員玉良， 馮 強(qiáng)， 楊麗麗， 王方艷

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266109）

0 引 言

目前，多路數(shù)據(jù)信號(hào)參數(shù)的采集分析大多采用技術(shù)較為成熟的數(shù)據(jù)采集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)。桑志國(guó)等［1］利用虛擬儀器以及數(shù)字信號(hào)處理等技術(shù)設(shè)計(jì)了多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于LabVIEW上位機(jī)軟件，可以測(cè)量方波信號(hào)的脈寬與頻率等參數(shù)，能夠很好地還原信號(hào)波形。但是，由于測(cè)量頻率范圍的限制，該方法在進(jìn)行高頻率段的連續(xù)周期脈寬測(cè)量時(shí)，所得測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度降低，誤差增大，而且該方法需要上位機(jī)的聯(lián)機(jī)支持，靈活性較差，便攜程度低，不適應(yīng)于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的操作與實(shí)施。當(dāng)然，很多具體項(xiàng)目中的數(shù)據(jù)采集裝置已經(jīng)開(kāi)始使用單片機(jī)［2-3］作為主控CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。然而，受限于傳統(tǒng)單片機(jī)技術(shù)的自身缺陷，數(shù)據(jù)的采集、處理以及傳輸需要并行處理，CPU執(zhí)行效率較低，尤其對(duì)于較高頻率的連續(xù)周期脈寬數(shù)據(jù)采集時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)漏采、漏讀現(xiàn)象，無(wú)法保證有效信息的完整性。為此，潘宇等［4］提出用FPGA［5-8］對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行分頻，降低輸入信號(hào)頻率，利用脈寬測(cè)量法測(cè)得頻率，但極易造成有效信號(hào)丟失，無(wú)法測(cè)得脈寬數(shù)據(jù)。而且該方法需要分別對(duì)FPGA和單片機(jī)［9-10］進(jìn)行編程，者配合使用才能實(shí)現(xiàn)采集要求，程序較為復(fù)雜，成本較高。

本文設(shè)計(jì)了基于直接存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)（Direct Memory Access，DMA）［11-14］的連續(xù)脈寬數(shù)據(jù)采集裝置，利用STM32F7系列單片機(jī)集成的DMA，由外設(shè)直接訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器，加快數(shù)據(jù)傳輸速率，減少控制器處理數(shù)據(jù)的時(shí)間，提高CPU執(zhí)行效率，實(shí)現(xiàn)較寬頻率范圍內(nèi)的多通道［15］連續(xù)脈寬參數(shù)的等精度獲取。

1 DMA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速搬運(yùn)、傳輸

為保證能夠進(jìn)行較寬頻率范圍內(nèi)的連續(xù)信號(hào)采集，減少控制器處理數(shù)據(jù)的時(shí)間，增加數(shù)據(jù)的采集深度，避免漏采、誤采等現(xiàn)象，采用直接存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)外設(shè)與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)快速搬運(yùn)工作，在無(wú)需CPU參與的情況下，后臺(tái)快速移動(dòng)數(shù)據(jù)。在DMA搬運(yùn)數(shù)據(jù)的同時(shí)，CPU可執(zhí)行其他程序，節(jié)省出大量時(shí)間，極大地提高CPU的執(zhí)行效率。

DMA基于AHB總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。集成于片上的定時(shí)器、A／D模塊、D／A模塊以及串口等，可借助于DMA直接訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器。進(jìn)行連續(xù)脈寬測(cè)量時(shí)，定時(shí)器捕獲脈寬長(zhǎng)度，并向DMA控制器提出外設(shè)請(qǐng)求，DMA控制器收到請(qǐng)求后，向CPU發(fā)出總線(xiàn)接管控制請(qǐng)求，CPU會(huì)在執(zhí)行完當(dāng)前周期的總線(xiàn)任務(wù)后，掛起自身總線(xiàn)任務(wù)，將總線(xiàn)控制權(quán)轉(zhuǎn)交DMA控制器，返回請(qǐng)求響應(yīng)，最終建立數(shù)據(jù)搬運(yùn)通道，定時(shí)器輸入捕獲寄存器暫存的脈寬值就可快速搬運(yùn)至事先開(kāi)辟的內(nèi)存區(qū)域存儲(chǔ)，且無(wú)需CPU參與。

圖1 結(jié)構(gòu)原理圖

2 PWM輸入模式實(shí)現(xiàn)等精度脈寬測(cè)量

基于DMA的連續(xù)脈寬數(shù)據(jù)采集裝置采用STM32系列單片機(jī)定時(shí)器的PWM輸入模式進(jìn)行脈寬測(cè)量，其測(cè)量時(shí)序圖如圖2所示。

在PWM輸入模式下，通過(guò)軟件設(shè)置輸入映射，即同一路輸入信號(hào)，在定時(shí)器內(nèi)部映射到兩個(gè)捕獲／比較寄存器上，分別對(duì)其邊沿（上升沿與下降沿）進(jìn)行測(cè)量。在輸入引腳的信號(hào)發(fā)生由0-＞1的電平正跳變時(shí)，內(nèi)部邊沿檢測(cè)器檢測(cè)到躍變信號(hào)的同時(shí)，由觸發(fā)捕獲／比較寄存器（TIMx＿CCRx）鎖存計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值。同時(shí)，計(jì)數(shù)器復(fù)位，重新開(kāi)始計(jì)數(shù)，等待輸入信號(hào)發(fā)生與前一個(gè)信號(hào)沿相反極性的跳變。相應(yīng)地邊沿檢測(cè)器觸發(fā)第2個(gè)捕獲／比較寄存器（TIMx＿CCRx），并鎖存下降沿躍變時(shí)計(jì)數(shù)器的值，至此完成兩次沿捕獲。一次輸入捕獲，由定時(shí)器生成DMA請(qǐng)求，觸發(fā)DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)搬運(yùn)，將所測(cè)的脈寬時(shí)長(zhǎng)快速轉(zhuǎn)移至事先開(kāi)辟的內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖2 等精度脈寬測(cè)量時(shí)序圖

單片機(jī)定時(shí)器輸入捕獲預(yù)分頻系數(shù)PSC，定時(shí)器時(shí)鐘頻率Tclk，則定時(shí)器外部時(shí)鐘輸入脈沖間隔（或稱(chēng)計(jì)數(shù)間隔）為

當(dāng)發(fā)生一次完整的輸入捕獲時(shí)，在整個(gè)高電平時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為N，其脈寬測(cè)量時(shí)間為

理想狀態(tài)下，只要將定時(shí)器與分頻系數(shù)設(shè)置足夠小，即可達(dá)到無(wú)限精確，定時(shí)器的預(yù)分頻系數(shù)需要在0～65 535之間取整設(shè)定。在此，設(shè)定預(yù)分頻系數(shù)PSC為26，那么由式（1）可得知計(jì)數(shù)間隔為0.125 μs。

根據(jù)公式

顯然，在較低頻率下，信號(hào)的周期會(huì)變長(zhǎng)，相應(yīng)正脈寬的時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)。為滿(mǎn)足低頻條件下較長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量，需要設(shè)定重裝值A(chǔ)RR最大。因此，由

即可得出，在定時(shí)器未發(fā)生溢出前提下所能測(cè)得的最大時(shí)間Tmax為8 191.875 μs，取整為8.0 ms。進(jìn)而，由式（3）可算出對(duì)應(yīng)的最低可測(cè)頻率為125 Hz。

通常情況誤差僅存在于定時(shí)器計(jì)數(shù)間隔的間隙誤差中，因此定時(shí)器的預(yù)分頻系數(shù)越高，單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)頻率越高；高電平時(shí)間內(nèi)的采樣速率越快，采樣數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確。此采集裝置所選用主控制器STM32F767系列單片的主晶振時(shí)鐘為216 MHz，定時(shí)器計(jì)數(shù)頻率最高可達(dá)216 MHz。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 總體方案

為實(shí)現(xiàn)對(duì)較寬頻率范圍內(nèi)的連續(xù)脈寬進(jìn)行等精度的高速動(dòng)態(tài)測(cè)量，數(shù)據(jù)采集裝置的主控制器采用了基于ARM Cortex-M7內(nèi)核的STM32F767ZI單片機(jī)，由其完成每個(gè)脈沖周期內(nèi)正脈寬的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)以及顯示輸出等任務(wù)。系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，可實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)數(shù)據(jù)同時(shí)采集。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集裝置主要由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)測(cè)量、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)的輸出顯示。裝置在上電初始化后，開(kāi)啟定時(shí)器的PWM輸入捕獲功能，即開(kāi)啟脈寬測(cè)量，第1次捕獲到上升沿時(shí)，記錄此時(shí)的捕獲時(shí)間，直至捕獲下降沿，完成一次輸入捕獲。啟動(dòng)DMA傳輸?shù)耐瑫r(shí)在屏幕上顯示脈寬數(shù)據(jù)，傳輸完成后清空寄存器數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備再次捕獲脈寬信號(hào)。軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試方案

在Cube MX軟件與Keil中編寫(xiě)并下載單片機(jī)程序，輸入信號(hào)由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器提供。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器選擇RIGOL-DG1022U雙通道函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，采樣速率最高可達(dá)100 MSa／s，能夠同時(shí)輸出兩路5 MHz頻率的方波信號(hào)。在此，由信號(hào)發(fā)生器提供0.125、0.500、1、5、10、50、100、250、500 kHz、1 MHz 等跨度為3個(gè)數(shù)量級(jí)的10個(gè)示例方波信號(hào)，分別由示波器和采集裝置對(duì)其每個(gè)連續(xù)周期的高電平脈寬信號(hào)進(jìn)行采集。

波形顯示由示波器完成。選用RIGOL-DS1074四通道示波器，示波器最大分辨率1 GSa／s，最高可測(cè)量70 MHz輸入信號(hào)。

（1）精度測(cè)試。通過(guò)與函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的標(biāo)準(zhǔn)輸出量、示波器的示數(shù)以及數(shù)據(jù)采集裝置測(cè)得的數(shù)據(jù)三者進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集裝置的精確度，采集測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

（2）丟數(shù)測(cè)試。在程序軟件上拓寬內(nèi)存區(qū)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)深度，加以定時(shí)器輔助控制單位時(shí)間長(zhǎng)短，通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)（設(shè)置為1 s）的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集裝置是否發(fā)生數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。

圖4 裝置測(cè)試圖

4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

圖5表明，該數(shù)據(jù)采集裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)頻率125 Hz～1 MHz的等精度連續(xù)高電平脈寬的測(cè)量，測(cè)量相對(duì)誤差均小于0.05%。高頻率段（5 kHz～1 MHz）時(shí)，實(shí)現(xiàn)零誤差測(cè)量，顯示了良好的準(zhǔn)確度與實(shí)時(shí)性。

圖5 測(cè)試數(shù)據(jù)誤差分析

由圖6可以看出，整個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)試周期內(nèi)無(wú)丟數(shù)現(xiàn)象，解決了傳統(tǒng)的單片機(jī)高頻數(shù)據(jù)采集時(shí)易漏采、丟數(shù)的技術(shù)難題。

圖6 丟數(shù)驗(yàn)證

5 結(jié) 語(yǔ)

在STM32F767單片機(jī)平臺(tái)上使用C語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行程序編寫(xiě)，基于單片機(jī)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)對(duì)方波連續(xù)脈寬數(shù)據(jù)的等精度測(cè)量。利用DMA傳輸技術(shù)，減少系統(tǒng)耗時(shí)，增強(qiáng)系統(tǒng)即時(shí)性，保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。該數(shù)據(jù)采集裝置不僅突破了傳統(tǒng)高頻連續(xù)脈寬信號(hào)采集存在的諸多技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路較寬頻率范圍內(nèi)連續(xù)脈寬信號(hào)的高精度測(cè)量，而且拓寬了DMA技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。