航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所 王雅薈 周 驍 孫旭升

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油流量值主要用于計(jì)算飛機(jī)的燃油油耗，具有重要意義。當(dāng)燃油流量傳感器流過燃油時(shí)，會(huì)驅(qū)動(dòng)鼓輪和葉輪，產(chǎn)生兩個(gè)脈沖信號(hào)，通過硬件電路轉(zhuǎn)換成上升沿通過采集兩者的相位差，并通過固定公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，能夠獲取燃油流量值。流量采集基于一種流量傳感器的特性，提出了一種基于處理器內(nèi)部的DMA雙數(shù)據(jù)流，巧妙得實(shí)現(xiàn)了同步采集三線制流量傳感器的START與STOP之間的相位差的功能，同時(shí)具備準(zhǔn)確識(shí)別流量采集丟失的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)超時(shí)故障檢測(cè)功能。

1 流量信號(hào)采集方法

流量信號(hào)的脈沖特性為1Hz（1s）～8Hz（125ms）。

1.1 定時(shí)器功能描述

可編程高性能控制定時(shí)器的主要架構(gòu)是一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器以及與它相關(guān)聯(lián)的自動(dòng)加載寄存器。定時(shí)器可以計(jì)數(shù)加法，計(jì)數(shù)減法。定時(shí)器，配有自動(dòng)加載寄存器和預(yù)分頻寄存器，寄存器的讀/寫都可以通過軟件來操作。

自動(dòng)加載寄存器可以被預(yù)加載。可以通過讀/寫自動(dòng)加載寄存器已獲取預(yù)加載寄存器的數(shù)值。如圖1所示。

圖1 自動(dòng)加載寄存器

1.2 獲取定時(shí)器的技術(shù)頻率

選用高級(jí)控制定時(shí)器（TIM1）包含一個(gè)16位自動(dòng)重載計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器可由可編程預(yù)分頻器驅(qū)動(dòng)。TIM1與用來計(jì)算STOP頻率的定時(shí)器（TIM8）完全獨(dú)立，不共享任何資源。

TIM1主要模塊是一個(gè)16位計(jì)數(shù)器以及相關(guān)的自動(dòng)重載寄存器。計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘可通過預(yù)分頻器進(jìn)行分頻。使用計(jì)數(shù)器的遞增功能，其時(shí)鐘可通過預(yù)分頻器進(jìn)行分頻。

計(jì)數(shù)器（TIMx_CNT）、預(yù)分頻器寄存器（TIMx_PSC）以及自動(dòng)重載寄存器（TIMx_ARR）自動(dòng)重載寄存器和預(yù)分頻器寄存器可通過軟件進(jìn)行讀寫。

首先配置計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率。通過HSE時(shí)鐘源選擇系統(tǒng)時(shí)鐘源為輸入時(shí)鐘，配置為25MHz。通過配置相應(yīng)寄存器的對(duì)應(yīng)分頻位，將APB2即定時(shí)器的總線頻率為200MHz，如圖2所示。

圖2 APB2的定時(shí)器總線時(shí)鐘

1.3 采集原理

配置流量START的采集通過TIM1_CH1，STOP的采集通過TIM2_CH2。在時(shí)鐘的總線頻率為200MHz的前提下，頻率采集函數(shù)的調(diào)用周期為40ms，采集超時(shí)時(shí)間為1010ms，當(dāng)超過這個(gè)時(shí)間認(rèn)為頻率輸入為0，最終值取4次采集頻率的平均值。超時(shí)使用的計(jì)數(shù)器，設(shè)置計(jì)算頻率的模式，采用間接模式，采集結(jié)果就是信號(hào)的周期。

配置TIM1的模式，TIM1的觸發(fā)源為TI1FP1，即連接通道1的START定時(shí)器的16位預(yù)分頻值為31249，自動(dòng)加載寄存器的16位的值為65536，內(nèi)部時(shí)鐘的分頻器（CKD）為4，即定時(shí)器時(shí)鐘（CK_INT）頻率與數(shù)字濾波器所使用的采用時(shí)鐘（ETR、TIx）之間的分頻比。tDTS=4×tCK_INT。并通過設(shè)置TIMx_EGR寄存器中的UG位用作觸發(fā)輸出(TRGO)。

采用捕獲/比較通道核心在于一個(gè)捕獲/比較寄存器（包括一個(gè)影子寄存器）、一個(gè)捕獲輸入階段（包括一個(gè)數(shù)字濾波器）和一個(gè)輸出階段構(gòu)建而成。輸入階段對(duì)應(yīng)的TIx輸入進(jìn)行采集，生成一個(gè)濾波后的信號(hào)TIxF，經(jīng)過帶有極性選擇功能的邊沿檢測(cè)器生成一個(gè)信號(hào)（TIxFPx），當(dāng)做捕獲命令時(shí)，該信號(hào)先進(jìn)行分頻，然后再進(jìn)入捕獲寄存器。

在輸入捕獲模式下，當(dāng)相應(yīng)的ICx信號(hào)檢測(cè)到跳變沿后。使用捕獲寄存器（TIMx_CCRx）來鎖存計(jì)數(shù)器。發(fā)生捕獲事件時(shí)，會(huì)將相應(yīng)的CCXIF標(biāo)識(shí)（TIMx_SR寄存器）置1，并發(fā)送DMA請(qǐng)求。配置TIM1的通道1的外部觸發(fā)極性（ETP）為上升沿觸發(fā)模式。

根據(jù)連接到定時(shí)器的信號(hào)，對(duì)所需的輸入濾波時(shí)間進(jìn)行編程。當(dāng)信號(hào)變化時(shí)，輸入信號(hào)最多在5個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期內(nèi)發(fā)生抖動(dòng)。程序配置成6，即檢測(cè)到有6個(gè)新電平的連續(xù)采樣（以fDTS頻率采樣）后，當(dāng)檢測(cè)到TIM1的通道1的上升沿后，發(fā)送CCx DMA請(qǐng)求。

start與stop的相位差以及start信號(hào)采集采用同一個(gè)Timer（Timer1），stop信號(hào)采集使用另一個(gè)Timer（Timer8）。由于Start信號(hào)先于Stop信號(hào)，計(jì)算相位差時(shí)，當(dāng)start信號(hào)上升沿到來時(shí)，觸發(fā)DMA數(shù)據(jù)流1中斷，Cnt清零，并開始計(jì)數(shù)。當(dāng)stop信號(hào)上升沿到來時(shí)，觸發(fā)DMA數(shù)據(jù)流2中斷。

處理器內(nèi)部數(shù)據(jù)流表如表1所示。

表1 處理器內(nèi)部數(shù)據(jù)流表

1.4 定時(shí)器產(chǎn)生的DMA中斷

選用的處理器定時(shí)器TIM1被視為復(fù)雜的通用定時(shí)器，屬于高性能定時(shí)器。它的四個(gè)獨(dú)立的通道可以被用作包括輸入捕獲、輸出比較、PWM發(fā)生器以及單脈沖輸出模式。

進(jìn)入中斷后的直接存儲(chǔ)訪問（DMA）在不需要CPU支持的情況下，完成存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器之間的傳輸。將TIM1_CH1連接到DMA2的數(shù)據(jù)流1，將TIM1_CH2連接到DMA2的數(shù)據(jù)流2。將兩者的優(yōu)先級(jí)都設(shè)置為中優(yōu)先級(jí)，由于編號(hào)低的數(shù)據(jù)流優(yōu)先于編號(hào)高的數(shù)據(jù)流。使用存儲(chǔ)器的兩個(gè)存儲(chǔ)器指針的雙緩沖區(qū)傳輸（當(dāng)DMA正在進(jìn)行自/至緩沖區(qū)的讀/寫操作時(shí)）。配置數(shù)據(jù)寬度為半字。

（1）計(jì)算兩路的頻率

將START上升沿作為DMA中斷觸發(fā)源，寄存器中記錄START的計(jì)數(shù)值，同步記錄STOP的計(jì)數(shù)值。用STOP的計(jì)數(shù)值減去START的計(jì)數(shù)值再與時(shí)鐘頻率相乘，就是相位差。

（2）故障超時(shí)累計(jì)

利用超時(shí)計(jì)算器，任務(wù)調(diào)度時(shí)間為40ms。每采集一次頻率值，以最嚴(yán)苛的條件為例，當(dāng)頻率為1Hz時(shí)，采集時(shí)記錄最新點(diǎn)的索引值，若新點(diǎn)索引和上次相同，則累積錯(cuò)誤計(jì)數(shù)值，如果錯(cuò)誤次數(shù)乘以采樣周期超過了1010ms，則認(rèn)為超時(shí)，流量信號(hào)丟失。

2 總結(jié)

通過采用DMA雙數(shù)據(jù)流的相位差采集以及超時(shí)檢測(cè)的計(jì)算方法，能夠準(zhǔn)確計(jì)算出流量信號(hào)脈動(dòng)轉(zhuǎn)換后方波信號(hào)的相位差，實(shí)現(xiàn)流量值的計(jì)算，并完成傳感器信號(hào)丟失檢測(cè)。