英創(chuàng)信息技術(shù)脈沖計(jì)數(shù)功能在ESM335x-Linux主板上的實(shí)現(xiàn)

1、綜述

在工業(yè)控制中，經(jīng)常需要獲取脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)值、頻率、周期、占空比等參數(shù)。英創(chuàng)嵌入式主板ESM335X系列 Linux系統(tǒng)現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)外部輸入脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)、頻率、周期、占空比測(cè)量功能。

主要功能及技術(shù)指標(biāo)如下：

1、讀取一段時(shí)間內(nèi)的外部輸入脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)值。

2、外部輸入脈沖信號(hào)周期、有效脈寬測(cè)量。

3、根據(jù)測(cè)得周期計(jì)算外部輸入脈沖信號(hào)瞬時(shí)頻率。

4、根據(jù)測(cè)得計(jì)數(shù)值和測(cè)量時(shí)間間隔計(jì)算兩次有效信號(hào)讀取時(shí)間內(nèi)外部輸入脈沖信號(hào)重復(fù)頻率（平均頻率）。

5、測(cè)得誤差200KHz左右時(shí)最大，瞬時(shí)頻率誤差不超過(guò)0.1%,重復(fù)頻率誤差不超過(guò)0.005%，占空比誤差不超過(guò)0.05%，計(jì)數(shù)值測(cè)量準(zhǔn)確無(wú)誤差。

2、硬件連接

ESM335X系列嵌入式主板引出了3路PWM輸出，其中兩路（PWM1和PWM2）可以用來(lái)進(jìn)行外界輸入的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)、頻率、占空比測(cè)量，相應(yīng)的GPIO復(fù)用腳為GPIO6和GPIO7, 對(duì)應(yīng)的引腳請(qǐng)參考光盤(pán)資料《ESMARC 335x工控主板數(shù)據(jù)手冊(cè)》，用戶(hù)使用脈沖波輸入計(jì)數(shù)功能時(shí)可將外來(lái)信號(hào)接到上述兩個(gè)GPIO管腳中的任意一個(gè)，并且地線(xiàn)與開(kāi)發(fā)板接地引腳相連，然后在應(yīng)用程序中獲得計(jì)數(shù)值、頻率、占空比。若用戶(hù)啟用了脈沖輸入計(jì)數(shù)功能，則相應(yīng)管腳不能再作為PWM脈沖輸出或GPIO使用。

使用注意事項(xiàng)：

1、GPIO管腳最大只允許輸入3.3V電壓，超過(guò)將會(huì)導(dǎo)致開(kāi)發(fā)板損壞！以開(kāi)發(fā)板接地腳為基準(zhǔn)，負(fù)值電壓無(wú)效，不符合電壓要求時(shí)需要設(shè)計(jì)緩沖放大電路。

2、輸入脈沖波最大頻率不應(yīng)超過(guò)200KHz！超過(guò)之后由于硬件限制測(cè)量誤差將急劇變大。

3、應(yīng)用程序

為了簡(jiǎn)化用戶(hù)使用脈沖計(jì)數(shù)功能，內(nèi)部使用了原pwm輸出模塊，Linux系統(tǒng)內(nèi)部沒(méi)有增加新的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，使用設(shè)備的計(jì)數(shù)功能（capture模式，后文簡(jiǎn)稱(chēng)cap），仍然需要使用pwm模式的設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模塊功能設(shè)置。

（1）程序中使用到的結(jié)構(gòu)體及常量定義

與內(nèi)核直接交換數(shù)據(jù)讀取設(shè)備原始測(cè)量值的結(jié)構(gòu)體為cap_config_info,應(yīng)用于read、write函數(shù)：

typedef struct cap_config_info

{

//以下為輸入?yún)?shù)

unsigned intdwPolarity;//設(shè)置輸入信號(hào)極性

unsigned intdwMaxFreq;//設(shè)置輸入信號(hào)最大頻率

//以下為輸出參數(shù)，輸入無(wú)效

unsigned longdwTimeUs;//兩次讀取之間的時(shí)間差

unsigned intdwCount;//兩次讀取之間的計(jì)數(shù)值

unsigned intdwPeriodNs;//讀取時(shí)刻脈沖周期

unsigned intdwWidthNs;//讀取時(shí)刻的脈沖有效脈寬

}CAP_INFO, *PCAP_INFO;

1、dwPolarity用于設(shè)置輸入脈沖信號(hào)極性,可設(shè)為PWM_POLARITY_NORMAL和PWM_POLARITY_INVERTED，定義在pwm_api.h頭文件中。

2、dwMaxFreq等于0時(shí)用于停止計(jì)數(shù)功能，dwMaxFreq不為零時(shí)用于設(shè)置輸入信號(hào)最大頻率，最大頻率不應(yīng)超過(guò)200KHz，輸入單位為Hz。

3、dwTimeUs為輸出參數(shù)，讀取獲得上次讀操作（或使能操作）到本次讀操作之間的時(shí)間差，單位為us。

4、dwCount為輸出參數(shù)，讀取獲得上次讀操作（或使能操作）到本次讀操作之間的計(jì)數(shù)值，單位為 個(gè)。

5、dwPeriodNs為輸出參數(shù)，讀取獲得本次讀操作時(shí)脈沖信號(hào)周期， 單位為ns。

6、dwWidthNs為輸出參數(shù)，讀取獲得本次讀操作時(shí)脈沖信號(hào)有效脈沖寬度，單位為ns。

7、用戶(hù)可根據(jù)dwPeriodNs和dwWidthNs計(jì)算占空比。

8、用戶(hù)可根據(jù)dwPeriodNs計(jì)算讀操作時(shí)的脈沖信號(hào)頻率。

9、用戶(hù)可根據(jù)dwTimeUs和dwCount計(jì)算兩次讀操作之間的輸入信號(hào)的平均頻率。

（2）函數(shù)及系統(tǒng)調(diào)用

在進(jìn)行計(jì)數(shù)操作時(shí)，首先打開(kāi)相應(yīng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)/dev/em335x_pwmX,X為編號(hào)（1或者2）,使能設(shè)備開(kāi)始計(jì)數(shù)相關(guān)代碼：

a)打開(kāi)設(shè)備節(jié)點(diǎn)：

intnpwm = 1;

sprintf( device, "/dev/em335x_pwm%d", npwm );

fd = open(device, O_RDWR);

if ( fd < 0)

{

printf("can not open /dev/em335x_pwm%d device file! ", npwm);

return -1;

}

printf( "Open %s ", device );

b)使能cap模式：

int CAP_Start(int fd, unsigned int polarity, unsigned int maxfreq )

{

int rc;

struct cap_config_infoconf;

memset(&conf, 0 ,sizeof(struct cap_config_info))

conf.dwPolarity = polarity;

conf.dwMaxFreq = maxfreq;

rc = write(fd, &conf, sizeof(struct cap_config_info));

if ( rc == 0 )

return rc;

else

{

printf( " config for cap model failed! ");

exit(1);

}

}

用戶(hù)只需要調(diào)用此函數(shù)即可使能脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)功能，并且計(jì)數(shù)功能開(kāi)始計(jì)數(shù)。也可自己設(shè)置參數(shù)調(diào)用write使能cap模式。如：

#include "pwm_api.h"

unsigned intpolarity = PWM_POLARITY_NORMAL;

unsigned intmaxfreq = 200000000;

CAP_Start( fd, polarity, maxfreq );

c)在計(jì)數(shù)過(guò)程中可以調(diào)用read函數(shù)或者我們提供的CAP_Read函數(shù)讀取測(cè)量數(shù)值：

int CAP_Read(int fd, struct cap_config_info* conf )

{

printf ( "reading^^^^^^^ " );

int rc;

rc = read(fd, conf, sizeof(struct cap_config_info));

return rc;

}

用戶(hù)可根據(jù)自己需要在任意時(shí)刻選擇調(diào)用此函數(shù)或者直接調(diào)運(yùn)read獲取測(cè)量值。

根據(jù)測(cè)量值可以計(jì)算脈沖頻率并轉(zhuǎn)換單位，注意測(cè)得dwCount小于2時(shí)其他參數(shù)均無(wú)效：

doublePeriodUs;//單位us

doubleWidthUs;//單位us

doubleDuty;//單位%

intCount;//個(gè)數(shù)

doubleFreq;//單位Hz

doubleAVGFreq;//單位Hz

unsigned int TimeUs;//單位us

CAP_Read ( fd, &conf );

Count = conf.dwCount;

if(Count>1)

{

PeriodUs = (double)conf.dwPeriodNs/1000.0;//單位轉(zhuǎn)換

WidthUs = (double)conf.dwWidthNs/1000.0;

Duty = (double)conf.dwWidthNs*100000.0/conf.dwPeriodNs;

Freq = CAP_CLK_FREQ/(double)conf.dwPeriodNs;

AVGFreq = (double)conf.dwCount*CAP_CLK_FREQ/(double)conf.dwTimeUs;

}

else

{

PeriodUs = 0;

WidthUs = 0;

Duty = 0;

Freq = 0;

AVGFreq = 0;

}

d)使用完成后需要關(guān)閉計(jì)數(shù)功能，同樣可以自行設(shè)置參數(shù)調(diào)用write或者使用CAP_Stop，也可以直接使用close關(guān)閉設(shè)備節(jié)點(diǎn)同事停止使用計(jì)數(shù)功能：

int CAP_Stop(int fd )

{

printf ( "stopping^^^^^^^ " );

int rc;

struct cap_config_infoconf;

memset( &conf, 0, sizeof(struct pwm_config_info));

conf.dwMaxFreq = 0;

rc = write(fd, &conf, sizeof(struct cap_config_info));

return rc;

}

調(diào)用上述函數(shù)：

CAP_Stop( fd);

使用完成后需要關(guān)閉設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

close(fd);

e)觸發(fā)機(jī)制（選讀）：

如下圖所示，在每一次上升沿或者下降沿處會(huì)觸發(fā)硬件捕獲功能，獲得輸入脈沖信號(hào)的參數(shù)并保存，應(yīng)用程序中在任意時(shí)刻調(diào)用讀操作得到的數(shù)據(jù)是最近一次上升沿或下降沿處的數(shù)據(jù)。此圖中調(diào)用read1一之后調(diào)用read2，得到的計(jì)數(shù)值為2，時(shí)間差為（硬件觸發(fā)2-硬件觸發(fā)1）的時(shí)間差。用戶(hù)使用時(shí)請(qǐng)注意輸入信號(hào)有效時(shí)間段。所得時(shí)間不能作為兩次讀操作之間的時(shí)間差使用。如果要將讀取的時(shí)間值作為兩次讀操作的時(shí)間值需要在前一次讀操作后調(diào)用CAP_Start或直接用write函數(shù)傳遞相同參數(shù)清零硬件保存值。

4、實(shí)驗(yàn)測(cè)量

由于硬件的限制，測(cè)得瞬時(shí)頻率、周期、占空比精度有限。硬件操作使用的時(shí)鐘信號(hào)為100MHz，即周期、有效脈寬時(shí)間只能得到高于10ns的數(shù)值。平均頻率的測(cè)量需要保證整個(gè)測(cè)量時(shí)間段內(nèi)輸入脈沖信號(hào)一直有脈沖輸入！平均頻率的誤差整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)不超過(guò)10Hz。實(shí)驗(yàn)使用RIGOL DG1022 信號(hào)發(fā)生器作為外部脈沖信號(hào)源，可以調(diào)整信號(hào)周期占空比，設(shè)置一定時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)。

頻率測(cè)量（kHz）：

測(cè)得瞬時(shí)數(shù)據(jù)誤差隨頻率增加而變大，具體數(shù)據(jù)可根據(jù)測(cè)量時(shí)間最小值10NS進(jìn)行計(jì)算。

在150KHz時(shí)測(cè)量的不同占空比值如下表：

在100KHz時(shí)測(cè)量的不同占空比值如下表：

在100KHz時(shí)連續(xù)測(cè)量的1S內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)如下表（信號(hào)源輸入個(gè)數(shù)設(shè)置模式上限50K個(gè)，通過(guò)設(shè)置信號(hào)源取不同輸入值）：

注：當(dāng)頻率升高時(shí)，系統(tǒng)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)際讀取時(shí)間差變化加大，如果連續(xù)讀取，讀到的計(jì)數(shù)值要以讀到的時(shí)間差為準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)值判斷，實(shí)際讀取個(gè)數(shù)并無(wú)誤差。

計(jì)數(shù)值在允許輸入頻率內(nèi)無(wú)誤差。

如果需要使用此功能或有任何疑問(wèn)，請(qǐng)和我們聯(lián)系。