【DigiKey“智造万物，快乐不停”创意大赛】2. 系统功能的基本实现

ICS

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<i class="pstatus"> 本帖最后由 ICS 于 2023-12-8 16:09 编辑 </i>

> 作品名称：基于ADS1282的三维地震勘探仪器的设计

上一节介绍了如何将 ADS1282 的驱动程序移植到 Arduino 上面，这一节我将介绍ADS1282的三维地震勘探仪器的整体设计框架。

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[TOC]

#### 固件实现基本步骤

##### 概述

如果我们想要获得地震信号，首先，需要由检波器获取地震信号，检波器是一种能够将地震波转换为电信号的装置，通常使用压电晶体或电磁线圈等原理来实现然后，由ADS1282转换为数字信号，ADS1282是一款高性能的单片模数转换器（ADC），具有集成的低噪声可编程增益放大器（PGA）和双通道输入多路复用器。ADS1282可以将检波器输出的模拟电信号转换为数字信号，并通过SPI总线传输给ESP32S3。 最后，由ESP32S3存到TF卡。

其中，ESP32作为主控，所以在软件层面我们只需要关注两个：

> 1. 使用 ESP32-S3 将 ADS1282 的数据拿出来
> 2. 使用 ESP32-S3 将数据存到 TF 卡

##### 使用 ESP32-S3 将 ADS1282 的数据拿出来

根据我们上一个分享的内容[^1]，我们只需要编写一个代码，将 ADS1282 上的数据读取出来：

```c++
#include <ads1282.h>
// ADC引脚
// 时钟引脚
#define ADC_SCL 21
// DOUT 引脚
#define ADC_MISO 13
// DIN 引脚
#define ADC_MOSI 12
// CS 引脚 NOTE: 在 ads1282 上没有这个引脚
#define ADC_CS -1
// DRDY 引脚
#define ADC_DRDY 14
// RESET 引脚
#define ADC_RESET 47
// DONE 引脚
#define ADC_DONE 10

void main(){
  Serial.begin(115200);
  // ......
  ADCStartup(ADC_SCL, ADC_MISO, ADC_MOSI, ADC_CS, ADC_DRDY, ADC_RESET);
  /* ADC 采样率设置为 1000 */
  writeRegisterBitsValue(CONFIG0_ADDRESS, CONFIG0_DR_MASK, CONFIG0_DR_1000SPS); 
  /* ADC 增益设置为 1 */
  writeRegisterBitsValue(CONFIG1_ADDRESS, CONFIG1_PGA_MASK, CONFIG1_PGA_1);
}
void loop(){
  // 等待中断
  if (waitForDRDYinterrupt(10))
    {
      Serial0.println(convertToVoltage(adc_data), 5);
    }
}
```

在主循环中，我们等待 DRDY 发送准备完成信号，然后用串口输出，但是这段程序由一个问题：一切后续工作都在两个 DRDY 间隙里进行，如果是串口输出这种占用时间相对较少的，可能没有什么影响，但是对于 TF 卡读写来说，占用的时间比较长，因此可能出现某个 DRDY 中断在写入 TF 卡过程中，导致采样率不一致。

##### 使用 ESP32-S3 将数据存到 TF 卡

```c++
#include <SdFat.h>

int sd_freq = 40000000;

SdFs sd;
FsFile file;

SPIClass SD_SPI = SPIClass(HSPI);

bool mountSDCard()
{
  if (digitalRead(SD_DETECT_PIN) != LOW)
  {
  return false;
  }
  // 初始化 SPI
  SD_SPI.begin(SD_SCL, SD_MISO, SD_MOSI, SD_CS);

while (!sd_mounted && sd_freq > 4000000)
  {
  if (sd.begin(SdSpiConfig(SD_CS, DEDICATED_SPI, sd_freq, &SD_SPI)))
  {
    sd_mounted = true;
  }
  // 如果挂载失败, 尝试改变 sd_freq
  sd_freq >>= 1;
  }
  return sd_mounted;
}
```

按照我们的理解，每当一个 DRDY 中断发生，我们就可以读取出一个 ADC 数据存储到 TF 卡中，但是由于中断看门狗的存在，写入 TF 卡如果在 DRDY 中断中便会出现`Interrupt wdt timeout on CPU1`[^2]。因此，我们只能在主循环中写入 TF 卡。

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<p><strong>采集数据截图.png</strong> <em class="xg1">(63.74 KB, 下载次数: 0)</em></p>
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##### 总结：遇到的问题以及解决办法

###### 1. 在 DRDY 中断中写入 TF 卡时出现Interrupt wdt timeout on CPU1（即读即写）

解决方法：避免在中断中进行长时间阻塞的处理，将数据暂存至 lwrb 环形队列中
```c++
// ADC 中断
void ADCInterruptHandeler()
{
  adcVoltageData = convertToVoltage(readData());
  lwrb_write(&lwrbBuf, (void *)&adcVoltageData, 4);
}

// 主函数中 TF 卡的写入
// 判断当前是否是文件打开和文件写入模式
if (file_open && sys_config.outputMode & sys_config.OutputMode_TF)
  {
  bufLen = lwrb_read(&lwrbBuf, readBufData, (getFileSize() - file.size()) > 0 ? (getFileSize() - file.size()) : 0);
  }
file.write(readBufData, bufLen);
```

###### 2. TF 卡死机，必须断电重启才能正常写入

解决方法：避免分散的写入 TF 卡数据，由于本次使用的模块 PSRAM 足够，仅在关闭文件时写入，再打开下一个文件。

```c++
bool openFile(const char *path)
{
  if (sd_mounted)
  {
  file.close();
  file_open = file.open(path, O_WRITE | O_CREAT | O_APPEND);
  file.seek(0);
  return file_open;
  }

return false;
}
```

#### PCB 设计及制造

在地震勘探过程中，最重要的是时间，只有时间同步，才能对采集的数据进行分析。因此在本次创赛中，我采用了 SD3078 作为本次的主 RTC，使用 GPS 同步时间信号。采用 REF5050 作为电压基准芯片，以确保数据的准确性。其它的物料请参见参考资料3[^3]。

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下一篇将会展示打板的开箱及其功能展示。

#### 参考

[^1]: [【DigiKey“智造万物，快乐不停”创意大赛】1. ADS1282 驱动的移植与实验](https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1263186-1-1.html)
[^2]: [看门狗 - ESP32-C3 - — ESP-IDF 编程指南 latest 文档 (espressif.com)](https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/zh_CN/latest/esp32c3/api-reference/system/wdts.html)
[^3]: [【DigiKey“智造万物，快乐不停”创意大赛】 物料开箱](https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1260793-1-1.html)