Cortex-M4內(nèi)核微處理器DMA方式的高速A／D采樣

1 MK60N512VMD100微處理器簡(jiǎn)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(lái)的，其性能比Cortex-M3提高了20％。Cortex-M4在Cortex-M3的基礎(chǔ)上強(qiáng)化了運(yùn)算能力，增加了浮點(diǎn)運(yùn)算控制器、DSP和并行計(jì)算等。MK60N512VMD100具有豐富的通信接口，主頻高達(dá)100MHz，32路DMA供外設(shè)和存儲(chǔ)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(chǔ)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(gè)DMA請(qǐng)求源和16個(gè)DMA通道中的任意一個(gè)映射到一起。16路獨(dú)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(shí)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(gè)通道還提供了周期觸發(fā)功能，由周期性中斷定時(shí)器(PIT)觸發(fā)，這種機(jī)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(gè)特定的總線上的外部設(shè)備。例如：一個(gè)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(huì)請(qǐng)求DMA傳輸，從內(nèi)存中復(fù)制數(shù)據(jù)到緩存。SPI傳輸通過(guò)此通道上的一個(gè)觸發(fā)器每3μs(舉例)自動(dòng)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(wú)需處理器干預(yù)的情況下有效地定期從外部沒備讀取數(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(guò)配置DMA將數(shù)據(jù)傳送到一個(gè)或多個(gè)GPIO端口，可以使用存儲(chǔ)在存儲(chǔ)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(gè)或多個(gè)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(chǔ)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(dá)16位的分辨率，4路差分1 6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(wú)符號(hào)數(shù)右對(duì)齊格式。
當(dāng)應(yīng)用程序需要連續(xù)采樣時(shí)(每秒6 000個(gè)采樣點(diǎn))，CPU可能會(huì)有相當(dāng)大的負(fù)擔(dān)。雖然使用可編程延遲模塊(PDB)可能會(huì)減少一些CPU的負(fù)載，但是ADC支持DMA請(qǐng)求功能在高速采樣時(shí)能獲得更高的性能，ADC在轉(zhuǎn)換完成后通過(guò)DMA中斷請(qǐng)求觸發(fā)DMA。本文就介紹此種方法。

3 軟件設(shè)計(jì)
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。

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(gè)A／D轉(zhuǎn)換開始時(shí)ADACT被置位，當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)換完成或中止時(shí)ADACT被清零。
bit2(DMAEN)：設(shè)置為0則DMA功能禁用，為1時(shí)DMA使能。當(dāng)一個(gè)ADC完成時(shí)發(fā)出 ADCDMA請(qǐng)求。