的潛在速率,本文使用ADuCM4050和 AD7768-1 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并嘗試可能的解決方案。盡管在使用默認(rèn)濾波器的情況下,ADuCM4050的最大數(shù)據(jù)輸出速率可達(dá)256 kHz,但在當(dāng)前情況下,其速率被限制在8 kHz。提高輸出速率的潛在解決方案包括刪除不必要的命令以及激活DMA控制器。本文將在以下小節(jié)中介紹這些思路。
圖3. 不同ODR以及DRDY與SCLK之間的關(guān)系。
以MCU作為主機(jī)
ADuCM4050 MCU是一款主時(shí)鐘速率為26 MHz的超低功耗微控制器,內(nèi)核為ARM? Cortex?-M4F處理器。ADuCM4050配有三個(gè)SPI,每個(gè)SPI都有兩個(gè)DMA通道(接收和發(fā)射通道)可與DMA控制器連接。DMA控制器和DMA通道可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸。這是一種高效的數(shù)據(jù)分配方法,可將內(nèi)核釋放以處理其他任務(wù)。
以ADC作為從機(jī)
AD7768-1是一款24位低功耗、高性能的Σ-Δ ADC。其數(shù)據(jù)輸出速率(ODR)和功耗模式均可根據(jù)用戶的要求進(jìn)行配置。ODR由抽取系數(shù)和功耗模式共同決定,如表1中所示。
表1. 數(shù)據(jù)輸出速率的功耗模式配置
AD7768-1的連續(xù)讀取模式也是該產(chǎn)品的一個(gè)重要特性。ADC的輸出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在寄存器0x6C中。一般而言,每次讀/寫操作之前,ADC寄存器中的數(shù)據(jù)都需要地址才可以訪問(wèn),但是連續(xù)讀取模式則支持在收到每個(gè)數(shù)據(jù)就緒信號(hào)后直接從0x6C寄存器提取數(shù)據(jù)。ADC的輸出數(shù)據(jù)為24位的數(shù)字信號(hào),對(duì)應(yīng)的電壓如表2所示。
表2. 數(shù)字輸出碼和模擬輸入電壓
引腳連接示意圖
ADuCM4050和AD7768-1組成的數(shù)據(jù)事務(wù)處理示例模型的引腳連接如圖4所示。
ADC的復(fù)位信號(hào)引腳RST_1連接至MCU的GPIO28,而數(shù)據(jù)就緒信號(hào)引腳DRDY_1則連接至MCU的GPIO27。其余引腳則根據(jù)通用的SPI配置標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行連接,其中MCU為主機(jī),而ADC為從機(jī)。SDI_1接收MCU發(fā)送的ADC寄存器讀/寫命令,而DOUT_1則將ADC的輸出數(shù)據(jù)發(fā)送至MCU。
圖4. AD7768-1和ADuCM4050的接口引腳連接。
數(shù)據(jù)事務(wù)處理的實(shí)現(xiàn)
中斷數(shù)據(jù)事務(wù)處理
為實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)事務(wù)處理,本文將MCU的GPIO27引腳(連接至ADC的DRDY_1引腳)用作中斷觸發(fā)引腳。ADC將數(shù)據(jù)就緒信號(hào)發(fā)送至GPIO27時(shí)會(huì)觸發(fā)MCU包含數(shù)據(jù)事務(wù)處理命令的中斷回調(diào)函數(shù)。如圖5所示,數(shù)據(jù)采集必須在中斷A和中斷B之間的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行。
利用ADI的SPI驅(qū)動(dòng)程序可以在ADC和MCU之間輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)事務(wù)處理。但是,由于驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)存在冗余命令,ADC的ODR會(huì)被限制在8 kHz。本文盡可能地精簡(jiǎn)了代碼以加快ODR,將介紹實(shí)現(xiàn)DMA數(shù)據(jù)事務(wù)處理的兩種方法:基本模式的DMA事務(wù)處理和乒乓模式的DMA事務(wù)處理。
圖5. 兩次中斷的時(shí)間間隔。
基本模式的DMA事務(wù)處理
在實(shí)現(xiàn)每個(gè)DMA事務(wù)處理之前需要對(duì)SPI和DMA進(jìn)行配置(參見圖6中的示例代碼)。SPI_CTL為SPI配置,其值為0x280f,源于ADI的SPI驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)定值。SPI_CNT為傳輸字節(jié)數(shù)。由于每個(gè)DMA事務(wù)處理只能發(fā)送固定的16位數(shù)據(jù),因此SPI_CNT必須是2的倍數(shù)。本例設(shè)置SPI_CNT為4,以滿足ADC的24位的輸出數(shù)據(jù)要求。SPI_DMA寄存器為SPI的DMA使能寄存器,設(shè)定其值為0x5以使能DMA接收請(qǐng)求。命令pADI_DMA0->EN_SET=(1<<5)使能第五個(gè)通道的DMA,即SPI0 RX。
表3. DMA結(jié)構(gòu)寄存器
每個(gè)DMA通道都有一個(gè)DMA結(jié)構(gòu)寄存器,如表3中所示。需要指出的是,這里的數(shù)據(jù)來(lái)源地址的結(jié)尾(即SPI0 Rx,亦即來(lái)源端指針SRC_END_PTR)在整個(gè)操作期間無(wú)需增加,因?yàn)镽x FIFO會(huì)自動(dòng)將寄存器中的數(shù)據(jù)推送出去。另一方面,數(shù)據(jù)目標(biāo)地址的結(jié)尾(即目標(biāo)端指針DST_END_PTR)根據(jù)ADI的SPI驅(qū)動(dòng)程序的使用函數(shù)計(jì)算得出,即目標(biāo)地址+ SPI_CNT -2。
當(dāng)前地址為內(nèi)部數(shù)組緩沖區(qū)的地址。DMA控制數(shù)據(jù)配置CHNL_CFG包括來(lái)源數(shù)據(jù)大小、來(lái)源地址增量、目標(biāo)地址增量、剩余傳輸次數(shù)和DMA控制模式等設(shè)置,其值0x4D000011按照表4中所述的設(shè)置配置。
表4. 控制數(shù)據(jù)配置0x4D00011的DMA配置
SCLK時(shí)鐘通過(guò)偽讀取命令SPI_SPI0 -> RX啟動(dòng),輸出數(shù)據(jù)通過(guò)MISO從ADC傳至MCU。MOSI上其它的數(shù)據(jù)傳輸可以忽略不計(jì)。一旦完成Rx的FIFO填充,DMA請(qǐng)求就會(huì)生成從而激活DMA控制器,以將數(shù)據(jù)從DMA來(lái)源地址(即SPI0 Rx FIFO)傳輸至DMA目標(biāo)地址(即內(nèi)部數(shù)組的緩沖區(qū))。值得注意的是,SPI_DMA=0x3時(shí)會(huì)生成Tc請(qǐng)求。
最后,通過(guò)將當(dāng)前目標(biāo)地址加4的方式將目標(biāo)地址用于下一個(gè)4字節(jié)的傳輸。
請(qǐng)注意,SPI0 DMA通道的pADI_DMA0->DSTADDR_CLR和pADI_DMA0->RMSK_CLR必須在首次中斷觸發(fā)之前在主函數(shù)中設(shè)置。前一個(gè)為DMA通道目標(biāo)地址減量使能清零寄存器,用于在增量模式下設(shè)置每次DMA傳輸后的目標(biāo)地址移位(目標(biāo)地址計(jì)算函數(shù)僅在增量模式下有效)。后一個(gè)為DMA通道請(qǐng)求屏蔽清零寄存器,用于將通道的DMA請(qǐng)求狀態(tài)清零。
基本模式的DMA事務(wù)處理時(shí)間圖如圖7a所示。圖中三個(gè)時(shí)隙分別代表DRDY信號(hào)、SPI/DMA設(shè)置和DMA數(shù)據(jù)事務(wù)處理。在該模式中,CPU的空閑時(shí)間較多,因此希望DMA控制器在處理數(shù)據(jù)傳輸時(shí)能將任務(wù)分配給CPU。
圖6. 基本DMA事務(wù)處理模式的代碼。
乒乓模式的DMA事務(wù)處理
在執(zhí)行偽讀取命令后,DMA控制器會(huì)開始數(shù)據(jù)事務(wù)處理,從而使得MCU的CPU處于空閑狀態(tài)而不處理任何任務(wù)。如果能夠讓CPU和DMA控制器同時(shí)工作,那么任務(wù)處理就從串行模式轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿心J健_@樣,就可以同時(shí)進(jìn)行DMA配置(通過(guò)CPU)以及DMA數(shù)據(jù)事務(wù)處理(通過(guò)DMA控制器)。為實(shí)現(xiàn)這一思路,需要設(shè)置DMA控制器處于乒乓模式。乒乓模式將兩組DMA結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整合:主結(jié)構(gòu)和備用結(jié)構(gòu)。每次DMA請(qǐng)求時(shí),DMA控制器會(huì)在兩組結(jié)構(gòu)之間自動(dòng)切換。變量p的初始設(shè)置為0,其值表示是主DMA結(jié)構(gòu)(p = 0)還是備用DMA結(jié)構(gòu)(p = 1)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)事務(wù)處理。如果p = 0,則在收到偽讀取命令時(shí)啟動(dòng)主DMA結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)事務(wù)處理,同時(shí)會(huì)為備用DMA結(jié)構(gòu)分配值,使其在下一個(gè)中斷周期內(nèi)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)事務(wù)處理。如果p = 1,則主結(jié)構(gòu)和備用結(jié)構(gòu)的作用互換。當(dāng)僅有主結(jié)構(gòu)處于基本DMA模式時(shí),在DMA事務(wù)處理期間對(duì)DMA結(jié)構(gòu)的修改會(huì)失敗。乒乓模式使得CPU能夠訪問(wèn)和寫入備用DMA結(jié)構(gòu),而DMA控制器可以讀取主結(jié)構(gòu),反之亦然。如圖7b所示,由于DMA的結(jié)構(gòu)配置是在最后一個(gè)周期內(nèi)完成的,因此在DRDY信號(hào)從ADC傳送至MCU后DMA數(shù)據(jù)事務(wù)處理可以被立即執(zhí)行,使得CPU和DMA同時(shí)工作而無(wú)需等待?,F(xiàn)在,ADC的ODR得到了提升空間,因?yàn)榭偟墓ぷ鲿r(shí)間已大大縮短。
圖7. (a)基本模式DMA和(b)乒乓模式的時(shí)間圖。
中斷處理程序的優(yōu)化
兩次DRDY信號(hào)之間的時(shí)間間隔不僅包括了中斷回調(diào)函數(shù)的命令執(zhí)行時(shí)間,還包括了ADI的GPIO中斷處理函數(shù)的命令執(zhí)行時(shí)間。
當(dāng)MCU啟動(dòng)時(shí),CPU會(huì)運(yùn)行啟動(dòng)文件(即startup.s)。所有事件的處理函數(shù)均在該文件中定義,包括GPIO中斷處理函數(shù)。一旦觸發(fā)GPIO中斷,CPU就會(huì)執(zhí)行中斷處理函數(shù)(即ADI的GPIO驅(qū)動(dòng)程序中的GPIO_A_INT_HANDLER和GPIO_B_INT_HANDLER)。通用的中斷處理函數(shù)會(huì)在所有的GPIO引腳中搜索觸發(fā)中斷的引腳并清零其中斷狀態(tài)、運(yùn)行回調(diào)函數(shù)。由于DRDY是本文應(yīng)用的唯一中斷信號(hào),因此可以對(duì)函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化以加快進(jìn)程。可選的解決方案包括(1)在啟動(dòng)文件中重新定位目標(biāo),以及(2)修改原始的中斷處理函數(shù)。重新定位目標(biāo)意味著自定義中斷處理函數(shù),并替換啟動(dòng)文件中的原始的中斷處理函數(shù)。
而修改原始的中斷處理函數(shù)只需要添加一個(gè)自定義的GPIO驅(qū)動(dòng)程序。本文采用第二種方案修改原始的中斷處理函數(shù),如圖8所示。該方案只將連接至DRDY的GPIO的引腳中斷狀態(tài)清零,并直接轉(zhuǎn)到回調(diào)函數(shù)。請(qǐng)注意,這里需要通過(guò)取消選擇build target中關(guān)于原始GPIO驅(qū)動(dòng)函數(shù)的勾選框內(nèi)容來(lái)隔離原始的GPIO驅(qū)動(dòng)程序。
圖8. 嵌套矢量中斷控制器(NVIC)。
結(jié)果
速率性能
假定現(xiàn)在需要讀取200個(gè)24位的ADC輸出數(shù)據(jù),并且SPI位速率設(shè)置為13 MHz。將DRDY信號(hào)和SCLK信號(hào)的引腳連接至示波器,可以通過(guò)觀察DRDY信號(hào)與SPI數(shù)據(jù)事務(wù)處理(亦即DMA事務(wù)處理)啟動(dòng)之間的時(shí)間間隔的方法可以量化本文所述的每種方法對(duì)速率的改善程度。這里將DRDY信號(hào)至SCLK信號(hào)開始的時(shí)間間隔記為?t,那么對(duì)于13 MHz的SPI速率,測(cè)量得出的?t為:
(a)基本模式DMA Δt = 3.754 μs
(b)乒乓模式DMA Δt = 2.8433 μs
(c)乒乓模式DMA(使用優(yōu)化的中斷處理函數(shù))Δt = 1.694 μs
方法(a)和(b)可支持64 kHz的ODR,而方法(c)可支持128 kHz的ODR。這是因?yàn)榉椒?c)的?t最短,從而使得SCLK信號(hào)能夠更早結(jié)束。如果SCLK信號(hào)(即數(shù)據(jù)事務(wù)處理)能在T/2之前完成(T為當(dāng)前ADC的數(shù)據(jù)輸出周期),則ODR可實(shí)現(xiàn)翻倍。這較之于原始的ADISPI驅(qū)動(dòng)程序可以達(dá)到的8 kHz的ODR性能是一次巨大的進(jìn)步。
圖9. (a)基本模式DMA、(b)乒乓模式以及(c)乒乓模式(使用優(yōu)化的中斷處理函數(shù))的Δt。
使用MAX32660控制AD7768-1
使用主時(shí)鐘速率為96 MHz的MCU MAX32660控制AD7768-1)時(shí)的結(jié)果如何?在該情況下,使用優(yōu)化的中斷處理函數(shù)的中斷設(shè)置,可在不使用DMA函數(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)256 kHz的數(shù)據(jù)輸出速率。參見圖10。
圖10. 不使用DMA時(shí)MAX32660的ODR。
結(jié)論
本文利用選定的ADC(AD7768-1)和MCU(ADuCM4050或MAX32660)通過(guò)SPI實(shí)現(xiàn)了高速的數(shù)據(jù)事務(wù)處理。為實(shí)現(xiàn)速率優(yōu)化的目標(biāo),本文簡(jiǎn)化了ADI的SPI驅(qū)動(dòng)程序執(zhí)行數(shù)據(jù)事務(wù)處理。此外本文提出,激活DMA控制器釋放內(nèi)核也可以加快連續(xù)數(shù)據(jù)事務(wù)處理的流程。在DMA的乒乓模式下,DMA的配置時(shí)間可通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)度來(lái)節(jié)省。在此基礎(chǔ)上,還可以通過(guò)直接指定中斷引腳的方式優(yōu)化中斷處理函數(shù)。在13 MHz的SPI位速率下,本文提出的方案的最佳性能可達(dá)到128 kSPS的ADC ODR。
表5. 使用ADuCM405和MAX32660實(shí)現(xiàn)的高速SPI連接
致謝
在編寫本文的過(guò)程中,我們獲得了許多支持和幫助。
首先我們要感謝Charles Lee為我們提供了寶貴的硬件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、軟件支持以及調(diào)試技巧等專業(yè)知識(shí)。
我們還要感謝我們的導(dǎo)師William Chen給予我們的技術(shù)支持。
最后,我們要感謝Frank Chang與我們分享了自身職業(yè)生涯中的許多技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。
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