ESM7000異構(gòu)CPU實時應(yīng)用——支持高分辨率旋轉(zhuǎn)編碼器
ESM7000是英創(chuàng)基于i.MX7D處理器開發(fā)的低功耗高性能工控主板，支持雙網(wǎng)口、6串口、雙CAN總線接口、PCIe、ISA總線等豐富的通訊接口，支持18-bit并行RGB或LVDS顯示接口。主CPU i.MX7D是NXP推出的異構(gòu)多核處理器，配置了主頻高達(dá)1GHz的ARM Cortex-A7雙核和一顆運行速度240MHz、帶硬件浮點運算的ARM Cortex-M4內(nèi)核。Linux系統(tǒng)在Cortex-A7核心上運行，對于一些實時性要求極高的應(yīng)用，Linux系統(tǒng)可能無法滿足對中斷事件的及時響應(yīng)，而且頻繁的中斷響應(yīng)也會大大的降低操作系統(tǒng)性能。對這類應(yīng)用場合就可充分利用i.MX7D異構(gòu)多核結(jié)構(gòu)，由高性能的Cortex-A7（Linux系統(tǒng)）完成人機交互、數(shù)據(jù)處理、通訊管理等復(fù)雜運算，而對于實時的數(shù)據(jù)采集、高速的中斷事件響應(yīng)等實時任務(wù)交由Cotex-M4完成。
旋轉(zhuǎn)編碼器是工業(yè)領(lǐng)域最常見的傳感器之一，通過對編碼器輸出的A/B脈沖信號個數(shù)及相位的識別，就可以得到精確的轉(zhuǎn)速或位置信息。以歐姆龍的E6B2系列旋轉(zhuǎn)編碼器為例，當(dāng)編碼器分辨率200個脈沖/轉(zhuǎn)，每分鐘旋轉(zhuǎn)3000轉(zhuǎn)時，編碼器輸出脈沖頻率為10KHz，如果將編碼器分辨率提高到2000個脈沖/轉(zhuǎn)，則編碼器輸出脈沖頻率為100KHz。對于高分辨率旋轉(zhuǎn)編碼器的支持，通常需要SOC內(nèi)部具有專門針對編碼器硬件的硬件脈沖計數(shù)器，或通過獨立的單片機來實現(xiàn)。
對于ESM7000工控主板，主CPU i.MX7D內(nèi)部沒有專門的硬件脈沖計數(shù)器，但我們可充分利用ESM7000的異構(gòu)CPU結(jié)構(gòu)，由i.MX7D內(nèi)的Cortex-M4 來對編碼器脈沖信號進(jìn)行解析和計算，而Linux系統(tǒng)只需要直接從M4處獲取計算結(jié)果即可。這樣就將高速中斷的響應(yīng)和處理全部交給了M4，Linux系統(tǒng)幾乎沒有任何負(fù)載。我們在M4上運行了FreeRTOS操作系統(tǒng)，具有很高的實時性，根據(jù)實際測試可以滿足同時兩路100KHz頻率的脈沖輸入。在Linux側(cè)設(shè)計了相應(yīng)的驅(qū)動程序和提供相應(yīng)的驅(qū)動程序API，為客戶外接高分辨率旋轉(zhuǎn)編碼器提供了一種快速低成本的解決方案。
接口硬件說明
下面是歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器E6B2-CWZ1X輸出的脈沖信號，對于速度或位置監(jiān)測，只需要接入A相和B相信號，如果選擇接入`A /`B相，只需要在軟件設(shè)置中將初始電平極性設(shè)置為1(高電平)即可。
上圖的左邊是A、B相在編碼器順時針方向旋轉(zhuǎn)時的波形，其特點是A相脈沖超前B相脈沖90°相位。而圖的右邊是編碼器逆時針旋轉(zhuǎn)時的波形，此時B相超前A相90°相位。
ESM7000的GPIO僅支持3.3V TTL電平信號輸入，旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號通常需要經(jīng)過隔離及電平轉(zhuǎn)換電路后，才能接入ESM7000的相應(yīng)管腳。ESM7000支持兩路旋轉(zhuǎn)編碼器對應(yīng)的管腳如下：
| 編碼器 | 編碼器信號 | ESM7000管腳 | 簡要說明 |
| 旋轉(zhuǎn)編碼器1 |  | GPIO18 | 支持最高100KHz脈沖輸入，3.3V TTL電平 |
 | GPIO19 | ||
| 旋轉(zhuǎn)編碼器2 | | GPIO20 | |
| GPIO21 |
接口軟件說明
在ESM7000的Linux系統(tǒng)中，可以通過RPMsg和Crotex-M4進(jìn)行通訊來獲取相關(guān)的信息，關(guān)于RPMsg的介紹可以參考《ESM7000異構(gòu)CPU實時應(yīng)用之二基于rpmsg的通訊機制》。為了方便使用，英創(chuàng)公司以字符設(shè)備的方式提供了相應(yīng)的驅(qū)動文件，加載后會在/dev目錄下生成em_rpmsg_rot0和em_rpmsg_rot1兩個設(shè)備節(jié)點，分別對應(yīng)兩路旋轉(zhuǎn)編碼器的硬件接口。在驅(qū)動中會通過RPMsg和Crotex-M4進(jìn)行通信以及數(shù)據(jù)的處理，但對于用戶來說是不需要關(guān)心的，直接使用標(biāo)準(zhǔn)的字符設(shè)備操作函數(shù)即可。驅(qū)動會將用戶程序?qū)υO(shè)備的操作通過RPMsg發(fā)送給Crotex-M4，然后由Crotex-M4實際對硬件執(zhí)行對應(yīng)的操作，如下圖所示：
驅(qū)動文件在系統(tǒng)啟動完成后會自動加載，如下圖：
可以看到在/dev目錄下會生成相應(yīng)的設(shè)備節(jié)點，按照字符設(shè)備的操作操作流程，首先需要調(diào)用open函數(shù)打開設(shè)備節(jié)點，成功后會就返回句柄：
int fd;
fd = open("/dev/em_rpmsg_rot1", O_RDWR);
if(fd < 0) {
printf("open device failed!\n");
return fd;
}通過返回的句柄，就可以調(diào)用write和read函數(shù)來操作設(shè)備了，我們使用write函數(shù)用于設(shè)置旋轉(zhuǎn)編碼器的采集，我們一共定義了五種操作，分別是設(shè)置正極性，設(shè)置負(fù)極性，開始，停止以及復(fù)位。具體定義以及通過write函數(shù)設(shè)置的代碼如下：
#define ROT_POL_NEGATIVE 0 //負(fù)極性，初始電平為低
#define ROT_POL_POSITIVE 1 //正極性，初始電平為高
#define ROT_START 2 //啟動旋轉(zhuǎn)編碼器采集
#define ROT_RESET 3 //復(fù)位計數(shù)
#define ROT_STOP 4 //停止旋轉(zhuǎn)編碼器采集
int cmd;
//設(shè)置負(fù)極性
cmd = ROT_POL_NEGATIVE;
ret = write(fd, &cmd, sizeof(cmd));
if(ret < 0) {
printf("write cmd failed!\n");
}
//啟動
cmd = ROT_START;
ret = write(fd, &cmd, sizeof(cmd));
if(ret < 0) {
printf("write cmd failed!\n");
}當(dāng)啟動了旋轉(zhuǎn)編碼器之后，程序中可以通過read函數(shù)來讀取當(dāng)前的計數(shù)值，計數(shù)值為一個整型數(shù)據(jù)，正負(fù)代表方向。根據(jù)計數(shù)值，根據(jù)實際應(yīng)用的不同就可以計算出位置，角度等數(shù)據(jù)。
int val;
//讀取計數(shù)值，計數(shù)值為一個整型數(shù)據(jù)，正負(fù)代表方向
ret = read(fd, &val, sizeof(int));
if(ret < 0) {
printf("read cmd failed!\n");
}
printf("val = %d\n", val);本文中僅通過旋轉(zhuǎn)編碼器來獲取位置信息，同樣的方法也可用來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的監(jiān)控，感興趣的客戶，可以和英創(chuàng)的工程師聯(lián)系，索取完整的測試代碼。