樊長虹 楊華升 管文輝

【摘要】利用TMS320F281x DSP的捕獲功能，軟件實現(xiàn)了多通道傳感器信號到達(dá)時延測量。在DSP多個事件管理器的周期交替中斷中讀取捕獲值，消除了到達(dá)時延測量時可能出現(xiàn)的周期倍差。該測量方法充分了發(fā)揮DSP硬件功能組合靈活特性，簡化了外圍電路的硬件設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】F281x DSP;捕獲功能;信號時延測量

1.引言

超聲波測距定位、麥克風(fēng)語音定位等都需要實時而精確地測量不同傳感器信號之間到達(dá)時延，然后送給DSP進(jìn)行計算求解。時延精確測量可以分為粗測和精測，粗測通常采用可編程邏輯器件作為計數(shù)器來獲得時差，精測時通過譜估計方法獲得信號相位差，然后對粗測時差數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。本文在某型超聲波定位系統(tǒng)中利用TMS320F28xx DSP的捕獲端口直接測量多個超聲波傳感器信號到達(dá)時差，然后對A/D采集的多路波形信號采用FFT相關(guān)方法來獲得相差。

該方法的粗測和精測均由DSP完成，簡化硬件設(shè)計。下面主要介紹采用DSP捕獲端口直接測量時差的方法。

2.捕獲端口時差測量難點

現(xiàn)有的多種DSP（或MCU）都具有多個捕獲端口，很多研究者都考慮過采用捕獲端口獲取各通道觸發(fā)信號來計算信號到達(dá)時差。假設(shè)某個定時器周期為P，該定時器同時作為兩個捕獲端口CAP1和CAP2的時鐘。CAP1和CAP2分別連接外部通道Chan1和Chan2。當(dāng)Chan1和Chan2的觸發(fā)信號在同一個定時器周期內(nèi)到達(dá)時，分別讀取CAP1的捕獲寄存器時間值CAP1Counter和CAP2的捕獲寄存器時間值CAP2Counter，則CAP2Counter-CAP1Counter即為所測時差。但實際上兩路觸發(fā)信號通常在不同的定時器周期到達(dá)，如果仍以CAP2Counter-CAP1Counter作為所測時差，則有可能帶來n*p個時鐘誤差（n為兩路觸發(fā)信號所差的定時器周期數(shù)）?？刹捎枚〞r器周期中斷中計數(shù)的方法來解決信號到達(dá)時差大于一個定時周期的問題：開啟定時器的周期中斷，設(shè)置周期中斷次數(shù)為TPCounter，在每個周期中斷中對TPCounter增1;當(dāng)Chan1通道觸發(fā)信號觸發(fā)CAP1時，在該捕獲中斷函數(shù)中記錄當(dāng)前的TPCounter為TPCounter1，同樣Chan2通道觸發(fā)信號對應(yīng)的TPCounter為TPCounter2，則兩路信號的到達(dá)時差為：

（TPCounter2*P+CAP2Counter）-（TPCounter1*P +CAP1Counter）

上述測量方法原理上是可行的，但考慮到DSP的中斷處理本質(zhì)上是串行實現(xiàn)的，必須考慮臨界狀態(tài)的極端情況。由于定時器周期中斷處理必須一定的時間，假如當(dāng)定時器周期中斷中讀到一個很小的CAP1Counter值，該值小到不足以區(qū)分該次觸發(fā)是當(dāng)前定時周期內(nèi)產(chǎn)生的，或者是上個定時器周期內(nèi)產(chǎn)生的但未及時被讀取的。此時如果不能區(qū)分，則時差測量時可能會出現(xiàn)一個定時器周期的誤差。

下面對TMS320F281x片上資源分析，給出一種可靠的解決方法。

3.解決方法

TMS320F281x具有兩組事件管理器A和B。以事件管理器A為例，它具有兩個16位定時器Timer1和Timer2，同時具有3個捕獲端口CAP1、CAP2和CAP3，以CAP1和CAP2為示例進(jìn)行分析。Timer1和Timer2都可以分別設(shè)置各自的時鐘周期數(shù)、計數(shù)初值，并各自計數(shù)滿后產(chǎn)生相應(yīng)的周期中斷。當(dāng)設(shè)置Timer1和Timer2的時鐘為150MHz而最大周期數(shù)為0xFFFF時，每經(jīng)過約436.9微秒會各自產(chǎn)生一次周期中斷。

新方法設(shè)置Timer1和Timer2兩者的周期中斷交替進(jìn)行，然后在周期中斷中對捕獲進(jìn)行查詢來測量時差，避免前述可能出現(xiàn)無法正確確定觸發(fā)信號所到達(dá)周期。主要處理流程如下：

1）初始化

設(shè)置Timer2和Timer1周期都為0xFFFF，并且Timer2計數(shù)器初始值為0x8000，以使Timer2周期中斷超前Timer1周期中斷半個周期;設(shè)置CAP1和CAP2捕獲模式。啟動Timer1和Timer2，并使能二者周期中斷，等待兩個通道觸發(fā)信號到來。

2）Timer2周期中斷函數(shù)處理

由于Timer2超前Timer1，因此Timer2周期中斷函數(shù)先被調(diào)用。讀取CAP1和CAP2的寄存器，判斷是否已被觸發(fā)。若CAP1已被觸發(fā)，則TPCounter1=TPCounter;若CAP2已被觸發(fā)，則TPCounter2=TPCounter。

3）Timer1周期中斷函數(shù)處理

讀取CAP1和CAP2的寄存器，判斷是否已被觸發(fā)。如果CAP1已被觸發(fā)，并且讀取的數(shù)值不小于0x8000，那么可以確定該觸發(fā)一定發(fā)生在上一個Timer1周期中（因為Timer2已經(jīng)讀取過上個Timer1周期的前半個周期中是否存在觸發(fā)），則TPCounter1=TPCounter;反之，如果CAP1已被觸發(fā)，并且讀取的數(shù)值小于0x8000，可確定該觸發(fā)一定發(fā)生在當(dāng)前Timer1周期中（因為小于0x8000的CAP1已經(jīng)被Timer2周期中斷函數(shù)中讀?。瑒tTPCounter1=TPCounter+1。對CAP2同樣處理。退出周期中斷函數(shù)時，TPCounter=TPCounter+1。

4.試驗結(jié)果

為驗證新方法有效性，采用安捷倫3320A信號發(fā)生器作為信號源，安捷倫DSO6034混合信號示波器作為時差測量儀器。

4.1 小時差信號測試

測量兩路時差小于定時器周期的信號：

1）捕獲模式設(shè)置：CAP1設(shè)為上升沿捕獲，CAP2設(shè)為下降沿捕獲。

2）信號源設(shè)置：設(shè)置3320A輸出信號為周期50KHz占空比50%幅度3V的方波，也即上升沿和下降沿時差為1/（100K）=10us，10.000us對應(yīng)150MHz晶振的1500個周期。

3）信號輸入與測試：3320A輸出信號直接送給兩路捕獲，共測量10000次。9995次測得時差為1500個晶振周期，2次測得時差為1499個晶振周期，3次測得時差為1501個晶振周期，也即最大測量誤差為±1個晶振周期。

4.2 跨周期時差信號測試

測試兩路時差大于定時器周期的信號：

1）捕獲模式設(shè)置：CAP1設(shè)為上升沿捕獲，CAP2設(shè)為下降沿捕獲。

2）信號源設(shè)置：設(shè)置3320A輸出信號為周期500Hz占空比50%幅度3V的方波，也即上升沿和下降沿時差為1/1000=1000us，1000us對應(yīng)150MHz晶振的150000個周期。

3）信號輸入與測試：3320A輸出信號直接送給兩路捕獲，共測量10000次，其中5949次測得時差為150000個晶振周期，其余時差值中最大150002個晶振周期，最小149997晶振周期，沒有發(fā)送過測量誤差為Timer1周期整倍數(shù)的情況。測量誤差增大是因為F281xDSP板卡本身晶振偏差所引起的。

5.結(jié)論

本文利用TMS320F281x DSP兩組事件管理器交錯周期中斷方法，實時讀取多路捕獲端口的寄存器捕獲時間值，無論對小時差或者較大時差均可較精確測量，長期試驗表明了該方法精確可靠。

參考文獻(xiàn)

[1]TMS320F281x Data Sheet（Rev.F）.