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1高幀頻數據通信系統設計原理

光電經緯儀在捕捉目標圖像的同時，能夠實時記錄精確的測角信息，并通過事后目標圖像的判讀處理，得出目標精確的中軸偏移量，進而疊加計算出更為精確的測角值［1］。因此，圖像信息、時間信息和角度信息是光電經緯儀記錄的三大重要信息。安裝有高速攝像機的某型號光電經緯儀工作參數：（1）高速攝像機拍攝幀頻：1000Hz；（2）編碼器：處理幀頻1000Hz；（3）時統終端：最高處理幀頻200Hz。由于時統終端的處理速度最高只能達到200Hz，要想給1000Hz的編碼器數據加上時標，需對時間信息進行細分處理，產生對應1000H編碼器數據的時間信息。編碼器信息由編碼器系統以1000Hz同步信號為基準，對角度進行檢測，并以一定的編碼格式將角度信息發送到數據通信系統。1000Hz的角度信息是在1000Hz同步信號后560μs完全發送到數據通訊系統，因此數據通訊系統應該在1000Hz同步信號后560μs接收編碼器數據，并與1000Hz采樣點的時間信息一同打包，形成同一時間點的角度—時間測量數據包，供事后與圖像信息一同組成完整的經緯儀測量數據。

1.1細分時間信息時統終端最高處理速度為200Hz，不能滿足1000Hz數據頻頻要求。設計時，要求時統終端提供1Hz的時間信息，并提供1Hz和1000Hz同步信號，數據通訊系統以1Hz和1000Hz同步信號為基準產生毫秒時間信息。

1.2通信時序設計設計1Hz脈沖信號啟動一個外部中斷，并在這個中斷中接收1Hz的時間信息，此時間信息是對應上一個1Hz的時間信息，因此需對對時間信息進行“+1秒”處理。設計1000Hz脈沖信號啟動另個一個外部中斷，在中斷中根據相對1Hz中斷后產生1000Hz中斷的個數，產生毫秒信息。1000Hz計數在1Hz中斷中清為零，每1Hz中斷間隔共產生1000個1000Hz中斷。根據設計原理，要求系統響應完1Hz中斷后，響應1Hz后的第一個1000Hz中斷，這種響應中斷先后順序是保證產生正確毫秒值的關鍵。數據通訊系統的主控制器S3C2440，其24個外部中斷可配置引起中斷的信號模式為電平觸發或沿觸發，并可配置極性［2］，在外部中斷寄存（EXTINT）中進行設置。時統終端提供的1Hz同步信號和1000Hz同步信號格式如圖1所示。可以設置1Hz中斷為下降沿產生中斷，與S3C2440的外部中斷0（EINT0）連接，1000Hz中斷為上升沿產生中斷，與S3C2440的外部中斷6（EINT6）連接，兩個中斷相差1個脈沖寬度時間，如此設計保證了兩個中斷的時序安排。

2軟件實現

軟件設計分為兩部分，一部分為初始化設計，其中包括配置GPIO端口、中斷配置和啟動中斷。另一部分為中斷處理程序，包括外部中斷0和外部中斷6。

2.1程序初始化程序初始化主要完成中斷設置并啟動看門狗計數器功能。

2.2中斷“0”（1Hz中斷）1Hz中斷處理程序：在1Hz中斷中接收時統時間信息，并進行加1秒處理和1000Hz中斷計數器值置“0”，軟件流程圖如圖2所示。

2.3中斷“6”（1000Hz中斷）在中斷“6”中主要完成產生時間的毫秒信息、接收編碼器數據并收發經緯儀各分系統通信數據。

2.3.1產生毫秒信息毫秒產生程序：在1000Hz中斷中根據1Hz同步信號后的1000Hz中斷的個數（m_n1000）產生毫秒信息，毫秒（=1×m_n1000），軟件流程如圖3所示。

2.3.2接收編碼器數據并收/發其它各分系統數據編碼器在1000Hz到來時采集角度數據，并發送給數據通訊系統，數據完全傳送至據通訊系統是在1000Hz信號后的560μs，因此數據通訊系統在1000Hz中斷中，延時560μs接收編碼器數據，此時接收的數據為當前1000Hz的經緯儀角度數據。綜上分析可知，在1000Hz中斷中處理順序為：產生時間毫秒→延時560μs→接收編碼器數據→將時間信息和編碼器數據編碼打包→以系統規定幀頻發送數據（低于或等于1000Hz且能整除1000）。在此能否實現精確延時是接收正確編碼器數據的關鍵。精確時延時由ARM處理器內置的Watchdog計數器產生［4］。具本方法為：設置看門狗工作在計數器方式下，在1000Hz中斷開始時讀取一次計數器值（WTCNT），然后通過不斷讀取該計數器值，得到相對開始時刻的運行時間，在達到程序所要求的延遲時間時，接收編碼器數據?？撮T狗的計數脈沖是由ARM處理器的PCLK時鐘經兩次可編程分頻后得到［3］。對看門狗的操作，包括看門狗分頻數和工作模式設定，由設定WTCON完成；對16位數據寄存器WTDAT編程完成設定看門狗超時值；在軟件運行過程中，讀取看門狗16位計數器WTCNT的當前計數值，計算兩次讀數之差可得到精確時間差。PCLK為ARM處理器外圍器件時鐘，由ARM時鐘控制邏輯產［4］。它與主時鐘（FCLK）的關系由時鐘分頻控制寄存器CLKDIVN位2:0設定。主時鐘頻率與輸入頻率關系。在程序初始化中設置好看門狗工作方式后，在1000Hz中斷中實現相對1000Hz中斷信號延時560μs接收編碼器數據。接收編碼器數據程序流程圖如圖4。圖4中之所以要先清接收編碼器數據端口的接收緩存器，是保證讀到的數據是當前1000Hz時刻的編碼器數據。處理完成時間信息和編碼器數據后，可依據時間信息的毫秒值，完成對外50Hz、100Hz、200Hz、500Hz、1000Hz的通訊。如100Hz通訊時，當毫秒值能被10整除時，即執行100Hz通訊程序。

3設計結果

利用時間細分和看門狗精確時延設計，可在經緯儀上實現時間信息和編碼器數據高幀頻的數據合成，從而實現設備角度和時間信息與高速攝像機圖像信息的數據匹配，完成經緯儀測姿需求。目前在某型號經緯儀上裝有一款最高記錄幀頻400Hz的高速攝像機，系統指標要求為編碼器發送數據幀頻1200Hz，編碼器發送數據波形如圖5。通信系統向其它系統發送的編碼器、時間信息合成數據包最高幀頻400Hz，其設計依即為本文所述原理。通信系統要求提供1Hz和400Hz的同步信號，1Hz下降沿產生中斷“0”，400Hz上升沿產生中斷“6”。系統的兩個中斷信號波形如圖6。在1Hz中斷接收時統時間信息，在400Hz中斷中先清接收編碼數據端口的接收緩存器，然后延時560μm接收編碼器數據。依據系統要求，發送編碼器與時間信息合成數據包的400Hz通信數據波形如圖7。此款數據通信系統通過實際應用證明時序設計合理，性能可靠，完全符合設計要求。如若要求發送1000Hz編碼器和時統時間合成數據包，則在設計中要求提供1Hz和1000Hz同步信號，并且提高通信波特率以便在1ms內完成數據的接收和發送。

4結論

利用時間細分和看門狗精確時延設計，可在經緯儀上實現時間信息和編碼器數據高幀頻的數據合成，從而實現設備信息與高速攝像機圖像信息的數據匹配，完成經緯儀測姿需求。經在多型號經緯儀上應用，此種設計定時精度高，實現簡單，針對不同經緯儀，在軟件上稍做改動即可適用。

作者：王芳單位：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所