英利工控主板的多通道數據采集方案

使用英利工控主板進行簡單的擴展，可以構成一個多通道AD數據采集方案。這一方案的原理是通過英利工控主板的精簡ISA總線擴展一片TLC2543，，即可以實現8路模擬量輸入。其中輸入量程0-5V，AD轉換精度12bit，AD轉換速度100Ksps。

硬件部分
該方案的主要硬件構成如下：

其中TLC2543通過4線制SPI接口與英利工控主板連接，具體信號定義如下：
（1）SPI_CS：SPI片選信號，低電平有效；從英利工控主板輸出，接到TLC2543
（2）SPI_CK：SPI接口的同步時鐘信號；從英利工控主板輸出，接到TLC2543
（3）SPI_DO：SPI接口數據輸出，從英利工控主板輸出的轉換命令，輸入到TLC2543
（4）SPI_DI：SPI接口數據輸入，從AD芯片輸出的轉換數據，輸入到英利工控主板

此時可以采用英利工控主板的GPIO模擬出SPI接口（以EM9160為例）：
#define SPI_CS GPIO15
#define SPI_CLK GPIO14
#define SPI_DOUT GPIO13
#define SPI_DINGPIO12
#define SPI_EOC GPIO10

除AD輸入以外，該應用底板還有如下接口：
（1）1個10M/100M以太網接口
（2）4個帶隔離RS485總線接口，1個RS232串口，1個TTL串口
（3）2個USB Host接口，1個USB Device接口
（4）單色點陣液晶接口（支持LCD對比度調節和背光控制）
（5）矩陣鍵盤和LED接口
（6）精簡ISA總線接口

該應用底板和英利工控主板配套，已經可以滿足一般的數采應用需求。如果客戶需要更多的數據輸入，可以參考該應用底板的方式進一步擴展；如果客戶需要更多的其他功能，可以參考英利的開發評估底板和功能擴展模塊進行設計。

軟件部分
TLC2543是4線制SPI接口，因此它的讀寫操作是同時進行的，即所謂全雙工串行數據傳輸。在構造函數時，需要仔細研究AD芯片數據手冊上提供的SPI接口時序關系，如下圖所示：

軟件開發過程中需注意以下幾點：
1、在SPI_CS片選有效后，TLC2543將把上次AD轉換的數據，按MSB在先的順序，呈現在SPI_DI信號線上，并在SPI_CK的
下降沿更新數據
2、SPI_CK的上升沿將把對AD芯片的操作指令鎖存到AD芯片，輸出的數據也是按MSB在先的順序
3、輸入AD的操作指令只有8個bit，而從AD讀出的轉換數據有12個bit，在讀入低4bit時，輸入指令用“0”填充
4、芯片數據手冊中串行輸入輸出數據與我們的定義SPI_DO和SPI_DI是正好相反的
5、讀出的數據須經過格式轉換，才能轉為通常所見的電壓值

據上所述，可以構建相應的操作函數如下：

// TLC2543的SPI接口初始化函數
int SPI_Init( int fd )
{
SPI_OutEnable( fd, SPI_CS );
SPI_OutEnable( fd, SPI_CLK );
SPI_OutEnable( fd, SPI_DOUT );
SPI_OutDisable( fd, SPI_DIN );
SPI_OutDisable( fd, SPI_EOC );
SPI_OutSet( fd, SPI_CS );
SPI_OutClear( fd, SPI_CLK );
return 1;
}
// 輸出使能
int SPI_OutEnable( int fd, unsigned int dwEnBits )
{
int rc;
rc = ioctl( fd, EM9X60_GPIO_IOCTL_OUT_ENABLE, &dwEnBits );
return rc;
}
// 輸出禁止
int SPI_OutDisable( int fd, unsigned int dwDisBits )
{
int rc;
rc = ioctl( fd, EM9X60_GPIO_IOCTL_OUT_DISABLE, &dwDisBits );
return rc;
}
// 位置高
int SPI_OutSet( int fd, unsigned int dwSetBits )
{
int rc;
rc = ioctl( fd, EM9X60_GPIO_IOCTL_OUT_SET, &dwSetBits );
return rc;
}
// 位置低
int SPI_OutClear( int fd, unsigned int dwClearBits )
{
int rc;
rc = ioctl( fd, EM9X60_GPIO_IOCTL_OUT_CLEAR, &dwClearBits );
return rc;
}
// 讀取位狀態
int SPI_PinState( int fd, unsigned int* pPinState )
{
int rc;
unsigned int dwCurrPinState;
rc = ioctl( fd, EM9X60_GPIO_IOCTL_PIN_STATE, &dwCurrPinState );
if( rc == 0 )
*pPinState = dwCurrPinState;
return rc;
}
// 格式轉換為電壓值
float GetDeltaV( )
{
int i1;
unsigned int i2 = 0;
for( i1=0; i1<10; i1++ )
i2 += ADData[i1];
result = (i2/10) * DeltaV;
return result;
}

該應用方案程序的核心部分是數據處理函數int ReadAD( int ChNum )，該函數將模擬量讀出并轉換為浮點數格式，其相關處理代碼如下：

int ReadAD( int ChNum )
{
unsigned int i1 = 0;
int i2, i3;
unsigned int dwPinState;
unsigned int CtrlBit;
// 將控制字轉換為標準的12位
CtrlBit = (unsigned int)ChNum << 4;
SPI_OutClear( fd, SPI_CS );
// 等待轉換完成
for( i2=0; i2<100; i2++ )
{
SPI_PinState( fd, &dwPinState );
if( dwPinState & SPI_EOC );
break;
}
// 轉換失敗處理
if( i2 >= 100 )
{
SPI_OutSet( fd, SPI_CS );
return -14;
}
// 第一次讀出的是無效數據，讀出并且扔掉
for( i2=0; i2<12; i2++ )
{
i1 = i1 << 1;
SPI_PinState( fd, &dwPinState );
if( dwPinState & SPI_DIN )
i1 = i1 | 0x01;
if( CtrlBit & 0x800 )
SPI_OutSet( fd, SPI_DOUT );
else
SPI_OutClear( fd, SPI_DOUT );
SPI_OutSet( fd, SPI_CLK );
SPI_OutClear( fd, SPI_CLK );
CtrlBit = CtrlBit << 1;
}
// 正式讀取數據，讀十次，交由后面的GetDeltaV( )函數取平均值并轉換為電壓
for( i3=0; i3<10; i3++ )
{
i1 = 0;
CtrlBit = (unsigned int)ChNum << 4;
for( i2=0; i2<100; i2++ )
{
SPI_PinState( fd, &dwPinState );
if( dwPinState & SPI_EOC );
break;
}
if( i2 >= 100 )
{
SPI_OutSet( fd, SPI_CS );
return -12;
}
for( i2=0; i2<12; i2++ )
{
i1 = i1 << 1;
SPI_PinState( fd, &dwPinState );
if( dwPinState & SPI_DIN )
i1 = i1 | 0x01;
if( CtrlBit & 0x800 )
SPI_OutSet( fd, SPI_DOUT );
else
SPI_OutClear( fd, SPI_DOUT );
SPI_OutSet( fd, SPI_CLK );
SPI_OutClear( fd, SPI_CLK );
CtrlBit = CtrlBit << 1;
}
ADData[i3] = i1;
}
SPI_OutSet( fd, SPI_CS );
GetDeltaV( );
return 1;
}

該方案的主流程如下：

int main( )
{
int i;
// 定義8個數據輸入通道
int AIN[8] = {0x00,0x10,0x20,0x30,0x40,0x50,0x60,0x70};
fd = open( '/dev/em9x60_gpio', O_RDWR );
printf( 'open file = %d\n', fd );
// 初始化SPI端口
SPI_Init( fd );
// 嵌入式程序，總是無限循環執行
for( ; ; )
{
// 循環讀取八個通道的數據
for( i=0; i<8; i++ )
{
ReadAD( AIN[i] );
printf( 'the result = %.2f V\n', result );
}
printf( '\n' );
sleep( 2 );
}
return 1;
}