基于ARM9的经纬仪高帧频数据通信的设计和实现

2014-12-07王芳

长春理工大学学报（自然科学版） 2014年6期

王芳

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

数据通讯系统是经纬仪上各个处理器及控制器间数据交换的中心。要求数据通讯不仅能实时接收经纬仪上各分系统的通信数据，而且还要将实时性和同步性要求很强的系统（如编码器和时间信息）的数据在打包发送给其它系统时，数据包中的数据为同一时间点的数据。因此，数据通信系统须按一定的通讯时序进行接收和发送数据，这就是时序控制，是经纬数据通信系统最重要的指标。

目前作为靶场主要测量设备之一的光电经纬仪，其测量方向不仅仅局限于对目标弹道的测量，目标姿态测量在靶场测量中也越来越占据重要位置。现在许多型号的光电经纬仪都装有高帧频CMOS摄像机用于记录目标的瞬间变化信息，以完成对目标姿态的测量。目前通用的高帧频摄像机，往往只能外接标准的B码时间信息（交流码或直流码），并记录下每帧图像的拍摄时间，对另一个重要测量信息—编码器信息却不能记录，只能依靠计算机将对应的时间信息和编码器信息记录下来，在拍摄完成后，依据图像的时间信息找到对应的编码器信息。数据通信系统需按照摄像机拍摄频率，接收编码器信息，并将相对应的时间信息一起打包发送至记录数据分系统。现在高速摄像机最高工作频率一般设计为1000Hz，基于这种设计研制了基于S3C2440的高频数据通信系统。其工作最高频率1000Hz（可更高），且可根据摄像机工作帧频而改变收/发数据帧频。

1 高帧频数据通信系统设计原理

光电经纬仪在捕捉目标图像的同时，能够实时记录精确的测角信息，并通过事后目标图像的判读处理，得出目标精确的中轴偏移量，进而叠加计算出更为精确的测角值［1］。因此，图像信息、时间信息和角度信息是光电经纬仪记录的三大重要信息。安装有高速摄像机的某型号光电经纬仪工作参数：（1）高速摄像机拍摄帧频：1000Hz；（2）编码器：处理帧频1000Hz；（3）时统终端：最高处理帧频200Hz。

由于时统终端的处理速度最高只能达到200Hz，要想给1000Hz的编码器数据加上时标，需对时间信息进行细分处理，产生对应1000H编码器数据的时间信息。

编码器信息由编码器系统以1000Hz同步信号为基准，对角度进行检测，并以一定的编码格式将角度信息发送到数据通信系统。1000Hz的角度信息是在1000Hz同步信号后560μs完全发送到数据通讯系统，因此数据通讯系统应该在1000Hz同步信号后560μs接收编码器数据，并与1000Hz采样点的时间信息一同打包，形成同一时间点的角度—时间测量数据包，供事后与图像信息一同组成完整的经纬仪测量数据。

1.1 细分时间信息

时统终端最高处理速度为200Hz，不能满足1000Hz数据频频要求。设计时，要求时统终端提供1Hz的时间信息，并提供1Hz和1000Hz同步信号，数据通讯系统以1Hz和1000Hz同步信号为基准产生毫秒时间信息。

1.2 通信时序设计

设计1Hz脉冲信号启动一个外部中断，并在这个中断中接收1Hz的时间信息，此时间信息是对应上一个1Hz的时间信息，因此需对对时间信息进行“+1秒”处理。

设计1000Hz脉冲信号启动另个一个外部中断，在中断中根据相对1Hz中断后产生1000Hz中断的个数，产生毫秒信息。1000Hz计数在1Hz中断中清为零，每1Hz中断间隔共产生1000个1000Hz中断。根据设计原理，要求系统响应完1Hz中断后，响应1Hz后的第一个1000Hz中断，这种响应中断先后顺序是保证产生正确毫秒值的关键。

数据通讯系统的主控制器S3C2440，其24个外部中断可配置引起中断的信号模式为电平触发或沿触发，并可配置极性［2］，在外部中断寄存（EXTINT）中进行设置。时统终端提供的1Hz同步信号和1000Hz同步信号格式如图1所示。

图1 1Hz同步信号和1000Hz同步信号的格式

可以设置1Hz中断为下降沿产生中断，与S3C2440的外部中断0（EINT0）连接，1000Hz中断为上升沿产生中断，与S3C2440的外部中断6（EINT6）连接，两个中断相差1个脉冲宽度时间，如此设计保证了两个中断的时序安排。

2 软件实现

软件设计分为两部分，一部分为初始化设计，其中包括配置GPIO端口、中断配置和启动中断。另一部分为中断处理程序，包括外部中断0和外部中断6。

2.1 程序初始化

程序初始化主要完成中断设置并启动看门狗计数器功能：

2.2 中断“0”（1Hz中断）

1Hz中断处理程序：

在1Hz中断中接收时统时间信息，并进行加1秒处理和1000Hz中断计数器值置“0”，软件流程图如图2所示。

图2 1Hz中断软件流程图

2.3 中断“6”（1000Hz中断）

在中断“6”中主要完成产生时间的毫秒信息、接收编码器数据并收发经纬仪各分系统通信数据。

2.3.1 产生毫秒信息

毫秒产生程序：在1000Hz中断中根据1Hz同步信号后的1000Hz中断的个数（m_n1000）产生毫秒信息，毫秒（=1×m_n1000），软件流程如图3所示。

图3 1000Hz中断产生毫秒程序流程图

2.3.2 接收编码器数据并收/发其它各分系统数据

编码器在1000Hz到来时采集角度数据，并发送给数据通讯系统，数据完全传送至据通讯系统是在1000Hz信号后的560μs，因此数据通讯系统在1000Hz中断中，延时560μs接收编码器数据，此时接收的数据为当前1000Hz的经纬仪角度数据。

综上分析可知，在1000Hz中断中处理顺序为：产生时间毫秒→延时560μs→接收编码器数据→将时间信息和编码器数据编码打包→以系统规定帧频发送数据（低于或等于1000Hz且能整除1000）。在此能否实现精确延时是接收正确编码器数据的关键。

精确时延时由ARM处理器内置的Watchdog计数器产生［4］。具本方法为：设置看门狗工作在计数器方式下，在1000Hz中断开始时读取一次计数器值（WTCNT），然后通过不断读取该计数器值，得到相对开始时刻的运行时间，在达到程序所要求的延迟时间时，接收编码器数据。

看门狗的计数脉冲是由ARM处理器的PCLK时钟经两次可编程分频后得到［3］。对看门狗的操作，包括看门狗分频数和工作模式设定，由设定WTCON完成；对16位数据寄存器WTDAT编程完成设定看门狗超时值；在软件运行过程中，读取看门狗16位计数器WTCNT的当前计数值，计算两次读数之差可得到精确时间差。

看门狗计数器时钟周期：

看门狗定时周期：

式中：Prescaler_value为预分频比例器值，由WTCON位15:8设定；Division_factor为分频系数，由WTCON位4:3设定，可选择16、32、64或128。

PCLK为ARM处理器外围器件时钟，由ARM时钟控制逻辑产［4］。它与主时钟（FCLK）的关系由时钟分频控制寄存器CLKDIVN位2:0设定。主时钟频率与输入频率关系：

式中：fin为外部输入时钟频率，系统采用12MHz晶振；MDIV由MPLLCON(锁相环控制寄存器)位19:12设定；PDIV由MPLLCON位9:4设定，SDIV由MPLLCON位1:0设定，程序初始化：

MPLLCON=(127＜＜12)|(2＜＜4)|1；//利用公式

（3）可得FCLK=405MHz。

CLKDIVN=(2＜＜1)|1；//即 FCLK=HCLK:PCLK=1:4:8，所以 PCLK=405MHz/8=50.625000 MHz。

在实际应用中设置Division_factor=16，设置Prescaler_value=(PCLK/1000000-1)，由公式（1）计算看门狗计数器时钟周期为16μs，即计数器每差1，即差16μs。

程序初始化中启动看门狗计数器功能程序代码：

在程序初始化中设置好看门狗工作方式后，在1000Hz中断中实现相对1000Hz中断信号延时560μs接收编码器数据。接收编码器数据程序流程图如图4。

图4 1000Hz中断产生毫秒程序流程图

图4中之所以要先清接收编码器数据端口的接收缓存器，是保证读到的数据是当前1000Hz时刻的编码器数据。

处理完成时间信息和编码器数据后，可依据时间信息的毫秒值，完成对外 50Hz、100Hz、200Hz、500Hz、1000Hz的通讯。如100Hz通讯时，当毫秒值能被10整除时，即执行100Hz通讯程序。

3 设计结果

利用时间细分和看门狗精确时延设计，可在经纬仪上实现时间信息和编码器数据高帧频的数据合成，从而实现设备角度和时间信息与高速摄像机图像信息的数据匹配，完成经纬仪测姿需求。目前在某型号经纬仪上装有一款最高记录帧频400Hz的高速摄像机，系统指标要求为编码器发送数据帧频1200Hz，编码器发送数据波形如图5。通信系统向其它系统发送的编码器、时间信息合成数据包最高帧频400Hz，其设计依即为本文所述原理。通信系统要求提供1Hz和400Hz的同步信号，1Hz下降沿产生中断“0”，400Hz上升沿产生中断“6”。系统的两个中断信号波形如图6。