先楫半导体HPM 16 位ADC+ENET开发案例：以2MSPS进行采样，通过ENET LWIP TCP方式发送到上位机
1. 简介
HPM6000 系列 MCU 是来自上海先楫半导体科技有限公司的高性能实时 RISC-V 微控制器，为工业自动化及边缘计算应用提供了极大的算力、高效的控制能力。上海先楫半导体目前已经发布了如 HPM6700/6400、HPM6300、HPM6200 等多个系列的高性能微控制器产品。
在 HPM6700/6400、6300 系列微控制器上均支持 16 位 ADC 采样和百兆以太网外设。HPM6300 系列支持 3 个 16 位的 ADC 转换器，可以转换来自外部引脚以及芯片内部的模拟信号。ADC 的转换精度设置为 16 位时，最大采样率 2MSPS，ADC 的转换精度设置为 12 位时，最大采样率 4MSPS。ADC 支持读取转换模式、周期转换模式、序列转换模式和抢占转换模式。
本文以先楫半导体 HPM6300 开发板为例介绍以 2MSPS 采样率进行 16 位 ADC 采样并将采样数据通过 ENET LWIP TCP 的方式发送到上位机的应用，ADC 采样使用抢占转换模式、PWM 触发的方式，ENET LWIP TCP 每次发送 1024 个 16 位采样数据。
该方案通过 PWM 特定时刻触发 ADC 采样和触发 HDMA 转换 ADC 数据，并依靠 HDMA 链式模式，做成循环链表，考虑到中断响应占用 CPU 资源，在链式任务中增加状态标识，从而不启用中断，以此达到 ADC 采样及数据转换全自动完成，无需 CPU 参与，且 将转换后的数据放到 ILM/DLM，CPU 零等待访问。最终达到性能最优。
2. 整体方案
图 2-1 所示为 ADC16 采样和 LWIP TCP 传输应用的整体框架图。主要包括 ADC 采样 和 LWIP TCP 发送两个部分。
图 2-1 ADC16 采样和 LWIP TCP 传输整体框架
ADC16 的采样数据由于包含采样通道等信息，实际长度是 32 位。为了减少数据传输量 并且便于后续的应用，只取其中的 16 位有效数据进行传输。采用乒乓 buff 的方式存储 ADC16 的采样数据，adc buff 长度是 LWIP TCP 发送数据长度的 2 倍即 2048 个采样数 据。DMA 链式传输时，首先将 ADC16 数据存在前 1024 个数据，此时 adc_done[0]置 1，此时触发 LWIP TCP 发送前半部分数据并将 adc_done[0]置 0；DMA 转换的结果继续存储在 adc buff 的后 1024 个数据，当 adc buff 存满，adc_done[1]置 1，此时触发 LWIP TCP 发送后半部分数据并将 adc_done[1]置 0；循环此过程即可完成 ADC16 的 2MSPS 采样并通过 LWIP TCP 发送到上位机的功能。
图 2-2 CPU 任务与 DMA 任务并行运行
图 2-2 为 CPU 任务与 DMA 任务并行运行图，CPU 负责检查 adc_done 的状态以及 发送采样数据，DMA 进行链式任务的执行。ADC 的采样和数据转换及状态标识均自主完成， 无需 CPU 参与。adc buff 和 adc_done 均放在 fast RAM 中的 ILM/DLM 区，CPU 可零等待访问。
3. ADC16 采样功能
3.1 PWM 触发 ADC 采样及 DMA 链式传输
ADC16 的采样使用 2MSPS 的 PWM 进行触发。在 PWM 的计数器为 1 的时候触发采 样转换，在 PWM 的计数器为 reload - 2 时开始触发 DMA 数据转换，将 32 位采样数据 转换为 16 位。图 3-1 为 PWM 触发 ADC 采样及 DMA 传输的流程。
图 3-1 PWM 触发 ADC16 采样流程
3.2 DMA 链式传输
HPM6000 系列的 DMA 支持链式连接多个任务，该方案利用这一特点，将 ADC 数据转换和状态标识分为四个子任务，并做成循环链表，DMA 自动循环完成各个任务。这种方案不使用 CPU 的中断，降低 CPU 的负荷。DMA 采样硬件握手的方式，在 PWM 的计数器为 reload-2 时刻触发硬件握手，此时将 32 位采样数据转成 16 位。
四个任务分别为 ADC16 采样数据存放至 adc buff 前 1024 个位置、adc_done[0]置 1、 ADC16 采样数据存放至 adc buff 后 1024 个位置、adc_done[1]置 1。各任务通过 adc_descriptors1 数组连接起来，顺序循环执行。
图 3-2 DMA 链式执行任务
由于采样数据包含了一些采样通道等信息，ADC16 采样数据实际是 32bit 的。为了减少 传输的数据量，在 ADC16 采样数据存放至 adc buff 的任务中，DMA 中取数据时只取采样 数据的低 16bit 存放至 adc buff。这个功能可以通过配置 DMA 源地址和目的地址的数据 宽度为 16bit 来实现。
将标志位 adc_done 置 1 的任务目的是通知以太网发送任务当前的 buff 可以发送出 去，执行以太网发送任务时，会将对应的 adc_done置 0。
4. LWIP TCP 发送功能
ADC16 的采样数据每达到 1024 个则通过 LWIP TCP 发送到上位机，以太网发送采用 polling 的方式，在发送任务中轮询查询 adc_done 的状态，根据 adc_done 的值确定下 一步执行的任务。ADC 采样数据是 16bit 的，2MSPS 的采样率，发送数据需要以太网的速 率达4MBytes/s。使用百兆以太网进行传输 ADC 采样数据。
图 4-1 LWIP TCP 发送 ADC 数据流程
图 4-1 是通过 LWIP TCP 发送 ADC 数据的流程图，tcp_poll_handle 中函数轮询 adc_done 的状态，adc_done 的值为 1 则表示 ADC 数据已经更新，此时可以发送， adc_done 的值为 0 表示数据不需要发送。如果 adc_done[0]、adc_done[1]同时为 1，则表示以太网速率不够，有未发送的数据，此时会通过串口打印错误。
根据 adc_done[0]、adc_done[1]的状态确定发送 adc buff 的前 1024 个数据还是后 1024 个数据，在执行发送任务前将对应的 adc_done标志位置0。
5. 测试验证
将上文实现的 ADC16 采样通过 LWIP TCP 的方式发送到上位机的方案在 HPM6300EVK 上进行验证。
a.验证 ADC 采样数据的准确性，本例使用 ADC 的输入为 0V 以及 3.3V 进行测试验证。 验证结果如图 5-1 和图 5-2所示。
图 5-1 ADC 输入为 0V时的采样数据
图 5-2 ADC 输入为 3.3V 时的采样数据
实测在 ADC 的输入为 0V 和 3.3V 时采样结果正确。
b.验证以太网与 ADC 同时运行时数据发送的是否正确，验证方法：将原本以太网要发 送的 adc buff 替换成发送测试 buff 的内容，测试 buff 中的数据是固定的，测试 buff 中 的值与数组下标下同，即 buff[0]为 0，buff[1]的值为 1，以此类推。让以太网发送固定的 数据，从上位机接收的数据查看数据是否完整、正确。当 adc_done[0]置 1 时，发送 0~1023 共 1024 个数据；当 adc_done[1]置 1 时，发送 1024~2047（0x7ff）共 1024 个 数据；同时对串口信息和网络传输速率进行监测。经过 20 个小时左右的测试验证，从串口 看没有出现以太网发送错误的信息。
图 5-3 为以太网传输速率监测信息，可以看出以太网传输速率比较稳定，在 33Mbps 附近，与理论计算值 32Mbps相符合。
图 5-3 以太网传输速率检测
图 5-4 为上位机接收数据监测的信息，通过对接收的数据分析，可以发现收的数据与发送的固定数据一致，没有丢数据的现象。
图 5-4 上位机接收数据监测
图 5-5 为串口日志监测信息，当出现网络无法及时传输数据时，会打印 adc dual buff full up!的信息。从串口日志信息看，在以太网初始化完成并连接成功后，没有出现 adc dual buff full up!的信息，表明以太网能够将 ADC 的数据及时传输至上位机，没有数据丢失情况。
图 5-5 串口日志监测
6. 总结
本文主要介绍了 2MSPS 速率的 ADC16 采样并通过 LWIP TCP 的方式发送至上位机的方案。ADC16 采样使用 PWM 触发的方式，采样结果在 DMA 链式传输任务中进行读取。 在先楫半导体的HPM6300EVK 上进行测试验证，验证结果表明该方案是可行的。
该方案的优点主要体现在以下几个方面：
将 32bit 的 ADC16 数据转成 16bit，减小了传输的数据量；
使用 DMA 链式传输，自动完成 ADC 采样和 32 为到 16 位的转换过程，不需要 CPU 参与；
没有使用中断，降低 CPU 的负荷；
ADC 采样数据保存在 ILM/DLM 中，CPU 零等待访问；
以太网实际的传输速率是4 MBytes/s，运行稳定，留有较大的裕度。
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