Cortex－M4內(nèi)核微處理器DMA方式的高速A／D采樣

劉貫營，趙玉榮

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，淮南 232001）

劉貫營（碩士研究生），主要從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、智能儀器方向的研究；趙玉榮（碩士研究生），主要從事嵌入式系統(tǒng)方向的研究。

1 MK60N512VMD100微處理器簡介

MK60N512VMD100芯片是基于Cortex－M4內(nèi)核的典型芯片，是飛思卡爾Kinetis系列中集成度最高的芯片。Cortex－M4內(nèi)核是在Cortex－M3內(nèi)核的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其性能比Cortex－M3提高了20%。Cortex－M4在Cortex－M3的基礎(chǔ)上強化了運算能力，增加了浮點運算控制器、DSP和并行計算等。MK60N512VMD100具有豐富的通信接口，主頻高達100MHz，32路DMA供外設(shè)和存儲器使用，大大提高了CPU利用率，具有33路單路和4路差分的16位A／D轉(zhuǎn)換器、2路12位D／A轉(zhuǎn)換器等外設(shè)。

2 MK60N512VMD100芯片DMA和ADC介紹

Kinetis系列微處理器都含有DMA，在最小的CPU干預(yù)下最高可提供32路DMA供外設(shè)和存儲器使用，大大提高了CPU的利用率。DMA通道復(fù)用器（類似多路選擇開關(guān)）可以把最多63個DMA請求源和16個DMA通道中的任意一個映射到一起。16路獨立可選的DMA通道中，前4路還具有自觸發(fā)功能。DMA復(fù)用器有3種工作模式：禁用模式、普通模式和周期觸發(fā)模式。本文就介紹用周期觸發(fā)模式實現(xiàn)高速A／D采樣功能。

DMA通道復(fù)用器除了提供正常的映射功能外，前4個通道還提供了周期觸發(fā)功能，由周期性中斷定時器（PIT）觸發(fā)，這種機制能夠?qū)崿F(xiàn)在沒有CPU的干預(yù)下傳輸字節(jié)、幀或數(shù)據(jù)包。這種觸發(fā)功能可用于任何支持DMA傳輸?shù)耐庠O(shè)，最常用的應(yīng)用包括以下兩種情況：

①定期輪詢一個特定的總線上的外部設(shè)備。例如：一個SPI總線作為源被映射到DMA通道0，一旦設(shè)置成功，只要SPI的發(fā)送緩沖區(qū)是空的就會請求DMA傳輸，從內(nèi)存中復(fù)制數(shù)據(jù)到緩存。SPI傳輸通過此通道上的一個觸發(fā)器每3μs（舉例）自動執(zhí)行一次。在SPI接收端，SPI和DMA可配置成把接收到的數(shù)據(jù)傳到內(nèi)存，在無需處理器干預(yù)的情況下有效地定期從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)送到內(nèi)存中。

②利用GPIO端口產(chǎn)生或者采樣波形。通過配置DMA將數(shù)據(jù)傳送到一個或多個GPIO端口，可以使用存儲在存儲器中的表格數(shù)據(jù)產(chǎn)生復(fù)雜的波形。相反，使用DMA從一個或多個GPIO端口讀取數(shù)據(jù)，是可以采樣到復(fù)雜波形的，并把數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)存中。

MK60N512VMD100芯片的ADC模塊具有線性逐次逼近算法與高達16位的分辨率，4路差分16位A／D轉(zhuǎn)換和24路單端外部模擬輸入。輸出模式有差分16位、13位、11位和9位幾種模式，單路支持16位、12位、10位和8位模式，并且輸出無符號數(shù)右對齊格式。

當(dāng)應(yīng)用程序需要連續(xù)采樣時（每秒6 000個采樣點），CPU可能會有相當(dāng)大的負擔(dān)。雖然使用可編程延遲模塊（PDB）可能會減少一些CPU的負載，但是ADC支持DMA請求功能在高速采樣時能獲得更高的性能，ADC在轉(zhuǎn)換完成后通過DMA中斷請求觸發(fā)DMA。本文就介紹此種方法。

3 軟件設(shè)計

3.1 DMA周期觸發(fā)方式相關(guān)寄存器的設(shè)置

（1）DMA通道配置寄存器（DMAMUX＿CHCFGn）

DMA通道配置寄存器（DMAMUX＿CHCFGn）數(shù)據(jù)格式如圖1所示。

圖1 DMA通道配置寄存器（DMAMUX＿CHCFGn）數(shù)據(jù)格式

bit7（ENBL）：DMA通道使能，設(shè)置為0則通道禁用，為1則通道使能。

bit6（TRIG）：DMA通道觸發(fā)使能，設(shè)置為0則觸發(fā)禁用，為1則觸發(fā)使能。

bit（5：0）（SOURCE）：DMA通道源。

（2）ADC狀態(tài)和控制寄存器2（ADCx＿SC2）

ADC狀態(tài)和控制寄存器2（ADCx＿SC2）數(shù)據(jù)格式如圖2所示。

bit7（ADACT）：轉(zhuǎn)換狀態(tài)位，當(dāng)一個A／D轉(zhuǎn)換開始時ADACT被置位，當(dāng)一個轉(zhuǎn)換完成或中止時ADACT被清零。

圖2 ADC狀態(tài)和控制寄存器2（ADCx＿SC2）數(shù)據(jù)格式

bit2（DMAEN）：設(shè)置為0則DMA功能禁用，為1時DMA使能。當(dāng)一個ADC完成時發(fā)出ADCDMA請求。

3.2 具體實現(xiàn)

采用DMA的方式有利于提高系統(tǒng)的實時性和執(zhí)行效率。當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生中斷；DMA接收一次數(shù)據(jù)后，設(shè)備地址禁止后移；關(guān)閉接收一次數(shù)據(jù)后，目標內(nèi)存地址后移。設(shè)置DMA循環(huán)寫入模式，BUF寫滿后，自動回到初始地址開始傳輸。

示例代碼如下：

4 實驗及結(jié)論

首先將信號發(fā)生器輸出的正弦波信號直接連接到示波器，調(diào)節(jié)波形，并選擇適當(dāng)?shù)姆宸逯?，然后接到采樣模擬信號輸入引腳，通過串口在PC機上觀察接收到的數(shù)據(jù)。實驗證明，用DMA方式來傳輸模／數(shù)轉(zhuǎn)換的值，提高了讀取速度和采樣頻率，同時降低了CPU的負荷，具有很好的應(yīng)用價值。

［1］閆建國，孫克怡.STM32中采用DMA實現(xiàn)方波的產(chǎn)生和捕獲［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（10）：67－68，71.

［2］孫彥景.基于ARM處理器的HDLC通信的DMA實現(xiàn)［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007（8）：56－58.

［3］刑麗華，高志鵬，袁德殿.基于散列DMA的高速串口驅(qū)動設(shè)計［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（4）：40－42.

［4］Freescale.K60Sub－Family Reference Manual，2011.