基于eTPU技术的信号处理模块的设计与实现

华 金

（上海船舶运输科学研究所，上海200135）

0 引 言

目前，对于实时嵌入式系统中运行的控制器，更加注重其精确而快速的定时功能。频繁地中断服务程序将占据大部分中央处理器（Central Processing Unit，CPU）开销，削弱执行高速实时性任务的能力。为此，飞思卡尔将增强型时间处理单元模块（Enhanced Ti me Processing Unit，e TPU）作为其32位处理器的一部分，与主CPU并行运行，执行复杂的时序和输入／输出（Input／Output，I／O）管理。在CPU系统初始化过程中，对e TPU外设模块做相关设置即可自动产生或测量信号，无需CPU的干预，从而减轻CPU的工作负荷。以脉冲宽度调制功能（Pulse Width Modulation，PWM）和频率脉冲测量（Frequency of Pluse Measures，FPM）功能为例，设计与实现一般I／O信号处理模块的过程。

1 e TPU硬件结构

e TPU模块包含了运行需要的所有微控制器：共享代码存储器、共享数据存储器、微引擎、任务调度器以及32条I／O通道（见图1）。

各控制器的主要功能特点有：2个24位全局时钟计数寄存器TCR1和TCR2，为通道匹配和捕获提供基准参考；32个独立通道，每个通道有2个相互作用的事件集寄存器Action Unit A和Action Unit B，每个事件寄存器可设置为匹配寄存器、捕获寄存器、大于或等于比较寄存器，结构见图2；CPU接口模块，允许CPU控制e TPU操作，如初始化e TPU通道、提出服务请求和中断响应入口地址；共享数据存储器（Shared Pa－rameter RA M，SPRA M），可以被CPU和e TPU共同进行读写操作，是传递e TPU数据参数的平台；共享代码存储器（Shared Code Memor y，SCM），主要用于e TPU代码的存储；任务调度器，主要根据分配的优先级（高、中、低）和通道标记，决策所有通道的服务顺序，确保所有提出服务请求的通道被响应。

图1 eTPU硬件框图

图2 双动作通道结构

2 功能设计与实现

e TPU功能可涵盖所有重要应用领域，如I／O信号处理PWM、FPM等；通信接口功能UART、SPI、I2C等；以及在电机控制和汽车引擎，燃油喷射控制等。以PWM、FPM功能为例，阐述其设计与实现过程。

e TPU功能开发涉及两方面。

1.e TPU的主机接口（API）函数的开发，作为CPU和e TPU的交互控制。

2.e TPU固件代码，利用第三方软件编译器（如ByteCraft），生成的代码文件通过API函数写入共享代码存储器中。

2.1 PWM 功 能

通过CPU设置频率和占空比，产生0～100%PWM波形，可用于工业应用领域，如实现电机控制、调光等。

主机接口API函数

CPU调用主机接口函数fs＿etpu＿p w m＿init（），产生服务请求（Host Ser vice Request，HSR），e TPU代码进入S0线程，管脚低电平输出，设置Action Unit A和Action Unit B的参考时钟及匹配时电平变化。等待Action Unit A产生匹配进入S1线程，管脚变高电平并配置下一次Action Unit A匹配时间点。同理，等待Action Unit B产生匹配进入S2线程，管脚变低电平并配置下一次Action Unit B匹配时间点。如果产生异常，进入S3线程进行处理。应用过程中可调用主机接口函数fs＿et pu＿p w m＿update（），通过修改参数Period和Active Ti me的数值，实现不同频段的PWM输出。

2.2 FPM 功能

采用等精度的多周期同步测频原理，在特定时间窗口内对被测脉冲计数。通过计算，得出被测脉冲频率，可用于测量高精度要求的转速。

主机接口API函数

／＊FPM初始化，设置测量时间窗口 ＊ ／

uint32 fs＿etpu＿f p m＿init（uint8 channel，uint8 pri，uint32 window＿size）；

／＊ 修 改测量时间窗口 ＊ ／

uint32 fs＿etpu＿f p m＿update＿window＿size（uint8 channel，uint32 windo w）；

／＊ 获 取被测频率 ＊ ／

uint32 fs＿etpu＿f p m＿get＿freq（uint8 channel，uint32＊freq）；

e TPU固件代码

void FPM（Window，Edge Count，TCRCounts）

CPU调用主机接口函数fs＿etpu＿f p m＿init（），产生HSR，e TPU代码进入S0线程，设置管脚为输入模式上升沿触发，设置Action Unit A参考时钟及匹配时电平无变化，置位flag0。待第一个上升沿信号触发进入S2线程，记录Ti meStart＝ert A（捕获寄存器）和Acc Egde Count＝0，开启测量时间窗口并复位flag0。在时间窗口未匹配之前，每次上升沿信号触发进入S3线程，记录上升沿时刻Ti meCurrent＝ert A和Acc Egde Count＋＋。最后，时间窗口匹配时进入S4线程，计算标准时钟个数TCRCounts与被测频率个数Egde－Count，赋值Acc EgdeCount＝0和Ti meStart＝Ti meCurrent，并产生1个中断，让CPU调用主机接口函数fs＿etpu＿f p m＿get＿freq（）来获取被测频率，接着进入下一时间窗口测量周期。此外，CPU可以调用主机接口函数fs＿etpu＿f p m＿update＿window＿size（）产生服务请求进入S1线程，通过修改参数 Window数值测量时间窗口大小。

3 仿真与试验

e TPU的功能设计由ByteCraft C软件完成，结合ASH WARE仿真套件进行相关验证。图3为仿真验证图，提供了丰富的调试窗口，如查看变量和跟踪寄存器。

图3 仿真验证图

e TPU命令脚本文件中，设置CPU工作频率为100 MHz，CPU时钟的2分频分配给TCR1，e TPU引脚4、引脚5分别被定义为PWM和FPM功能。内部寄存器写入PWM周期及高电平保持时间，输出波形如PWMChannel所示，计算结果T＝0x1000／50＝81.92 us符合仿真结果Delta Cursor＝081.914u S。

e TPU测试向量脚本文件中，定义变量state hi 1和state lo 0，激励基准波形频率为1 MHz，输出波形为如FPMChannel所示（hi 60 l o 40），理论频率计算为10 000 Hz。在某段时间窗口内，通过查看仿真后变量Edge Count＝3，Elapsed TCRCount＝15 000，计算结果

符合预期测量频率结果。

在Code Warrior开发环境下，初始化fs＿et pu＿init（）、fs＿etpu＿p w m＿init（）、fs＿etpu＿f p m＿init（）等主机接口函数，PWM输出波形观察示波器及信号发生器产生激励用于测量频率，试验结果与理论预期完全吻合。

4 结 语

基于e TPU技术实现PWM和FPM等功能模块的简单的I／O信号处理，有效降低主CPU的负载，避免因中断风暴而导致系统瘫痪。经过测试验证，误差较小，符合高精度的条件，最多能实现32路通道以满足实际多路信号处理的要求。

［1］ Munir Bannoura.e TPU Programming Made Easy［M］.USA：A MT Publishing，2004.

［2］ Enhanced Ti me Processing Unit（e TPU）Preliminary Reference Manual［EB／OL］.［2004－05］.http：／／www.freescale.co m.

［3］ Freescale Cor p MPC5634 M Microcontroller Reference Manual［EB／OL］.［2012－09－04］.http：／／www.freescale.co m.