王芳

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)是經(jīng)緯儀上各個處理器及控制器間數(shù)據(jù)交換的中心。要求數(shù)據(jù)通訊不僅能實時接收經(jīng)緯儀上各分系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)，而且還要將實時性和同步性要求很強的系統(tǒng)（如編碼器和時間信息）的數(shù)據(jù)在打包發(fā)送給其它系統(tǒng)時，數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)為同一時間點的數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)須按一定的通訊時序進行接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，這就是時序控制，是經(jīng)緯數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)最重要的指標。

目前作為靶場主要測量設備之一的光電經(jīng)緯儀，其測量方向不僅僅局限于對目標彈道的測量，目標姿態(tài)測量在靶場測量中也越來越占據(jù)重要位置?，F(xiàn)在許多型號的光電經(jīng)緯儀都裝有高幀頻CMOS攝像機用于記錄目標的瞬間變化信息，以完成對目標姿態(tài)的測量。目前通用的高幀頻攝像機，往往只能外接標準的B碼時間信息（交流碼或直流碼），并記錄下每幀圖像的拍攝時間，對另一個重要測量信息—編碼器信息卻不能記錄，只能依靠計算機將對應的時間信息和編碼器信息記錄下來，在拍攝完成后，依據(jù)圖像的時間信息找到對應的編碼器信息。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)需按照攝像機拍攝頻率，接收編碼器信息，并將相對應的時間信息一起打包發(fā)送至記錄數(shù)據(jù)分系統(tǒng)。現(xiàn)在高速攝像機最高工作頻率一般設計為1000Hz，基于這種設計研制了基于S3C2440的高頻數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。其工作最高頻率1000Hz（可更高），且可根據(jù)攝像機工作幀頻而改變收/發(fā)數(shù)據(jù)幀頻。

1 高幀頻數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設計原理

光電經(jīng)緯儀在捕捉目標圖像的同時，能夠?qū)崟r記錄精確的測角信息，并通過事后目標圖像的判讀處理，得出目標精確的中軸偏移量，進而疊加計算出更為精確的測角值［1］。因此，圖像信息、時間信息和角度信息是光電經(jīng)緯儀記錄的三大重要信息。安裝有高速攝像機的某型號光電經(jīng)緯儀工作參數(shù)：（1）高速攝像機拍攝幀頻：1000Hz；（2）編碼器：處理幀頻1000Hz；（3）時統(tǒng)終端：最高處理幀頻200Hz。

由于時統(tǒng)終端的處理速度最高只能達到200Hz，要想給1000Hz的編碼器數(shù)據(jù)加上時標，需對時間信息進行細分處理，產(chǎn)生對應1000H編碼器數(shù)據(jù)的時間信息。

編碼器信息由編碼器系統(tǒng)以1000Hz同步信號為基準，對角度進行檢測，并以一定的編碼格式將角度信息發(fā)送到數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。1000Hz的角度信息是在1000Hz同步信號后560μs完全發(fā)送到數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)，因此數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)應該在1000Hz同步信號后560μs接收編碼器數(shù)據(jù)，并與1000Hz采樣點的時間信息一同打包，形成同一時間點的角度—時間測量數(shù)據(jù)包，供事后與圖像信息一同組成完整的經(jīng)緯儀測量數(shù)據(jù)。

1.1 細分時間信息

時統(tǒng)終端最高處理速度為200Hz，不能滿足1000Hz數(shù)據(jù)頻頻要求。設計時，要求時統(tǒng)終端提供1Hz的時間信息，并提供1Hz和1000Hz同步信號，數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)以1Hz和1000Hz同步信號為基準產(chǎn)生毫秒時間信息。

1.2 通信時序設計

設計1Hz脈沖信號啟動一個外部中斷，并在這個中斷中接收1Hz的時間信息，此時間信息是對應上一個1Hz的時間信息，因此需對對時間信息進行“+1秒”處理。

設計1000Hz脈沖信號啟動另個一個外部中斷，在中斷中根據(jù)相對1Hz中斷后產(chǎn)生1000Hz中斷的個數(shù)，產(chǎn)生毫秒信息。1000Hz計數(shù)在1Hz中斷中清為零，每1Hz中斷間隔共產(chǎn)生1000個1000Hz中斷。根據(jù)設計原理，要求系統(tǒng)響應完1Hz中斷后，響應1Hz后的第一個1000Hz中斷，這種響應中斷先后順序是保證產(chǎn)生正確毫秒值的關(guān)鍵。

數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的主控制器S3C2440，其24個外部中斷可配置引起中斷的信號模式為電平觸發(fā)或沿觸發(fā)，并可配置極性［2］，在外部中斷寄存（EXTINT）中進行設置。時統(tǒng)終端提供的1Hz同步信號和1000Hz同步信號格式如圖1所示。

圖1 1Hz同步信號和1000Hz同步信號的格式

可以設置1Hz中斷為下降沿產(chǎn)生中斷，與S3C2440的外部中斷0（EINT0）連接，1000Hz中斷為上升沿產(chǎn)生中斷，與S3C2440的外部中斷6（EINT6）連接，兩個中斷相差1個脈沖寬度時間，如此設計保證了兩個中斷的時序安排。

2 軟件實現(xiàn)

軟件設計分為兩部分，一部分為初始化設計，其中包括配置GPIO端口、中斷配置和啟動中斷。另一部分為中斷處理程序，包括外部中斷0和外部中斷6。

2.1 程序初始化

程序初始化主要完成中斷設置并啟動看門狗計數(shù)器功能：

2.2 中斷“0”（1Hz中斷）

1Hz中斷處理程序：

在1Hz中斷中接收時統(tǒng)時間信息，并進行加1秒處理和1000Hz中斷計數(shù)器值置“0”，軟件流程圖如圖2所示。

圖2 1Hz中斷軟件流程圖

2.3 中斷“6”（1000Hz中斷）

在中斷“6”中主要完成產(chǎn)生時間的毫秒信息、接收編碼器數(shù)據(jù)并收發(fā)經(jīng)緯儀各分系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)。

2.3.1 產(chǎn)生毫秒信息

毫秒產(chǎn)生程序：在1000Hz中斷中根據(jù)1Hz同步信號后的1000Hz中斷的個數(shù)（m_n1000）產(chǎn)生毫秒信息，毫秒（=1×m_n1000），軟件流程如圖3所示。

圖3 1000Hz中斷產(chǎn)生毫秒程序流程圖

2.3.2 接收編碼器數(shù)據(jù)并收/發(fā)其它各分系統(tǒng)數(shù)據(jù)

編碼器在1000Hz到來時采集角度數(shù)據(jù)，并發(fā)送給數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)，數(shù)據(jù)完全傳送至據(jù)通訊系統(tǒng)是在1000Hz信號后的560μs，因此數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)在1000Hz中斷中，延時560μs接收編碼器數(shù)據(jù)，此時接收的數(shù)據(jù)為當前1000Hz的經(jīng)緯儀角度數(shù)據(jù)。

綜上分析可知，在1000Hz中斷中處理順序為：產(chǎn)生時間毫秒→延時560μs→接收編碼器數(shù)據(jù)→將時間信息和編碼器數(shù)據(jù)編碼打包→以系統(tǒng)規(guī)定幀頻發(fā)送數(shù)據(jù)（低于或等于1000Hz且能整除1000）。在此能否實現(xiàn)精確延時是接收正確編碼器數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。

精確時延時由ARM處理器內(nèi)置的Watchdog計數(shù)器產(chǎn)生［4］。具本方法為：設置看門狗工作在計數(shù)器方式下，在1000Hz中斷開始時讀取一次計數(shù)器值（WTCNT），然后通過不斷讀取該計數(shù)器值，得到相對開始時刻的運行時間，在達到程序所要求的延遲時間時，接收編碼器數(shù)據(jù)。

看門狗的計數(shù)脈沖是由ARM處理器的PCLK時鐘經(jīng)兩次可編程分頻后得到［3］。對看門狗的操作，包括看門狗分頻數(shù)和工作模式設定，由設定WTCON完成；對16位數(shù)據(jù)寄存器WTDAT編程完成設定看門狗超時值；在軟件運行過程中，讀取看門狗16位計數(shù)器WTCNT的當前計數(shù)值，計算兩次讀數(shù)之差可得到精確時間差。

看門狗計數(shù)器時鐘周期：

看門狗定時周期：

式中：Prescaler_value為預分頻比例器值，由WTCON位15:8設定；Division_factor為分頻系數(shù)，由WTCON位4:3設定，可選擇16、32、64或128。

PCLK為ARM處理器外圍器件時鐘，由ARM時鐘控制邏輯產(chǎn)［4］。它與主時鐘（FCLK）的關(guān)系由時鐘分頻控制寄存器CLKDIVN位2:0設定。主時鐘頻率與輸入頻率關(guān)系：

式中：fin為外部輸入時鐘頻率，系統(tǒng)采用12MHz晶振；MDIV由MPLLCON(鎖相環(huán)控制寄存器)位19:12設定；PDIV由MPLLCON位9:4設定，SDIV由MPLLCON位1:0設定，程序初始化：

MPLLCON=(127＜＜12)|(2＜＜4)|1；//利用公式

（3）可得FCLK=405MHz。

CLKDIVN=(2＜＜1)|1；//即 FCLK=HCLK:PCLK=1:4:8，所 以 PCLK=405MHz/8=50.625000 MHz。

在實際應用中設置Division_factor=16，設置Prescaler_value=(PCLK/1000000-1)，由公式（1）計算看門狗計數(shù)器時鐘周期為16μs，即計數(shù)器每差1，即差16μs。

程序初始化中啟動看門狗計數(shù)器功能程序代碼：

在程序初始化中設置好看門狗工作方式后，在1000Hz中斷中實現(xiàn)相對1000Hz中斷信號延時560μs接收編碼器數(shù)據(jù)。接收編碼器數(shù)據(jù)程序流程圖如圖4。

圖4 1000Hz中斷產(chǎn)生毫秒程序流程圖

圖4中之所以要先清接收編碼器數(shù)據(jù)端口的接收緩存器，是保證讀到的數(shù)據(jù)是當前1000Hz時刻的編碼器數(shù)據(jù)。

處理完成時間信息和編碼器數(shù)據(jù)后，可依據(jù)時間信息的毫秒值，完成對外 50Hz、100Hz、200Hz、500Hz、1000Hz的通訊。如100Hz通訊時，當毫秒值能被10整除時，即執(zhí)行100Hz通訊程序。

3 設計結(jié)果

利用時間細分和看門狗精確時延設計，可在經(jīng)緯儀上實現(xiàn)時間信息和編碼器數(shù)據(jù)高幀頻的數(shù)據(jù)合成，從而實現(xiàn)設備角度和時間信息與高速攝像機圖像信息的數(shù)據(jù)匹配，完成經(jīng)緯儀測姿需求。目前在某型號經(jīng)緯儀上裝有一款最高記錄幀頻400Hz的高速攝像機，系統(tǒng)指標要求為編碼器發(fā)送數(shù)據(jù)幀頻1200Hz，編碼器發(fā)送數(shù)據(jù)波形如圖5。通信系統(tǒng)向其它系統(tǒng)發(fā)送的編碼器、時間信息合成數(shù)據(jù)包最高幀頻400Hz，其設計依即為本文所述原理。通信系統(tǒng)要求提供1Hz和400Hz的同步信號，1Hz下降沿產(chǎn)生中斷“0”，400Hz上升沿產(chǎn)生中斷“6”。系統(tǒng)的兩個中斷信號波形如圖6。

圖5 1200Hz中斷編碼器通信數(shù)據(jù)

圖6 1Hz和400Hz中斷信號波形圖

在1Hz中斷接收時統(tǒng)時間信息，在400Hz中斷中先清接收編碼數(shù)據(jù)端口的接收緩存器，然后延時560μm接收編碼器數(shù)據(jù)。依據(jù)系統(tǒng)要求，發(fā)送編碼器與時間信息合成數(shù)據(jù)包的400Hz通信數(shù)據(jù)波形如圖7。

此款數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)通過實際應用證明時序設計合理，性能可靠，完全符合設計要求。

如若要求發(fā)送1000Hz編碼器和時統(tǒng)時間合成數(shù)據(jù)包，則在設計中要求提供1Hz和1000Hz同步信號，并且提高通信波特率以便在1ms內(nèi)完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

圖7 400Hz發(fā)送編碼器與時間信息合成數(shù)據(jù)包波形

4 結(jié)論

利用時間細分和看門狗精確時延設計，可在經(jīng)緯儀上實現(xiàn)時間信息和編碼器數(shù)據(jù)高幀頻的數(shù)據(jù)合成，從而實現(xiàn)設備信息與高速攝像機圖像信息的數(shù)據(jù)匹配，完成經(jīng)緯儀測姿需求。經(jīng)在多型號經(jīng)緯儀上應用，此種設計定時精度高，實現(xiàn)簡單，針對不同經(jīng)緯儀，在軟件上稍做改動即可適用。

［1］高策，喬彥峰.光電經(jīng)緯儀測量誤差的實時修正［J］.光學精密工程，2007，15（6）：846-851.

［2］孫秋野，孫凱，馮健.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)典型模塊［M］.北京：人民郵電出版社，2007.

［3］陳思勤，吳秋新.ARM內(nèi)核目標系統(tǒng)中的代碼運行時間測試［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2007（2）：5-6.

［4］S3C2440A微處理器芯片用戶手冊［S］.三星電子有限公司，2007.