1、綜述

在工業(yè)控制中，經(jīng)常需要獲取脈沖信號計數(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)已實現(xiàn)外部輸入脈沖信號的計數(shù)、頻率、周期、占空比測量功能。

主要功能及技術(shù)指標如下：

1、讀取一段時間內(nèi)的外部輸入脈沖信號計數(shù)值。

2、外部輸入脈沖信號周期、有效脈寬測量。

3、根據(jù)測得周期計算外部輸入脈沖信號瞬時頻率。

4、根據(jù)測得計數(shù)值和測量時間間隔計算兩次有效信號讀取時間內(nèi)外部輸入脈沖信號重復(fù)頻率（平均頻率）。

5、測得誤差200KHz左右時最大，瞬時頻率誤差不超過0.1%,重復(fù)頻率誤差不超過0.005%，占空比誤差不超過0.05%，計數(shù)值測量準確無誤差。

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）可以用來進行外界輸入的脈沖信號計數(shù)、頻率、占空比測量，相應(yīng)的GPIO復(fù)用腳為GPIO6和GPIO7, 對應(yīng)的引腳請參考光盤資料《ESMARC 335x工控主板數(shù)據(jù)手冊》，用戶使用脈沖波輸入計數(shù)功能時可將外來信號接到上述兩個GPIO管腳中的任意一個，并且地線與開發(fā)板接地引腳相連，然后在應(yīng)用程序中獲得計數(shù)值、頻率、占空比。若用戶啟用了脈沖輸入計數(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：

1、GPIO管腳最大只允許輸入3.3V電壓，超過將會導(dǎo)致開發(fā)板損壞！以開發(fā)板接地腳為基準，負值電壓無效，不符合電壓要求時需要設(shè)計緩沖放大電路。

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

3、應(yīng)用程序

為了簡化用戶使用脈沖計數(shù)功能，內(nèi)部使用了原pwm輸出模塊，Linux系統(tǒng)內(nèi)部沒有增加新的設(shè)備節(jié)點，使用設(shè)備的計數(shù)功能（capture模式，后文簡稱cap），仍然需要使用pwm模式的設(shè)備節(jié)點進行模塊功能設(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)置輸入信號極性

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

//以下為輸出參數(shù)，輸入無效

unsigned longdwTimeUs;//兩次讀取之間的時間差

unsigned intdwCount;//兩次讀取之間的計數(shù)值

unsigned intdwPeriodNs;//讀取時刻脈沖周期

unsigned intdwWidthNs;//讀取時刻的脈沖有效脈寬

}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時用于停止計數(shù)功能，dwMaxFreq不為零時用于設(shè)置輸入信號最大頻率，最大頻率不應(yīng)超過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數(shù)值，單位為 個。

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

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

7、用戶可根據(jù)dwPeriodNs和dwWidthNs計算占空比。

8、用戶可根據(jù)dwPeriodNs計算讀操作時的脈沖信號頻率。

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

（2）函數(shù)及系統(tǒng)調(diào)用

在進行計數(shù)操作時，首先打開相應(yīng)的設(shè)備節(jié)點/dev/em335x_pwmX,X為編號（1或者2）,使能設(shè)備開始計數(shù)相關(guān)代碼：

a)打開設(shè)備節(jié)點：

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);

}

}

用戶只需要調(diào)用此函數(shù)即可使能脈沖信號計數(shù)功能，并且計數(shù)功能開始計數(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)在計數(shù)過程中可以調(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;

}

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

根據(jù)測量值可以計算脈沖頻率并轉(zhuǎn)換單位，注意測得dwCount小于2時其他參數(shù)均無效：

doublePeriodUs;//單位us

doubleWidthUs;//單位us

doubleDuty;//單位%

intCount;//個數(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)點同事停止使用計數(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。

close(fd);

e)觸發(fā)機制（選讀）：

如下圖所示，在每一次上升沿或者下降沿處會觸發(fā)硬件捕獲功能，獲得輸入脈沖信號的參數(shù)并保存，應(yīng)用程序中在任意時刻調(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，得到的計數(shù)值為2，時間差為（硬件觸發(fā)2-硬件觸發(fā)1）的時間差。用戶使用時請注意輸入信號有效時間段。所得時間不能作為兩次讀操作之間的時間差使用。如果要將讀取的時間值作為兩次讀操作的時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、實驗測量

由于硬件的限制，測得瞬時頻率、周期、占空比精度有限。硬件操作使用的時鐘信號為100MHz，即周期、有效脈寬時間只能得到高于10ns的數(shù)值。平均頻率的測量需要保證整個測量時間段內(nèi)輸入脈沖信號一直有脈沖輸入！平均頻率的誤差整個測量范圍內(nèi)不超過10Hz。實驗使用RIGOL DG1022 信號發(fā)生器作為外部脈沖信號源，可以調(diào)整信號周期占空比，設(shè)置一定時間內(nèi)的脈沖個數(shù)。

頻率測量（kHz）：

測得瞬時數(shù)據(jù)誤差隨頻率增加而變大，具體數(shù)據(jù)可根據(jù)測量時間最小值10NS進行計算。

在150KHz時測量的不同占空比值如下表：

在100KHz時測量的不同占空比值如下表：

在100KHz時連續(xù)測量的1S內(nèi)脈沖個數(shù)如下表（信號源輸入個數(shù)設(shè)置模式上限50K個，通過設(shè)置信號源取不同輸入值）：

注：當(dāng)頻率升高時，系統(tǒng)高負荷運轉(zhuǎn)，實際讀取時間差變化加大，如果連續(xù)讀取，讀到的計數(shù)值要以讀到的時間差為準進行數(shù)值判斷，實際讀取個數(shù)并無誤差。

計數(shù)值在允許輸入頻率內(nèi)無誤差。

如果需要使用此功能或有任何疑問，請和我們聯(lián)系。