摘 要： 首先闡述了數(shù)字式定時器在回旋管測試臺系統(tǒng)中的組成框圖及其重要性。研究并利用數(shù)字處理器的外部總線接口實(shí)現(xiàn)了對可編程器件的連接控制，并重點(diǎn)敘述了總線的讀寫時序關(guān)系和有關(guān)接口模塊的實(shí)現(xiàn)代碼。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮了過脈寬和過占空比現(xiàn)象對設(shè)備的影響并給出了有效解決方案。借助人機(jī)界面設(shè)備可以很方便地實(shí)現(xiàn)對定時器的輸出脈沖寬度和重復(fù)頻率的設(shè)置，同時還解決了參數(shù)記憶保存的問題?；跀?shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)了對嵌入式芯片的控制，該方式對普通自制式儀表設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

　　關(guān)鍵詞： 數(shù)字式定時器；過脈寬/占空比保護(hù)；總線接口；人機(jī)界面

0 引言

　　在工程設(shè)備的測試臺設(shè)計(jì)中，比如功率回旋管測試臺，都不能缺少用于產(chǎn)生脈沖信號的定時器儀表。目前主流的儀表廠家都有各種型號的信號發(fā)生器可供選擇，能產(chǎn)生正炫、方波、三角波、噪聲等形式波形，帶寬也從幾赫茲到幾個吉赫茲不等。但在回旋管測試臺中需要的是頻率在10 Hz~3 kHz以下、寬度在10~200 μs的定時信號。定時輸出信號既要求能自激產(chǎn)生，同時也能夠接收外部觸發(fā)同步產(chǎn)生。輸出信號形式分導(dǎo)前脈沖、開啟脈沖和切尾脈沖等三種不同形式。在這種情況下一般儀表就不適應(yīng)了，必須重新設(shè)計(jì)滿足回旋管測試臺要求的定時電路。在功能控制上要求智能化，具備計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制接口[1]。

1 定時器組成原理

　　數(shù)字式定時器上的中央處理器選用的是美國德州儀器公司生產(chǎn)的TMS320F28335芯片。數(shù)字式定時器要產(chǎn)生的波形參數(shù)既可以采用遠(yuǎn)程人機(jī)交互界面進(jìn)行設(shè)置，也可通過印制板上的硬件按鈕來設(shè)置定時脈沖頻率和脈沖寬度。

　　數(shù)字式定時器由內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種方式來產(chǎn)生同步脈沖。內(nèi)觸發(fā)一般用于系統(tǒng)調(diào)試和設(shè)備維修，外觸發(fā)則用于設(shè)備系統(tǒng)工作。調(diào)制脈沖的脈沖寬度和重復(fù)頻率都在定時器中內(nèi)部EPLD里形成，控制精度達(dá)到5 ns。數(shù)字式定時器輸出的多路脈沖信號均經(jīng)過光電隔離處理最后通過光纖接口輸出。在測試臺系統(tǒng)中，數(shù)字式定時器輸出的導(dǎo)前脈沖發(fā)給前級放大器，開啟脈沖發(fā)給調(diào)制器開關(guān)，切尾脈沖發(fā)給切尾開關(guān)，另備有兩路輸出留給系統(tǒng)擴(kuò)展，這三路脈沖之間的相對延遲均可以軟件調(diào)節(jié)。

　　數(shù)字式定時器還支持?jǐn)?shù)據(jù)設(shè)置記憶的存儲功能，目的是方便用戶將上一次存儲的信號設(shè)置方便快捷地調(diào)出。記憶芯片采用電可擦寫存儲芯片AT24C08，處理芯片通過I2C總線與其完成數(shù)據(jù)交換。該芯片采用CMOS工藝，可靠性非常高，其存放數(shù)據(jù)可連續(xù)擦寫100萬次，保存年限能達(dá)到100年。圖1所示為數(shù)字式定時器組成原理圖。

2 外部總線接口設(shè)計(jì)

　　TMS320F28335芯片具有單獨(dú)的數(shù)據(jù)總線、地址總線、讀/寫、控制使能等專門用于擴(kuò)展外部總線的接口。使用F28335芯片的外部接口功能（XINTF功能）可以很方便地?cái)U(kuò)展具有總線接口的外部異步器件，如A/D采樣芯片、數(shù)字存儲芯片等。

　　XINTF接口功能使得F28335芯片可以與不同設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無縫連接，包括EPLD。 在自制的定時器中把EPM1270當(dāng)做外部芯片，用總線方式連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。其相關(guān)的實(shí)現(xiàn)連接功能的邏輯控制電路在EPLD里完成。

　　F28335的XINTF接口既可以配置成16位模式，也可以配置成32位模式[2]。下面以常用的16位模式來說明連接方式。如圖2所示。

　　考慮到F28335和外部器件速度不匹配的情況，一般采用異步方式來讀寫控制。

　　圖3所示是標(biāo)準(zhǔn)讀時序圖，在讀信號低有效且等到同步XREADY信號穩(wěn)定2個時鐘周期后數(shù)據(jù)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時才開始讀。在讀信號由低變高時完成讀操作。

　　與讀時序圖一樣，在寫信號為低有效時，寫數(shù)據(jù)已經(jīng)在數(shù)據(jù)總線上，但不立即寫入，由圖4分析得到，要等同步信號XREADY達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后在寫信號由低變高時完成寫操作。

　　有關(guān)F28335的連接采用VHDL語言來實(shí)現(xiàn),其有關(guān)總線地址譯碼模塊的代碼如下：

　　有關(guān)內(nèi)部端口輸入輸出控制功能的模塊代碼如下：

3 過脈寬和過占空比保護(hù)

　　大功率脈沖回旋管本身對輸入的脈沖技術(shù)指標(biāo)要求非常嚴(yán)格。在實(shí)際使用中，對脈沖寬度和脈沖工作比必須加以實(shí)時監(jiān)控和保護(hù)[3]。實(shí)時監(jiān)測輸入的觸發(fā)定時脈沖，并進(jìn)行過脈寬（過τ）保護(hù)和過占空比（過D）保護(hù)是自制數(shù)字式定時器電路的另一個主要功能。該部分保護(hù)功能是在EPLD中完成的。基本組成框圖如圖5所示。

　　采用同一頻率源的兩個分頻信號n×clk和m×clk作為計(jì)數(shù)器時鐘，對定時脈沖的正脈寬和負(fù)脈寬進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過對m和n的調(diào)整，修改占空比D = n/(n+m)。脈沖計(jì)數(shù)器負(fù)責(zé)對正、負(fù)脈沖計(jì)數(shù)，脈沖鎖存器負(fù)責(zé)鎖存脈寬計(jì)數(shù)結(jié)果（在當(dāng)前脈沖結(jié)束時鎖存），過τ比較模塊將正脈沖計(jì)數(shù)結(jié)果與過τ門限比較，輸出過τ控制信號。過D比較模塊通過對正、負(fù)脈沖計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行比較，輸出過D控制信號。

　　該電路在大多數(shù)情況下，已經(jīng)能很好地完成過D、過τ保護(hù)功能。但在出現(xiàn)工作周期達(dá)秒量級以及多重頻時需要改進(jìn)。

　　當(dāng)工作周期很大時需要兼顧最小脈寬所要求的計(jì)數(shù)精度。例如，當(dāng)前晶振頻率為20 MHz，則計(jì)數(shù)時鐘精度為50 ns，如果最大周期為５s，則需要計(jì)數(shù)器長度為26 bit，這樣EPLD中所有數(shù)據(jù)總線上的鎖存器、比較器都必須設(shè)為26 bit，從而占用大量內(nèi)部資源。假設(shè)最大允許脈寬為τ，而最大允許占空比為D，設(shè)在無過D故障時需要計(jì)數(shù)的負(fù)脈寬為Y ，則D = τ/(τ + Y) ，推出Y =τ(1 -D)/ D ，因此對負(fù)脈寬的計(jì)數(shù)只需計(jì)到Y(jié)就可以滿足過D和過τ檢測的需要。如圖6所示，t1~t2時間段對正脈沖計(jì)數(shù)，在下降t2沿正脈沖計(jì)數(shù)停止；t2~t3時間段對負(fù)脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)滿Y（到t3）后停止負(fù)脈沖計(jì)數(shù)，等待下一周期開始（t4）時鎖存2個計(jì)數(shù)結(jié)果。此方法可以減少可編程器件內(nèi)部資源的消耗。

　　此外，在多重頻工作的情況下，首先要對定時信號進(jìn)行分析，根據(jù)信號各自的特征找出規(guī)律，處理方法也有相應(yīng)變化。以下就對其中一種多重頻脈沖情況加以說明，如圖7所示。

　　這是一種非常典型的帶導(dǎo)前脈沖的定時信號，需要對周期T進(jìn)行過D、過τ保護(hù)。周期T中包含T1和T2兩個小周期，其中T1為導(dǎo)前脈沖，導(dǎo)前的負(fù)脈沖Y1寬度與Y2相比非常小，通常在20 μs以下。利用這一規(guī)律在電路中增加一個導(dǎo)前判斷模塊，在該模塊中對負(fù)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值小于Y1時，數(shù)據(jù)鎖存控制端在接收到信號上升沿（T2上升沿）時不動作，鎖存器輸出保持不變，過D、過τ結(jié)果無變化。只有當(dāng)計(jì)數(shù)值大于Y1時，即導(dǎo)前負(fù)脈沖計(jì)數(shù)已經(jīng)結(jié)束，已完成對Y2的計(jì)數(shù)，此時接收的信號上升沿為大周期的上升沿（T和T1上升沿），鎖存器鎖存當(dāng)前周期T的正、負(fù)脈沖計(jì)數(shù)結(jié)果，為過τ和過D檢測提供依據(jù)。

4 數(shù)據(jù)顯示設(shè)計(jì)

　　為方便測試使用人員了解參數(shù)的設(shè)置情況，脈沖頻率數(shù)據(jù)和頻率數(shù)據(jù)的顯示必不可少。為使自制數(shù)字式定時器具有通用性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種顯示方案。

　?、疟镜?cái)?shù)碼管顯示方式

　　在定時器印制板上設(shè)計(jì)了兩組四位數(shù)碼管，分別顯示頻率信息和寬度信息，可以通過按鍵接口實(shí)現(xiàn)本地設(shè)置數(shù)據(jù)調(diào)整。這種方式一般適用于本地控制方式。顯示驅(qū)動芯片采用MAX7219,電路原理圖如圖8所示。

　　⑵遠(yuǎn)程人機(jī)界面顯示方式

　　儀表的智能控制是目前系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求。自制數(shù)字式定時器留有串口通信接口，通過標(biāo)準(zhǔn)ModBus協(xié)議，可以與人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換。這種方式一般適用于遠(yuǎn)程控制方式。人機(jī)界面選用的是Kinco公司的MT4214T,參數(shù)顯示采用圖形界面，表達(dá)直觀。

5 隔離措施

　　由于大功率設(shè)備一般工作在高微波輻射、強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中，而數(shù)字式定時器是敏感度較高的小信號電路，同時，內(nèi)部的信號電纜往往靠近功率設(shè)備且走線距離長，存在信號串?dāng)_的現(xiàn)象，因此數(shù)字式定時器的安全可靠工作至關(guān)重要，是影響回旋管測試臺性能的關(guān)鍵設(shè)備。

　　為增強(qiáng)抗干擾能力，選用全隔離設(shè)計(jì)方案。供電電源直接由直流24 V DC/DC變換得到，觸發(fā)輸入脈沖和定時輸出脈沖全部采用多模光纖形式接口隔離。印制板上盡可能增加電源層和地線層，芯片的每個電源引腳均放置一個去耦電容，電路板數(shù)字走線應(yīng)該避免交叉。同時測試臺設(shè)備確保留有三種接地柱：數(shù)字地、模擬地、安全地。各分機(jī)使用的數(shù)字地、模擬地與安全地必須嚴(yán)格區(qū)分，不能在內(nèi)部形成公共接地點(diǎn)[4]。

　　經(jīng)過這些措施保障，設(shè)備系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，在實(shí)際使用中得到驗(yàn)證。

6 結(jié)論

　　回旋管測試臺中所使用的數(shù)字式定時器屬于一種自制設(shè)備，具備一般智能儀表的特點(diǎn)。定時器的電路設(shè)計(jì)自動化集成高，控制方式靈活，擴(kuò)展功能強(qiáng)，同時遙控接口符合標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制協(xié)議，方便用戶與其他智能儀表設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一對接控制?；跀?shù)據(jù)總線方式設(shè)計(jì)的數(shù)字式定時器已經(jīng)在多個品種的測試臺產(chǎn)品中獲得成功應(yīng)用，工作穩(wěn)定可靠。

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