ESM8000異構CPU實時應用——支持高分辨率旋轉編碼器
ESM8000工控主板搭載了NXP i.MX8M Mini Quad 64位異構處理器，包含了一顆主頻1.6GHz的四核ARM Cortex-A53和一顆主頻400MHz 的ARM Cortex-M4。Linux系統在Cortex-A53核心上運行，對于一些實時性要求極高的應用，Linux系統可能無法滿足對中斷事件的及時響應，而且頻繁的中斷響應也會大大的降低操作系統性能。對這類應用場合就可充分利用i.MX8MM異構多核結構，由高性能的Cortex-A53（Linux系統）完成人機交互、數據處理、通訊管理等復雜運算，而對于實時的數據采集、高速的中斷事件響應等實時任務交由Cotex-M4完成。
旋轉編碼器是工業領域最常見的傳感器之一，通過對編碼器輸出的A/B脈沖信號個數及相位的識別，就可以得到精確的轉速或位置信息。以歐姆龍的E6B2系列旋轉編碼器為例，當編碼器分辨率200個脈沖/轉，每分鐘旋轉3000轉時，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，則編碼器輸出脈沖頻率為100KHz。對于高分辨率旋轉編碼器的支持，通常需要SOC內部具有專門針對編碼器硬件的硬件脈沖計數器，或通過獨立的單片機來實現。
對于ESM8000工控主板，主CPU i.MX8MM內部沒有專門的硬件脈沖計數器，但我們可充分利用ESM8000的異構CPU結構，由i.MX8MM內的Cortex-M4 來對編碼器脈沖信號進行解析和計算，而Linux系統只需要直接從M4處獲取計算結果即可。這樣就將高速中斷的響應和處理全部交給了M4，Linux系統幾乎沒有任何負載。我們在M4上運行了FreeRTOS操作系統，具有很高的實時性，根據實際測試可以滿足同時兩路100KHz頻率的脈沖輸入。在Linux側設計了相應的驅動程序和提供相應的驅動程序API，為客戶外接高分辨率旋轉編碼器提供了一種快速低成本的解決方案。
接口硬件說明
下面是歐姆龍旋轉編碼器E6B2-CWZ1X輸出的脈沖信號，對于速度或位置監測，只需要接入A相和B相信號，如果選擇接入?A /?B相，只需要在軟件設置中將初始電平極性設置為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時的波形，此時B相超前A相90°相位。
ESM8000的GPIO僅支持3.3V TTL電平信號輸入，旋轉編碼器的脈沖信號通常需要經過隔離及電平轉換電路后，才能接入ESM8000的相應管腳。ESM8000支持兩路旋轉編碼器對應的管腳如下：
| 編碼器 | 編碼器信號 | ESM8000管腳 | 簡要說明 |
| 旋轉編碼器1 |  | GPIO18 | 支持最高100KHz脈沖輸入3.3V TTL電平信號 |
 | GPIO19 | ||
| 旋轉編碼器2 |  | GPIO20 | |
 | GPIO21 |
接口軟件說明
在ESM8000的Linux系統中，可以通過RPMsg和Crotex-M4進行通訊來獲取相關的信息，關于RPMsg的介紹可以參考《ESM7000異構CPU實時應用之二基于rpmsg的通訊機制》。為了方便使用，英創公司以字符設備的方式提供了相應的驅動文件，加載后會在/dev目錄下生成em_rpmsg_rot0和em_rpmsg_rot1兩個設備節點，分別對應兩路旋轉編碼器的硬件接口。在驅動中會通過RPMsg和Crotex-M4進行通信以及數據的處理，但對于用戶來說是不需要關心的，直接使用標準的字符設備操作函數即可。驅動會將用戶程序對設備的操作通過RPMsg發送給Crotex-M4，然后由Crotex-M4實際對硬件執行對應的操作，如下圖所示：
驅動文件在系統啟動完成后會自動加載，如下圖：
可以看到在/dev目錄下會生成相應的設備節點，按照字符設備的操作操作流程，首先需要調用open函數打開設備節點，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，就可以調用write和read函數來操作設備了，我們使用write函數用于設置旋轉編碼器的采集，我們一共定義了五種操作，分別是設置正極性，設置負極性，開始，停止以及復位。具體定義以及通過write函數設置的代碼如下：
#define ROT_POL_NEGATIVE 0 //負極性，初始電平為低
#define ROT_POL_POSITIVE 1 //正極性，初始電平為高
#define ROT_START 2 //啟動旋轉編碼器采集
#define ROT_RESET 3 //復位計數
#define ROT_STOP 4 //停止旋轉編碼器采集
int cmd;
//設置負極性
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");
}
當啟動了旋轉編碼器之后，程序中可以通過read函數來讀取當前的計數值，計數值為一個整型數據，正負代表方向。根據計數值，根據實際應用的不同就可以計算出位置，角度等數據。
int val;
//讀取計數值，計數值為一個整型數據，正負代表方向
ret = read(fd, &val, sizeof(int));
if(ret < 0) {
printf("read cmd failed!\n");
}
printf("val = %d\n", val);
本文中僅通過旋轉編碼器來獲取位置信息，同樣的方法也可用來實現對轉速的監控，感興趣的客戶，可以和英創的工程師聯系，索取完整的測試代碼。