英创信息技术EM9380多通道AD数据采集介绍

在工业控制应用、特别是要求闭环控制的实时应用中，通常都需要实时采集模拟信号。因此作为一款面向实时控制应用的工控主板EM9380，配置了最多可达8路的AD转换单元。为了实现闭环控制的高效操作，AD转换是由板上独立运行的硬件协处理器（Cortex-M3）来直接操作。应用程序通过驱动程序，其设备文件名为“MCU2:”，来操作AD的功能。在标准配置的EM9380中，其AD单元的基本技术特性包括： 

•  单端输入采集，可进一步选择单通道、双通道、4通道及8通道模式。 
        •  差分输入采集，可进一步选择单通道、双通道及4通道模式。 
        •  采集触发模式方面，支持软件触发和阈值触发两种模式。软件触发指一旦应用程序调用相关API函数，即进行数据采集；而阈值触发模式是指当应用程序启动AD采集后，

只有当输入的数据超出所设置的门限阈值时，才开始采集数据，这种模式广泛应用于状态监测及波形捕捉等应用。 
        •  采集数据方面，支持单点采集和波形采集两种模式。单点采集指每个通道仅采集一个样点；而波形采集则是按设置的采样间隔，采集一定长度的数据序列，这种模式一般

应用于需要分析波形数据的场合，如需要做FFT，获得波形的频谱特征。

本文后续部分将针对EM9380的多通道AD在硬件、软件方面的特性，具体介绍实现数据采集的相关步骤。

AD通道的硬件接口说明

EM9380中与AD关联的管脚是GPIO8 – GPIO15，这8路GPIO在上电时的缺省配置是数字输入模式。只有当应用程序调用AD转换的API时，其相应的管脚才会转换为模拟输入状态。EM9380共支持7种输入模式，每种模式使用固定的通道配置，未使用的管脚则保持在GPIO模式。输入模式与具体管脚的关系列表如下：

单通道单端输入

AD通道号	信号输入管脚	备注
AD_CH0	GPIO8	与公共GND构成信号回路

双通道单端输入

AD通道号	信号输入管脚	备注
AD_CH0	GPIO8	与公共GND构成信号回路
AD_CH1	GPIO9	与公共GND构成信号回路

4通道单端输入

AD通道号	信号输入管脚	备注
AD_CH0	GPIO8	与公共GND构成信号回路
AD_CH1	GPIO9	与公共GND构成信号回路
AD_CH2	GPIO10	与公共GND构成信号回路
AD_CH3	GPIO11	与公共GND构成信号回路

8通道单端输入

AD通道号	信号输入管脚	备注
AD_CH0	GPIO8	与公共GND构成信号回路
AD_CH1	GPIO9	与公共GND构成信号回路
AD_CH2	GPIO10	与公共GND构成信号回路
AD_CH3	GPIO11	与公共GND构成信号回路
AD_CH4	GPIO12	与公共GND构成信号回路
AD_CH5	GPIO13	与公共GND构成信号回路
AD_CH6	GPIO14	与公共GND构成信号回路
AD_CH7	GPIO15	与公共GND构成信号回路

单通道差分输入

AD通道号	输入管脚	输入信号	实际输入信号
AD_CH0	GPIO8	AD_CH0+	AD_CH0+ / AD_CH0-
GPIO9	AD_CH0-

双通道差分输入

AD通道号	输入管脚	输入信号	实际输入信号
AD_CH0	GPIO8	AD_CH0+	AD_CH0+ / AD_CH0-
GPIO9	AD_CH0-
AD_CH2	GPIO10	AD_CH2+	AD_CH2+ / AD_CH2-
GPIO11	AD_CH2-

4通道差分输入

AD通道号	输入管脚	输入信号	实际输入信号
AD_CH0	GPIO8	AD_CH0+	AD_CH0+ / AD_CH0-
GPIO9	AD_CH0-
AD_CH2	GPIO10	AD_CH2+	AD_CH2+ / AD_CH2-
GPIO11	AD_CH2-
AD_CH4	GPIO12	AD_CH4+	AD_CH4+ / AD_CH4-
GPIO13	AD_CH4-
AD_CH6	GPIO14	AD_CH6+	AD_CH6+ / AD_CH6-
GPIO15	AD_CH6-

对于单端输入，其输入满量程为0 – 2.5V，对应的量化数据分别为0 – 4095（12-bit AD分辨率）。差分输入时，数据值与输入电压的关系如下表所示：

AD转换数据（HEX）	CH+输入电压	CH-输入电压	备注
4095（0xFFF）	2.5V	0V	正向最大差
2048（0x800）	CH+ = CH-
0（0x000）	0	2.5V	反向最大差

在标准配置下，各AD通道的输入阻抗大致为40KΩ。为了保证AD转换的精度，建议前端输入的模拟信号，应根据实际信号的特点，加入适当的信号调理单元。

接口软件说明

为了操作EM9380的AD采集功能，首先需要打开硬件协处理器的驱动程序，其设备文件名为”MCU2:”（注意是MCU2，而不是MCU1）：

#include// 数据类型定义
        HANDLE hMCU2;
        hMCU2 = CreateFile(_T(“MCU2:”), // name of device
                GENERIC_READ|GENERIC_WRITE, // desired access
                FILE_SHARE_READ|FILE_SHARE_WRITE, // sharing mode
                NULL, // security attributes (ignored)
                OPEN_EXISTING, // creation disposition
                FILE_FLAG_RANDOM_ACCESS, // flags/attributes
                NULL); // template file (ignored)

驱动程序MCU2通过DeviceIoControl，支持以下AD采集命令：

MCU_GENERIC_ADC_SE1 // 单端输入，单通道模式
        MCU_GENERIC_ADC_SE2 // 单端输入，双通道模式
        MCU_GENERIC_ADC_SE4 // 单端输入，4通道模式
        MCU_GENERIC_ADC_SE8 // 单端输入，8通道模式
        MCU_GENERIC_ADC_DI1 // 差分输入，单通道模式
        MCU_GENERIC_ADC_DI2 // 差分输入，双通道模式
        MCU_GENERIC_ADC_DI4 // 差分输入，4通道模式

同时以上命令需通过以下的数据结构来设置相关参数：

typedef struct
        {
                BYTE ucSize; // 本数据结构大小 = 24字节
                BYTE ucCmd; // AD命令码：MCU_GENERIC_ADC_XXX
                DWORD dwPeriod; // 采样间隔，单位为us，= 0：软件触发 
                WORD wData[8]; // 返回的采集数据
                bool bFlashed; // 保存本配置作为启动缺省功能
                BYTE ucChkSum; // 校验和
        } MCU_ADC_INFO, *PMCU_ADC_INFO; // struct for ADC

参数dwPeriod为采样间隔，设置为0表示软件触发数据采集，不为0，则按设置的采样间隔进行AD转换。最短采样间隔为25us，即最高采样率40Ksps。注意若启动多通道数据采集，则每通道的采样周期为dwPeriod×通道数。

当dwPeriod不为零时，wData[ ]的前三个值将作为输入参数，其中wData[0]表示采集的总样点数，wData[1]表示阈值窗口的上限值（最大值=4095），wData[2]表示阈值窗口的下限值（最小值=0）。通过这些参数的合理逻辑组合，就可实现以下4种数据形式的采集：

dwPeriod	wData[0]	wData[1]	wData[2]	采集数据
= 0	-	-	-	软件触发，单点采集
> 0	通道数	wData[1] > wData[2]	阈值触发，单点采集
> 0	通道数×N	0	0	软件触发，N点波形采集
> 0	通道数×N	wData[1] > wData[2]	阈值触发，N点波形采集

对单点数据采集，MCU2驱动将以MCU_ADC_INFO数据结构的形式回传采集结果，其中采集数据包含在wData[ ]中，分别对应AD的CH0 – CH7。wData的数据格式为：

16-bit AD转换数据
D15 – D12（4-bit）	D11 – D0（12-bit）
通道号（0 – 7）	ADC实际转换输出的数据值（0 – 4095）

对波形采集，为了提高效率，回传的数据采用以下数据结构的形式：
        typedef struct
        {
                BYTE ucSize; // 本数据结构大小 = 51字节
                BYTE ucCmd; // AD命令码：MCU_GENERIC_ADC_XXX
                WORD wData[24]; // 返回的采集数据
                BYTE ucChkSum; // 校验和
        } MCU_ADC_FLOW, *PMCU_ADC_FLOW; // struct for ADC

24个采集数据将根据AD采集命令所使用的通道数，顺序循环排列。而每个数据的格式与单点采集数据的格式是一样的。

以下代码实现单端输入8通道，软件触发单点采集：
        MCU_ADC_INFO Info; //定义结构对象
        memset（&Info, 0, sizeof（MCU_ADC_INFO））；//清零
        //填写所需的参数
        Info.ucSize = sizeof（MCU_ADC_INFO）; 
        Info.ucCmd = MCU_GENERIC_ADC_SE8; //单端8通道输入
        Info.dwPeriod = 0; //软件触发，单点采集
        // 生成chksum字节
        Info.ucChkSum = ChkSum（&Info, sizeof（MCU_ADC_INFO）-1）;
        // 调用DeviceIoControl
        if (!DeviceIoControl(hMCU2, // File handle to the driver
                MCU_IOCTL_ACCESS, // I/O control code
                &Info, // input buffer
                sizeof(MCU_ADC_INFO), // in buffer size
                &Info, // out buffer
                sizeof(MCU_ADC_INFO), // out buffer size 
                NULL, // pointer to number of bytes returned
                NULL)) // ignored (=NULL)
        {
                // 出错处理......
                return FALSE;
        }
        // 对采集的数据Info.wData[]进行处理......