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(yùn)行速度240MHz、帶硬件浮點(diǎn)運(yùn)算的ARM Cortex-M4內(nèi)核。Linux系統(tǒng)在Cortex-A7核心上運(yùn)行，對于一些實(shí)時(shí)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(shí)響應(yīng)，而且頻繁的中斷響應(yīng)也會(huì)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(jī)交互、數(shù)據(jù)處理、通訊管理等復(fù)雜運(yùn)算，而對于實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集、高速的中斷事件響應(yīng)等實(shí)時(shí)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(hào)個(gè)數(shù)及相位的識(shí)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(gè)脈沖/轉(zhuǎn)，每分鐘旋轉(zhuǎn)3000轉(zhuǎn)時(shí)，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(gè)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(jì)數(shù)器，或通過獨(dú)立的單片機(jī)來實(shí)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(jì)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(hào)進(jìn)行解析和計(jì)算，而Linux系統(tǒng)只需要直接從M4處獲取計(jì)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(yùn)行了FreeRTOS操作系統(tǒng)，具有很高的實(shí)時(shí)性，根據(jù)實(shí)際測試可以滿足同時(shí)兩路100KHz頻率的脈沖輸入。在Linux側(cè)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序和提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)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(hào)，對于速度或位置監(jiān)測，只需要接入A相和B相信號(hào)，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(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)的波形，其特點(diǎn)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(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的波形，此時(shí)B相超前A相90°相位。

ESM7000的GPIO僅支持3.3V TTL電平信號(hào)輸入，旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號(hào)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(hào)	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(shí)時(shí)應(yīng)用之二基于rpmsg的通訊機(jī)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(dòng)文件，加載后會(huì)在/dev目錄下生成em_rpmsg_rot0和em_rpmsg_rot1兩個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，分別對應(yīng)兩路旋轉(zhuǎn)編碼器的硬件接口。在驅(qū)動(dòng)中會(huì)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(dòng)會(huì)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(shí)際對硬件執(zhí)行對應(yīng)的操作，如下圖所示：

驅(qū)動(dòng)文件在系統(tǒng)啟動(dòng)完成后會(huì)自動(dòng)加載，如下圖：

可以看到在/dev目錄下會(huì)生成相應(yīng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)，成功后會(huì)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(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器采集  
#define ROT_RESET            3        //復(fù)位計(jì)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(dòng)    
cmd = ROT_START;    
ret = write(fd, &cmd, sizeof(cmd));    
if(ret < 0) {    
      printf("write cmd failed!\n");    
}

當(dāng)啟動(dòng)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(jì)數(shù)值，計(jì)數(shù)值為一個(gè)整型數(shù)據(jù)，正負(fù)代表方向。根據(jù)計(jì)數(shù)值，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的不同就可以計(jì)算出位置，角度等數(shù)據(jù)。

int val;  
  
//讀取計(jì)數(shù)值，計(jì)數(shù)值為一個(gè)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(shí)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。