DMA雙數據流的相位差采集以及超時檢測的計算方法

航空工業西安航空計算技術研究所 王雅薈 周 驍 孫旭升

航空發動機的燃油流量值主要用于計算飛機的燃油油耗，具有重要意義。當燃油流量傳感器流過燃油時，會驅動鼓輪和葉輪，產生兩個脈沖信號，通過硬件電路轉換成上升沿通過采集兩者的相位差，并通過固定公式進行轉換，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部的DMA雙數據流，巧妙得實現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，同時具備準確識別流量采集丟失的功能，能夠實現超時故障檢測功能。

1 流量信號采集方法

流量信號的脈沖特性為1Hz（1s）～8Hz（125ms）。

1.1 定時器功能描述

可編程高性能控制定時器的主要架構是一個16位的計數器以及與它相關聯的自動加載寄存器。定時器可以計數加法，計數減法。定時器，配有自動加載寄存器和預分頻寄存器，寄存器的讀/寫都可以通過軟件來操作。

自動加載寄存器可以被預加載。可以通過讀/寫自動加載寄存器已獲取預加載寄存器的數值。如圖1所示。

圖1 自動加載寄存器

1.2 獲取定時器的技術頻率

選用高級控制定時器（TIM1）包含一個16位自動重載計數器，該計數器可由可編程預分頻器驅動。TIM1與用來計算STOP頻率的定時器（TIM8）完全獨立，不共享任何資源。

TIM1主要模塊是一個16位計數器以及相關的自動重載寄存器。計數器的時鐘可通過預分頻器進行分頻。使用計數器的遞增功能，其時鐘可通過預分頻器進行分頻。

計數器（TIMx_CNT）、預分頻器寄存器（TIMx_PSC）以及自動重載寄存器（TIMx_ARR）自動重載寄存器和預分頻器寄存器可通過軟件進行讀寫。

首先配置計數器的時鐘頻率。通過HSE時鐘源選擇系統時鐘源為輸入時鐘，配置為25MHz。通過配置相應寄存器的對應分頻位，將APB2即定時器的總線頻率為200MHz，如圖2所示。

圖2 APB2的定時器總線時鐘

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。在時鐘的總線頻率為200MHz的前提下，頻率采集函數的調用周期為40ms，采集超時時間為1010ms，當超過這個時間認為頻率輸入為0，最終值取4次采集頻率的平均值。超時使用的計數器，設置計算頻率的模式，采用間接模式，采集結果就是信號的周期。

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

采用捕獲/比較通道核心在于一個捕獲/比較寄存器（包括一個影子寄存器）、一個捕獲輸入階段（包括一個數字濾波器）和一個輸出階段構建而成。輸入階段對應的TIx輸入進行采集，生成一個濾波后的信號TIxF，經過帶有極性選擇功能的邊沿檢測器生成一個信號（TIxFPx），當做捕獲命令時，該信號先進行分頻，然后再進入捕獲寄存器。

在輸入捕獲模式下，當相應的ICx信號檢測到跳變沿后。使用捕獲寄存器（TIMx_CCRx）來鎖存計數器。發生捕獲事件時，會將相應的CCXIF標識（TIMx_SR寄存器）置1，并發送DMA請求。配置TIM1的通道1的外部觸發極性（ETP）為上升沿觸發模式。

根據連接到定時器的信號，對所需的輸入濾波時間進行編程。當信號變化時，輸入信號最多在5個內部時鐘周期內發生抖動。程序配置成6，即檢測到有6個新電平的連續采樣（以fDTS頻率采樣）后，當檢測到TIM1的通道1的上升沿后，發送CCx DMA請求。

start與stop的相位差以及start信號采集采用同一個Timer（Timer1），stop信號采集使用另一個Timer（Timer8）。由于Start信號先于Stop信號，計算相位差時，當start信號上升沿到來時，觸發DMA數據流1中斷，Cnt清零，并開始計數。當stop信號上升沿到來時，觸發DMA數據流2中斷。

處理器內部數據流表如表1所示。

表1 處理器內部數據流表

1.4 定時器產生的DMA中斷

選用的處理器定時器TIM1被視為復雜的通用定時器，屬于高性能定時器。它的四個獨立的通道可以被用作包括輸入捕獲、輸出比較、PWM發生器以及單脈沖輸出模式。

進入中斷后的直接存儲訪問（DMA）在不需要CPU支持的情況下，完成存儲器與存儲器之間的傳輸。將TIM1_CH1連接到DMA2的數據流1，將TIM1_CH2連接到DMA2的數據流2。將兩者的優先級都設置為中優先級，由于編號低的數據流優先于編號高的數據流。使用存儲器的兩個存儲器指針的雙緩沖區傳輸（當DMA正在進行自/至緩沖區的讀/寫操作時）。配置數據寬度為半字。

（1）計算兩路的頻率

將START上升沿作為DMA中斷觸發源，寄存器中記錄START的計數值，同步記錄STOP的計數值。用STOP的計數值減去START的計數值再與時鐘頻率相乘，就是相位差。

（2）故障超時累計

利用超時計算器，任務調度時間為40ms。每采集一次頻率值，以最嚴苛的條件為例，當頻率為1Hz時，采集時記錄最新點的索引值，若新點索引和上次相同，則累積錯誤計數值，如果錯誤次數乘以采樣周期超過了1010ms，則認為超時，流量信號丟失。

2 總結

通過采用DMA雙數據流的相位差采集以及超時檢測的計算方法，能夠準確計算出流量信號脈動轉換后方波信號的相位差，實現流量值的計算，并完成傳感器信號丟失檢測。