随着技术的进步，低功耗物联网(IoT)和边缘/云计算需要更精确的数据传输。图1展示的无线监测系统是一个带有24位模数转换器(ADC)的高精度数据采集系统。在此我们通常会遇到这样一个问题，即微控制单元(MCU)能否为数据转换器提供高速的串行接口。

本文描述了设计MCU和ADC之间的高速串行外设接口(SPI)关于数据事务处理驱动程序的流程，并简要介绍了优化SPI驱动程序的不同方法及其ADC与MCU配置。本文还详细介绍了SPI和直接存储器访问(DMA)关于数据事务处理的示例代码。最后，本文演示了在不同MCU（ADuCM4050、MAX32660）中使用相同驱动程序时ADC的吞吐率。

图1. 状态监控。

通用SPI驱动程序简介

通常，MCU厂商会在例程代码中提供通用的SPI驱动程序/API。通用SPI驱动程序/API通常可以涵盖大多数用户的应用，这些代码可能包含许多配置或判断语句。但在某些特定情况下，比如ADC数据采集，通用的SPI驱动程序可能无法满足ADC数据的全速的吞吐速率需求，因为通用的驱动程序中有过多的配置，而未使用的配置会产生额外的开销并导致时间延迟。

图2. 通用API的配置。

设计思路与实践框架

我们通常会选择低功耗高性能的MCU作为主机通过SPI提取ADC的输出数据。但是，由于ADI的SPI驱动程序的数据事务处理命令存在冗余，因此数据输出速率可能被显著降低。为了充分释放ADC的潜在速率，本文使用ADuCM4050和AD7768-1进行实验并尝试可能的解决方案。尽管在使用默认滤波器的情况下，ADuCM4050的最大数据输出速率可达256 kHz，但在当前情况下，其速率被限制在8 kHz。提高输出速率的潜在解决方案包括删除不必要的命令以及激活DMA控制器。本文将在以下小节中介绍这些思路。

图3. 不同ODR以及DRDY与SCLK之间的关系。

以MCU作为主机

ADuCM4050 MCU是一款主时钟速率为26 MHz的超低功耗微控制器，内核为ARM® Cortex®-M4F处理器。ADuCM4050配有三个SPI，每个SPI都有两个DMA通道（接收和发射通道）可与DMA控制器连接。DMA控制器和DMA通道可实现存储器与外设之间的数据传输。这是一种高效的数据分配方法，可将内核释放以处理其他任务。

以ADC作为从机

AD7768-1是一款24位低功耗、高性能的Σ-Δ ADC。其数据输出速率 (ODR)和功耗模式均可根据用户的要求进行配置。ODR由抽取系数和功耗模式共同决定，如表1中所示。

表1. 数据输出速率的功耗模式配置

AD7768-1的连续读取模式也是该产品的一个重要特性。ADC的输出数据存储在寄存器0x6C中。一般而言，每次读/写操作之前，ADC寄存器中的数据都需要地址才可以访问，但是连续读取模式则支持在收到每个数据就绪信号后直接从0x6C寄存器提取数据。ADC的输出数据为24位的数字信号，对应的电压如表2 所示。

表2. 数字输出码和模拟输入电压

引脚连接示意图

ADuCM4050和AD7768-1组成的数据事务处理示例模型的引脚连接如图4所示。

图4. AD7768-1和ADuCM4050的接口引脚连接。

ADC的复位信号引脚RST_1连接至MCU的GPIO28，而数据就绪信号引脚DRDY_1则连接至MCU的GPIO27。其余引脚则根据通用的SPI配置标准进行连接，其中MCU为主机，而ADC为从机。SDI_1接收MCU发送的ADC寄存器读/写命令，而DOUT_1则将ADC的输出数据发送至MCU。

数据事务处理的实现

中断数据事务处理

为实现连续数据事务处理，本文将MCU的GPIO27引脚（连接至ADC 的DRDY_1引脚）用作中断触发引脚。ADC将数据就绪信号发送至 GPIO27时会触发MCU包含数据事务处理命令的中断回调函数。如图5所示，数据采集必须在中断A和中断B之间的时间间隔内进行。

图5. 两次中断的时间间隔。

利用ADI的SPI驱动程序可以在ADC和MCU之间轻松实现数据事务处理。但是，由于驱动程序内存在冗余命令，ADC的ODR会被限制在8 kHz。本文尽可能地精简了代码以加快ODR，将介绍实现DMA 数据事务处理的两种方法：基本模式的DMA事务处理和乒乓模式 的DMA事务处理。

基本模式的DMA事务处理

在实现每个DMA事务处理之前需要对SPI和DMA进行配置（参见图6 中的示例代码）。SPI_CTL为SPI配置，其值为0x280f，源于ADI的SPI 驱动程序的设定值。SPI_CNT为传输字节数。由于每个DMA事务处理只能发送固定的16位数据，因此SPI_CNT必须是2的倍数。本例设置SPI_CNT为4，以满足ADC的24位的输出数据要求。SPI_DMA寄存器为SPI的DMA使能寄存器，设定其值为0x5以使能DMA接收请求。命令pADI_DMA0->EN_SET=(1<<5)使能第五个通道的DMA，即SPI0 RX。

图6. 基本DMA事务处理模式的代码。

每个DMA通道都有一个DMA结构寄存器，如表3中所示。需要指出的是，这里的数据来源地址的结尾（即SPI0 Rx，亦即来源端指针SRC_END_PTR）在整个操作期间无需增加，因为Rx FIFO会自动 将寄存器中的数据推送出去。另一方面，数据目标地址的结尾（即目标端指针DST_END_PTR）根据ADI的SPI驱动程序的使用函数计算得出，即目标地址+ SPI_CNT -2。

表3. DMA结构寄存器

当前地址为内部数组缓冲区的地址。DMA控制数据配置CHNL_CFG 包括来源数据大小、来源地址增量、目标地址增量、剩余传输次数和DMA控制模式等设置，其值0x4D000011按照表4中所述的设置配置。

表4. 控制数据配置0x4D00011的DMA配置

SCLK时钟通过伪读取命令SPI_SPI0 -> RX启动，输出数据通过MISO 从ADC传至MCU。MOSI上其它的数据传输可以忽略不计。一旦完成 Rx的FIFO填充，DMA请求就会生成从而激活DMA控制器，以将数据从 DMA来源地址（即SPI0 Rx FIFO）传输至DMA目标地址（即内部数组的缓冲区）。值得注意的是，SPI_DMA=0x3时会生成Tc请求。

最后，通过将当前目标地址加4的方式将目标地址用于下一个4 字节的传输。

请注意，SPI0 DMA通道的pADI_DMA0->DSTADDR_CLR和pADI_ DMA0->RMSK_CLR必须在首次中断触发之前在主函数中设置。前一个为DMA通道目标地址减量使能清零寄存器，用于在增量模式下设置每次DMA传输后的目标地址移位（目标地址计算函数仅在增量模式下有效）。后一个为DMA通道请求屏蔽清零寄存器，用于将通道的DMA请求状态清零。

基本模式的DMA事务处理时间图如图7a所示。图中三个时隙分别代表DRDY信号、SPI/DMA设置和DMA数据事务处理。在该模式中，CPU的空闲时间较多，因此希望DMA控制器在处理数据传输时能将任务分配给CPU。

图7. (a)基本模式DMA和(b)乒乓模式的时间图。

乒乓模式的DMA事务处理

在执行伪读取命令后，DMA控制器会开始数据事务处理，从而使得MCU的CPU处于空闲状态而不处理任何任务。如果能够让CPU和 DMA控制器同时工作，那么任务处理就从串行模式转变为并行模式。这样，就可以同时进行DMA配置（通过CPU）以及DMA数据事务处理（通过DMA控制器）。为实现这一思路，需要设置DMA控制器处于乒乓模式。乒乓模式将两组DMA结构进行了整合：主结构和备用结构。每次DMA请求时，DMA控制器会在两组结构之间自动切换。变量p的初始设置为0，其值表示是主DMA结构(p = 0) 还是备用DMA结构(p = 1)负责数据事务处理。如果p = 0，则在收到伪读取命令时启动主DMA结构进行数据事务处理，同时会为备用DMA结构分配值，使其在下一个中断周期内负责数据事务处理。如果p = 1，则主结构和备用结构的作用互换。当仅有主结构处于基本DMA模式时，在DMA事务处理期间对DMA结构的修改会失败。乒乓模式使得CPU能够访问和写入备用DMA结构，而DMA控制器可以读取主结构，反之亦然。如图7b所示，由于DMA的结构配置是在最后一个周期内完成的，因此在DRDY信号从ADC传送至 MCU后DMA数据事务处理可以被立即执行，使得CPU和DMA同时工作而无需等待。现在，ADC的ODR得到了提升空间，因为总的工作时间已大大缩短。

中断处理程序的优化

两次DRDY信号之间的时间间隔不仅包括了中断回调函数的命令执行时间，还包括了ADI的GPIO中断处理函数的命令执行时间。

当MCU启动时，CPU会运行启动文件（即startup.s）。所有事件的处理函数均在该文件中定义，包括GPIO中断处理函数。一旦触发GPIO中断，CPU就会执行中断处理函数（即ADI的GPIO驱动程序中的GPIO_A_INT_HANDLER和GPIO_B_INT_HANDLER）。通用的中断处理函数会在所有的GPIO引脚中搜索触发中断的引脚并清零其中断状态、运行回调函数。由于DRDY是本文应用的唯一中断信号，因此可以对函数进行简化以加快进程。可选的解决方案包括 (1)在启动文件中重新定位目标，以及(2)修改原始的中断处理函数。重新定位目标意味着自定义中断处理函数，并替换启动文件中的原始的中断处理函数。

而修改原始的中断处理函数只需要添加一个自定义的GPIO驱动程序。本文采用第二种方案修改原始的中断处理函数，如图8所示。该方案只将连接至DRDY的GPIO的引脚中断状态清零，并直接转到回调函数。请注意，这里需要通过取消选择build target中关于原始GPIO驱动函数的勾选框内容来隔离原始的GPIO驱动程序。

图8. 嵌套矢量中断控制器(NVIC)。

结果

速率性能

假定现在需要读取200个24位的ADC输出数据，并且SPI位速率设置为13 MHz。将DRDY信号和SCLK信号的引脚连接至示波器,可以通过观察DRDY信号与SPI数据事务处理（亦即DMA事务处理）启动之间的时间间隔的方法可以量化本文所述的每种方法对速率的改善程度。这里将DRDY信号至SCLK信号开始的时间间隔记为∆t，那么对于13 MHz的SPI速率，测量得出的∆t为：

• (a)基本模式DMA Δt = 3.754 μs 

• (b)乒乓模式DMA Δt = 2.8433 μs 

• (c)乒乓模式DMA（使用优化的中断处理函数）Δt = 1.694 μs 

方法(a)和(b)可支持64 kHz的ODR，而方法(c)可支持128 kHz的ODR。这是因为方法(c)的∆t最短，从而使得SCLK信号能够更早结束。如果 SCLK信号（即数据事务处理）能在T/2之前完成（T为当前ADC的数据输出周期），则ODR可实现翻倍。这较之于原始的ADISPI驱动程序可以达到的8 kHz的ODR性能是一次巨大的进步。

图9. (a)基本模式DMA、(b)乒乓模式以及(c)乒乓模式（使用优化的中断处理函数）的Δt。

使用MAX32660控制AD7768-1

使用主时钟速率为96 MHz的MCU MAX32660控制AD7768-1）时的结果如何？在该情况下，使用优化的中断处理函数的中断设置，可在不使用DMA函数的情况下实现256 kHz的数据输出速率。参见图10。

图10. 不使用DMA时MAX32660的ODR。

结论

本文利用选定的ADC(AD7768-1)和MCU（ADuCM4050或MAX32660）通过 SPI实现了高速的数据事务处理。为实现速率优化的目标，本文简化了ADI的SPI驱动程序执行数据事务处理。此外本文提出，激活DMA控制器释放内核也可以加快连续数据事务处理的流程。在 DMA的乒乓模式下，DMA的配置时间可通过适当的调度来节省。在此基础上，还可以通过直接指定中断引脚的方式优化中断处理函数。在13 MHz的SPI位速率下，本文提出的方案的最佳性能可达到128 kSPS的ADC ODR。

表5. 使用ADuCM405和MAX32660实现的高速SPI连接

很多MCU开发者对MCU晶体两边要各接一个对地电容的做法表示不理解，因为这个电容有时可以去掉。参考很多书籍，却发现书中讲解的很少，提到最多的往往是：对地电容具稳定作用或相当于负载电容等，都没有很深入地去进行理论分析。

另外一方面，很多爱好者都直接忽略了晶体旁边的这两个电容，他们认为按参考设计做就行了。但事实上，这是MCU的振荡电路，又称“三点式电容振荡电路”，如下图所示。

MCU三点式电容振荡电路

其中，Y1是晶体，相当于三点式里面的电感；C1和C2是电容，而5404和R1则实现了一个NPN型三极管（大家可以对照高频书里的三点式电容振荡电路）。相关推荐:单片机中晶振的工作原理是什么？

接下来将为大家分析一下这个电路    

首先，上面电路图中5404必须搭一个电阻，不然它将处于饱和截止区，而不是放大区，因为R1相当于三极管的偏置作用，能让5404处于放大区域并充当一个反相器，从而实现NPN三极管的作用，且NPN三极管在共发射极接法时也是一个反相器。    

其次将用通俗的方法为大家讲解一下这个三点式振荡电路的工作原理。    

众所周知，一个正弦振荡电路的振荡条件为：系统放大倍数大于1，这个条件较容易实现；但另一方面，还需使相位满足360°。而问题就在于这个相位：由于5404是一个反相器，因此已实现了180°移相，那么就只需C1、C2和Y1再次实现 180°移相就可以了。恰好，当C1、C2和Y1形成谐振时，就能实现180移相；最简单的实现方式就是以地作为参考，谐振的时候，由于C1、C2中通过的电流相同，而地则在C1、C2之间，所以恰好电压相反，从而实现180移相。    

再则，当C1增大时，C2端的振幅增强；当C2降低时，振幅也增强。有时即使不焊接C1、C2也能起振，但这种现象不是由不焊接C1、C2的做法造成的，而是由芯片引脚的分布电容引起，因为C1、C2的电容值本来就不需要很大，这一点很重要。

那么，这两个电容对振荡稳定性到底有什么影响呢？    

由于5404的电压反馈依靠C2，假设C2过大，反馈电压过低，这时振荡并不稳定；假设C2过小，反馈电压过高，储存能量过少，则容易受外界干扰，还会辐射影响外界。而C1的作用与C2的则恰好相反。在布板的时候，假设为双面板且比较厚，那么分布电容的影响则不是很大；但假设为高密度多层板时，就需要考虑分布电容，尤其是VCO之类的振荡电路，更应该考虑分布电容。    

因此，那些用于工控的项目，建议最好不要使用晶体振荡，而是直接接一个有源的晶振。    

很多时候大家会采用32.768K的时钟晶体来做时钟，而不是通过单片机的晶体分频来做时钟，其中原因想必很多人也不明白，其实上这是和晶体的稳定度有关：频率越高的晶体，Q值一般难以做高，频率稳定度也比较差；而 32.768K晶体在稳定度等各方面的性能表现都不错，还形成了一个工业标准，比较容易做高。另外值得一提的是，32.768K是16 bit数据的一半，预留最高1 bit进位标志，用作定时计数器内部数字计算处理也非常方便。

近日，四维图新旗下杰发科技首颗功能安全车规级MCU芯片AC7840x交付多家标杆客户并进行规模应用，产品和服务质量获得市场认可，此举代表AC7840x正式量产，拓展了国产MCU在汽车电子领域的应用，是杰发科技迈向“中国芯”的又一重要里程碑和全新突破。

AC7840x

AC7840x是基于ARM Cortex-M4F内核的车规级MCU，符合AEC-Q100 Grade 1要求，功能安全达到ISO 26262 ASIL-B等级，信息安全方面支持SHE标准、通信加密和安全启动。软件生态支持AUTOSAR MCAL4.4，可提供MCAL及配置工具，并适配国内外主流三方AUTOSAR方案。AC7840x拥有双Bank Flash用于存储程序，支持OTA。目前AC7840x可广泛应用于汽车车身、座舱、车灯、新能源以及电机控制等领域。

AC7840x技术规格

AC7840x-AUTOSAR

AC7840x支持基于AUTOSAR标准架构的系统开发，可以大幅提高软件复用率，加速开发和维护，优化可扩展系统的成本，方便主机厂或第三方做应用。杰发科技已全面融入AUTOSAR生态，可适配包括EB、普华等在内的国内外主流的BSW厂商。AUTOSAR的规范运用使得不同结构的电子控制单元的接口特征标准化，应用软件具备更好的可扩展性和可移植性，能够实现对现有软件的复用，大大降低了重复性工作，缩短开发周期。

AC7840x功能安全

AC7840x功能安全符合ISO 26262 ASIL-B，其功能安全架构、开发流程、设计实现及硬件诊断覆盖率均达到了全球公认的汽车功能安全标准，AC7840x可以为汽车电子应用提供安全保护方案，满足世界一流OEM和TIER 1的功能安全开发要求。除产品功能认证外，杰发科技已提前为下一代功能安全MCU做了完善部署，按照ISO 26262:2018标准要求，建立起完善的符合汽车功能安全最高等级（ASIL-D）的产品开发流程体系，成立了经验丰富的功能安全认证团队，目前认证正在进行中。

AC7840x信息安全

在信息安全方面，AC7840x符合SHE标准，SHE通过规范硬件设计，形成软硬件结合的网络安全解决方案；同时，AC7840x支持安全启动，并通过通信加密防止通信攻击，配备完整性检查防篡改，全方位规避系统容易遭受攻击的问题，从而更好地保护汽车秘钥系统。

AC7840x已建立完整生态，可提供丰富的文档、通用开发套件，驱动接口函数库、应用例程、MCAL等开发资料。在工具方面，AC7840x支持主流开发环境如KEIL，IAR，GreenHills，Eclipse等，调试工具支持ATC-LINK，U-LINK，J-LINK，量产烧录工具支持PEmicro，Junda，Xeltek，Opteeq，Acroview，Armfly等。

 前言

随着智能科技的快速发展，电动滑板车的驱动系统也得到了长足的发展。国内外的电动滑板车用电机驱动系统分为传统刷式电机和无刷电机两种类型。其中，传统的刷式电机已经逐渐被无刷电机所取代，无刷电机的性能和寿命都更出色，已成为电动滑板车驱动系统的主流。

根据QYRESEARCH数据显示，2020年，全球电动滑板车产量为425万辆。预计2027年产量达到1001万辆，2021-2027年复合增长率12.35%。2020年全球总产值达12.1亿美元。全国范围内，2020年中国的产量达364万辆，占全球电动滑板车总产量的85.52%；其次北美产量达53万辆，占全球的12.5%，电动滑板车行业总体继续保持稳健增长，协调发展的良好态势，欧美日大部分从中国进口电动滑板车。

01、ACM32F403系列芯片规格介绍

•  采用M33内核，主频最高可达180MHz，处理性能最高可达248DMIPS（基于Dhrystone 2.1测试）

•  工作电压范围：1.7V~3.6V

•  eFlash：256KB/512KB

•  SRAM：96KB/192KB

•  高速高精度ADC，12位分辨率，2Msps

•  高级定时器1个，支持六步 PWM 输出，32位通用计时器1个，16位通用计时器6个

•  通讯接口丰富：UART×4，LPUART×1，SPI×3，I2C×2，I2S×1，CAN×2，USBFS×1

•  封装类型丰富：

QFN32/LQFP48/LQFP64/LQFP100

•  车规级工作范围：-40℃~125℃

•  工业级ESD标准：4000V(HBM)

•  内建 AES、 CRC、 TRNG等算法模块，支持数学硬件加速

02、上海航芯电动滑板车驱动方案

上海航芯电动滑板车方案采用ACM32F403作为主控芯片，主要电力来源为24V锂电池组，通过电源转换，为控制系统供电，同时也提供MOS的门级驱动。通过HALL传感器获取轮毂电机的位置信息以及相位，通过高速ADC采样相关电流。

03、有感FOC电机控制

系 统 采 用 磁 场 导 向 控 制 （Field-oriented Control，FOC） 算法，FOC算法的实质是运用坐标变换将三相静止坐标系下的电机相电流转换到相对于转子磁极轴线静止的旋转坐标系上，通过控制旋转坐标系下的矢量大小和方向达到控制电机目的。

具体控制过程如下：

（1）设置iq_Ref的值来控制电机转矩输出，将iq_Ref设置为0

（2）测量三相定子电流ia、ib、ic。参照结合基尔霍夫定律：ia+ib+ic=0因此，实际上只要测量A相和B相定子电流ia和ib，C相定子电流就能够借助上面的公式计算出来

（3）将测得的三相定子电流借助Clarke变换变换到二相静止坐标系α-β坐标系中，得到iα和iβ

（4）借助位置编码器检测转子角度，得到电角度θ。如下图，d-q旋转坐标系相对于α-β静态坐标系逆时针旋转角度θ，得到id，iq。在稳态条件下，Id和Iq是常数

（5）将id和iq的实际值与各自信号的参考值id_Ref和iq_Ref进行比较得到误差信号。将误差信号输入PI控制器，得到应当需要施加在电机上的电压矢量Vd和Vq

（6）借助新的电角度，将PI控制器输出的电压矢量Vd和Vq借助Park逆变换到静止参考系α-β，求出正交电压值Vα和Vβ

（7）Vα和Vβ经Clarke3逆变换得到三相定子应当需要施加的电压值Va、Vb、Vc

（8）3相电压值Va、Vb、Vc可用于计算新的PWM占空比值，并借助SVM机制更新各相PWM输出，生成所需的电压矢量。这个过程也称为SVPWM

（9）参照结合控制对象当前状态更新参考值iq_Ref，然后返回1）开始新一轮调整

结 语

随着社会环保意识的提高和城市交通拥堵问题的加剧，电动滑板车作为一种绿色、便携、省钱的交通工具，将会越来越受欢迎。各国向人们提供旅游补贴，提倡绿色旅游，中国对欧洲的自行车和电动滑板车出口猛增。中国有一个完整的产业链，从零部件到整车装配，电动滑板车的未来仍是一个不断升温的过程。

想问下大家，你们公司产品在生产的时候，都通过什么方法下载程序呢？
今天给大家分享几种下载程序的方法，看你见过几种。

通过【IDE】下载程序

通过IDE下载程序，就是将单片机（板子）用烧写器直接电脑，用IDE（比如：Keil）直接下载程序：

类似这样：

这个方法你是不是觉得很Low？初学单片机新手应该都这么干过。
这种方法确实很low，但确实有公司这么用于生成下载程序。
这种操作，一般在很少的小公司，产品的量非常小，而且非常缺少人手（开发工程师兼顾生产）。

通过【编程工具】下载程序

通过编程工具（大家所说的烧录软件，比如：STM32prog、STC-ICP等）直接下载程序，是很多公司都在用的一种比较常见的方法。

一般单片机厂家都配套有对应的烧录软件，以及下载器，像51、MSP430、STM32等这些单片机都有对应的工具。
类似STM32：

这种操作是比较常见的一种（其实IDE中也算是集成了这种编程软件），一般产品有一定量（几千以内吧），但不是非常多的情况。

通过【脱机烧录器】下载程序

之前量产时，通过【编程工具】下载程序的方式比较多，但随着【脱机烧录器】的普及，然后兼容的单片机类型也越来越多，通过【脱机烧录器】量产下载程序的方式也越来越多了。
通过【脱机烧录器】免去了电脑端，操作也更简单（一键下载程序）。

现在市面上的【脱机烧录器】有很多，随便某宝一搜，出来一大堆，比如：正点原子的Mini-Pro脱机下载器、安富莱的H7-TOOL等都支持脱机下载程序。（图片来源正点原子）
这种方法现在也是大面积在使用了，如果产品生成的量大，也是建议用这种脱机烧录的方法。

通过【原厂】下载程序

如果你生成的量比较大，可以直接从原厂购买芯片，而且可以让原厂帮你把程序直接下载到芯片。
你拿到芯片的时候，里面就已经下载好了程序，而不用再单独下载程序了。

（图片来源某宝）

这种方法一般要求量比较大（数十万的量级），量小了，别人也不会答应的。
这种方法可以不用在板卡上留下载接口（比如：SWD），自己也可以用“烧录座”提前下载程序，再焊接芯片。我们之前公司就这么干过。

（图片来源某宝）