吳俊 馮國勝 王點(diǎn)點(diǎn)

（石家莊鐵道大學(xué)）

傳統(tǒng)電子測(cè)速法的M法和T 法在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，測(cè)量范圍、精度有限[1]，這往往是由于DSP 計(jì)數(shù)器溢出[2]和DSP 執(zhí)行程序需要一定的時(shí)間所導(dǎo)致的，其中T 法在測(cè)量低頻脈沖、M法在測(cè)量高頻脈沖時(shí)，測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確的情況更加頻繁。目前傳統(tǒng)的改善方法是通過復(fù)雜的軟硬件配置來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)速。文章主要使用CodeWarrior 下更加高效的PE 編程工具，采用新的編程方法將 M 法和 T 法應(yīng)用到數(shù)字信號(hào)處理器MC56F8346 的測(cè)速中，提高了傳統(tǒng)T 法、M法的測(cè)量范圍和精度。

1 MC56F8346硬件介紹

1.1 定時(shí)/計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)及工作模式

MC56F8346 是一款數(shù)字信號(hào)處理器，它的結(jié)構(gòu)中包含數(shù)個(gè)定時(shí)模塊，每個(gè)定時(shí)模塊由4 組相同的16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器組成，其單個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。定時(shí)/計(jì)數(shù)器有2 種基本的工作模式：1）記錄內(nèi)部和外部事件數(shù)，該模式應(yīng)用在M法上；2）記錄每個(gè)外部事件之間所經(jīng)歷的內(nèi)部時(shí)鐘周期數(shù)，也就是得到外部事件的時(shí)間間隔，該模式應(yīng)用在T 法上[3]。文章中，使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的方波信號(hào)來模擬編碼器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速信號(hào)，將此信號(hào)輸入至MC56F8346 引腳處，分別使用count（計(jì)數(shù)）模塊和capture（捕獲）模塊對(duì)方波信號(hào)計(jì)數(shù)。最終通過計(jì)算求得輸入信號(hào)的周期和頻率。使用M 法時(shí)，要先配置count 模塊，在計(jì)數(shù)過程中，當(dāng)輸入高頻方波信號(hào)時(shí)，計(jì)數(shù)器會(huì)多次溢出；文章引入變量over（變量名），計(jì)數(shù)器每溢出1 次，變量就會(huì)加1。使用T 法時(shí)，要先配置capture 模塊，當(dāng)輸入低頻方波信號(hào)時(shí)，計(jì)數(shù)器可能會(huì)多次溢出；同樣引入變量over，記錄溢出次數(shù)。

圖1 定時(shí)/計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)框圖

1.2 定時(shí)/計(jì)數(shù)器寄存器主要功能介紹

定時(shí)/計(jì)數(shù)寄存器（TMRCNTR）是16 位寄存器。其中，計(jì)數(shù)捕獲寄存器（TMRCAP）是16 位寄存器，該寄存器存儲(chǔ)從計(jì)數(shù)器捕獲的值；定時(shí)重裝載寄存器（TMRLOAD）是16 位寄存器，用來裝載計(jì)數(shù)器的值；定時(shí)控制寄存器（TMRCTRL）是16 位寄存器，其中的位15～13是計(jì)數(shù)模式控制位（CM）；計(jì)數(shù)狀態(tài)/控制寄存器（TMRSCR）是16 位寄存器，位13 是計(jì)數(shù)器溢出標(biāo)志位（TOF），位12 是計(jì)數(shù)器溢出中斷使能位（TOFIE），位11是輸入邊沿標(biāo)志位（IEF），位10 是輸入邊沿中斷使能位 （IEFIE），位 7，6 是輸入捕獲模式位（CAPTURE MODE）；定時(shí)比較寄存器 1（TMRCMP1）是 16 位寄存器，該寄存器存儲(chǔ)的數(shù)值與計(jì)數(shù)器數(shù)值進(jìn)行比較；定時(shí)重裝載寄存器1（TMRCMPLD1）是16 位寄存器，該寄存器存放定時(shí)比較寄存器中的比較值；計(jì)數(shù)比較狀態(tài)/控制寄存器（TMRCOMSCR）是16 位寄存器，位6 是計(jì)數(shù)比較寄存器1 中斷使能位（TCF1EN），當(dāng)TCF1EN 與TCF1 同時(shí)置1 時(shí)，產(chǎn)生計(jì)數(shù)比較中斷，位4 是計(jì)數(shù)比較寄存器1 標(biāo)志位（TCF1），當(dāng)比較寄存器比較成功后，TCF1 置 1。

2 使用PE工具設(shè)計(jì)程序

CodeWarrior 下的PE 編程工具是某公司開發(fā)的一款快速初始化工具，可以更加簡(jiǎn)單、高效地完成項(xiàng)目任務(wù)。PE 支持該公司幾乎所有的嵌入式芯片，該工具會(huì)直接生成函數(shù)框架，編程人員在其中寫代碼即可，為編程人員提供了高效的工作環(huán)境。使用PE 編程流程，如圖2所示。

圖2 使用PE 編程流程圖

2.1 T法測(cè)周期

T法測(cè)周期，即通過記錄輸入脈沖信號(hào)2 個(gè)連續(xù)上升沿之間所經(jīng)歷的內(nèi)部時(shí)鐘周期數(shù)，經(jīng)計(jì)算就會(huì)得到輸入脈沖信號(hào)周期。使用PE 工具編程時(shí)首先選擇Capture Components（捕獲元件），并對(duì)其進(jìn)行設(shè)置[4]。之后，PE 生成相對(duì)應(yīng)的Cap1_Init（void）初始化程序，初始化程序主要完成的工作有：

1）設(shè)置定時(shí)控制寄存器（TMRCTRL）。這里將位8，7（副計(jì)數(shù)脈沖源控制位）置為01，確定外部脈沖信號(hào)的輸入引腳為1。

2）設(shè)置計(jì)數(shù)狀態(tài)/控制寄存器（TMRSCR）。這里將位 12（TOFIE）、位 10（IEFIE）置 1，這樣就會(huì)使能計(jì)數(shù)器溢出中斷、輸入邊沿中斷。

3）清空定時(shí)/計(jì)數(shù)寄存器（TMRCNTR）、計(jì)數(shù)捕獲寄存器（TMRCAP）、定時(shí)重裝載寄存器（TMRLOAD）。

4）設(shè)置前分頻。這里將PCS 位設(shè)置為1 100，即IP總線時(shí)鐘為16 分頻。

5）設(shè)置定時(shí)控制寄存器（TMRCTRL）CM 位，選擇計(jì)數(shù)器的控制模式。這里設(shè)置為001，即在主計(jì)數(shù)脈沖上升沿計(jì)數(shù)。

6）設(shè)置計(jì)數(shù)狀態(tài)/控制寄存器（TMRSCR）Capture-Mode 位。這里設(shè)置為01，選擇上升沿裝載。

當(dāng)?shù)讓映绦虺跏蓟螅?6 位定時(shí)/計(jì)數(shù)寄存器（TMRCNTR）就開始對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘循環(huán)計(jì)數(shù)。當(dāng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器達(dá)到滿值65 535（216-1）時(shí)，計(jì)數(shù)狀態(tài)/控制寄存器（TMRSCR）的位13 計(jì)數(shù)器溢出標(biāo)志位（TOF）就會(huì)置1。由于將計(jì)數(shù)狀態(tài)/控制寄存器（TMRSCR）位 12（TOFIE）置為1，所以當(dāng)TOF 為1 時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生1 個(gè)計(jì)數(shù)器溢出中斷。在該中斷中編寫一個(gè)變量over，使其累加；那么每次計(jì)數(shù)器達(dá)到滿值時(shí)，就會(huì)進(jìn)入中斷中，變量over 就會(huì)加1。

輸入的脈沖信號(hào)每當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)上升沿或下降沿時(shí)，就會(huì)置位 IEF。同時(shí)由于計(jì)數(shù)狀態(tài)/控制寄存器（TMRSCR）的位 10（IEFIE）置 1，就會(huì)產(chǎn)生輸入邊沿中斷。設(shè)置計(jì)數(shù)狀態(tài)/控制寄存器（TMRSCR）Capture Mode位為01，當(dāng)置位IEF 時(shí)，設(shè)置為上升沿裝載。因此遇到上升沿時(shí)，計(jì)數(shù)器中的數(shù)據(jù)就存儲(chǔ)在捕獲寄存器中。

2 個(gè)相鄰上升沿發(fā)生時(shí)，可能的情況可以分為2 種：1）第1 個(gè)上升沿發(fā)生后，第2 個(gè)上升沿發(fā)生前，定時(shí)/計(jì)數(shù)寄存器沒有發(fā)生溢出；2）第1 個(gè)上升沿發(fā)生過后，在第2 個(gè)上升沿到來之前，定時(shí)/計(jì)數(shù)寄存器發(fā)生了溢出且可能不止1 次溢出，對(duì)應(yīng)over 會(huì)遞增。在2 個(gè)相鄰的上升沿產(chǎn)生的邊沿中斷中，分別將2 次捕獲寄存器中的值賦給變量count1 和count2，同時(shí)記錄此時(shí)的溢出次數(shù)over1 和over2。中斷子程序流程圖，如圖3所示。

圖3 T 法中斷子程序流程圖

編寫程序如下：

#pragma interrupt called

void Cap1_OnCapture(void)

{

/*Write your code here...*/

index++;

if(index==1)

{

over1=over;

Cap1_GetCaptureValue( ＆ count[index]);

}

if(index==2)

{

over2=over;

Cap1_GetCaptureValue( ＆ count[index]);

……

index=0;

over=0;

}

}

2.2 M法測(cè)頻率

這種方法主要是通過測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)來獲得轉(zhuǎn)速，也可以稱為測(cè)頻法。同樣，使用PE 編程時(shí)首先選擇EventCntr16，TimerInt Components，并對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置后，PE 底層生成的主要初始化程序包括TI1_Init（void），EC16_Init（void）。TI1_Init（void）主要完成的工作有：

1）設(shè)置控制寄存器（TMRA2_CTRL）。這里將位5（LENGTH）置1，這樣計(jì)數(shù)器到達(dá)預(yù)設(shè)值后重新初始化。

2）設(shè)置控制寄存器（TMRA3_CTRL）。這里將CM位置為0111，這樣就采用級(jí)聯(lián)計(jì)數(shù)模式，擴(kuò)大了定時(shí)中斷的時(shí)間（Component 中設(shè)置為1 000 ms）。

3）設(shè)置計(jì)數(shù)狀態(tài)/控制寄存器（TMRA2_SCR，TMRA3_SCR）。

4）清空定時(shí)/計(jì)數(shù)寄存器（TMRA2_CNTR，TMRA3_CNTR）、定時(shí)重裝載寄存器（TMRA2_LOAD，TMRA3_LOAD）。

5）設(shè)置定時(shí)比較寄存器（TMRCMP1）。文中定時(shí)時(shí)間設(shè)置為1 s。因?yàn)椴扇〖?jí)聯(lián)計(jì)數(shù)模式，即TMRA2 的輸出作為TMRA3 的輸入。這里將TMRA3_CMP1 設(shè)置為1 279，TMRA2_CMP1 設(shè)置為 46 874。每當(dāng) TMRA2 的計(jì)數(shù)器數(shù)值達(dá)到TMRA2_CMP1 所設(shè)置值（46 874）時(shí)，TMRA3 的計(jì)數(shù)器就會(huì)加1，直到達(dá)到TMRA3_CMP1 所設(shè)置值（1 279）時(shí)，產(chǎn)生比較成功中斷程序，這樣共計(jì)數(shù)46 874×1 279=59 951 846 次。

6）設(shè)置計(jì)數(shù)比較狀態(tài)/控制寄存器（TMRCOMSCR）。文章中采用級(jí)聯(lián)計(jì)數(shù)模式，這里將TMRA3_COMSCR 的TCF1EN 位置1，當(dāng)與3 通道定時(shí)比較寄存器 1（TMRCMP1）完成比較時(shí)（TCF1 位置 1），計(jì)數(shù)比較寄存器就會(huì)發(fā)生中斷；CL1 位置1，即在與3 通道 TMRCMP1 比較成功后重裝初值。 將 TMRA2_COMSCR 的 CL1 位置 1，即在與 2 通道 TMRCMP1 比較成功后重裝初值。

7）1 279，46 874 分別寫入 TMRA3_CMPLD1，TMRA2_CMPLD1。

8）設(shè)置定時(shí)控制寄存器TMRA2_CTRL。這里設(shè)置PCS 位為1 000，即設(shè)置IP 總線時(shí)鐘為1 分頻。

9）清空定時(shí)/計(jì)數(shù)寄存器TMR2_CNTR，TMR3_CNTR。

10）設(shè)置定時(shí)控制寄存器TMRA2_CTRL。這里將CM位設(shè)為001，在主計(jì)數(shù)脈沖上升沿計(jì)數(shù)。

完成上述工作后，定時(shí)器產(chǎn)生的中斷間隔時(shí)間的計(jì)算，如式（1）所示。

其中60×106是CPU 源時(shí)鐘經(jīng)過分頻得到的系統(tǒng)時(shí)鐘；59 951 846 是設(shè)置得到的計(jì)數(shù)值。因此得到中斷的時(shí)間為0.999 2 s，接近于1 s。

EC16_Init（void）主要完成的工作有：

1）設(shè)置控制寄存器（TMRA0_CTRL）。首先停止計(jì)數(shù)器的所有功能。

2）設(shè)置計(jì)數(shù)狀態(tài)/控制寄存器（TMRA0_SCR）。這里將TOFIE 位置1，當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出標(biāo)志位（TOF）為1 時(shí)，產(chǎn)生計(jì)數(shù)器溢出中斷。

3）設(shè)置計(jì)數(shù)比較狀態(tài)/控制寄存器（TMRA0_COMSCR）。

4）清空定時(shí)/計(jì)數(shù)寄存器（TMRA0_CNTR）。.

5）設(shè)置控制寄存器（TMRA0_CTRL）。這里設(shè)置CM為001，即在主計(jì)數(shù)脈沖的上升沿計(jì)數(shù)。

在Component 中設(shè)置完成后，每1 s 會(huì)產(chǎn)生1 個(gè)定時(shí)中斷；同時(shí)當(dāng)計(jì)數(shù)器A0 溢出后，就會(huì)進(jìn)入溢出中斷，使變量over 加1。

圖4示出M法中斷子程序流程。

圖4 M 法中斷子程序流程圖

編寫程序如下：

void TI1_OnInterrupt(void)

{

/*Write your code here...*/

EC161_GetNumEvents( ＆ count1);

over1=over;

……

}

void EC161_Interrupt(void)

{

clrRegBit(TMRA0_SCR,TOF);

……

over++;

}

同時(shí)要對(duì)底層程序進(jìn)行修改，清空計(jì)數(shù)器的同時(shí)也要清空變量over。

byte EC161_Reset(void)

{

setReg(TMRA0_CNTR,0x00);

over=0;

……

}

該程序中，輸出變量count 值就是測(cè)量脈沖的頻率。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室中搭建測(cè)速平臺(tái)，通過信號(hào)發(fā)生器模擬轉(zhuǎn)速信號(hào)，通過M法和T 法測(cè)得的結(jié)果，如表1所示。信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的頻率在1～100 000 范圍內(nèi)，用M法和T 法得到的測(cè)量誤差中，最大為3.74%，最小為0。整體來講，采用新的方法得到的試驗(yàn)結(jié)果誤差范圍小、結(jié)果可靠。

表1 使用PE 編程的T 法和M 法測(cè)量結(jié)果表

4 結(jié)論

T 法和M法在電子測(cè)速過程中所存在的計(jì)數(shù)器溢出情況往往被忽略，文章對(duì)這種情況進(jìn)行了處理，通過選用更加高效的PE 編程工具，采用新的軟件編程方法，對(duì)信號(hào)發(fā)生器輸出的模擬轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行了測(cè)速試驗(yàn)。結(jié)果表明，該法比前人的軟件編程過程更高效、方便且整體代碼量小，當(dāng)輸入信號(hào)頻率在1～100 000 Hz范圍內(nèi)時(shí)，得到的測(cè)量結(jié)果誤差范圍小、可靠性高。該方法是否可行，還需要在實(shí)際的行車過程進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。