摘 要： 首先阐述了数字式定时器在回旋管测试台系统中的组成框图及其重要性。研究并利用数字处理器的外部总线接口实现了对可编程器件的连接控制，并重点叙述了总线的读写时序关系和有关接口模块的实现代码。在系统设计中考虑了过脉宽和过占空比现象对设备的影响并给出了有效解决方案。借助人机界面设备可以很方便地实现对定时器的输出脉冲宽度和重复频率的设置，同时还解决了参数记忆保存的问题。基于数据总线实现了对嵌入式芯片的控制，该方式对普通自制式仪表设计具有借鉴意义。

　　关键词： 数字式定时器；过脉宽/占空比保护；总线接口；人机界面

0 引言

　　在工程设备的测试台设计中，比如功率回旋管测试台，都不能缺少用于产生脉冲信号的定时器仪表。目前主流的仪表厂家都有各种型号的信号发生器可供选择，能产生正炫、方波、三角波、噪声等形式波形，带宽也从几赫兹到几个吉赫兹不等。但在回旋管测试台中需要的是频率在10 Hz~3 kHz以下、宽度在10~200 μs的定时信号。定时输出信号既要求能自激产生，同时也能够接收外部触发同步产生。输出信号形式分导前脉冲、开启脉冲和切尾脉冲等三种不同形式。在这种情况下一般仪表就不适应了，必须重新设计满足回旋管测试台要求的定时电路。在功能控制上要求智能化，具备计算机远程控制接口[1]。

1 定时器组成原理

　　数字式定时器上的中央处理器选用的是美国德州仪器公司生产的TMS320F28335芯片。数字式定时器要产生的波形参数既可以采用远程人机交互界面进行设置，也可通过印制板上的硬件按钮来设置定时脉冲频率和脉冲宽度。

　　数字式定时器由内触发和外触发两种方式来产生同步脉冲。内触发一般用于系统调试和设备维修，外触发则用于设备系统工作。调制脉冲的脉冲宽度和重复频率都在定时器中内部EPLD里形成，控制精度达到5 ns。数字式定时器输出的多路脉冲信号均经过光电隔离处理最后通过光纤接口输出。在测试台系统中，数字式定时器输出的导前脉冲发给前级放大器，开启脉冲发给调制器开关，切尾脉冲发给切尾开关，另备有两路输出留给系统扩展，这三路脉冲之间的相对延迟均可以软件调节。

　　数字式定时器还支持数据设置记忆的存储功能，目的是方便用户将上一次存储的信号设置方便快捷地调出。记忆芯片采用电可擦写存储芯片AT24C08，处理芯片通过I2C总线与其完成数据交换。该芯片采用CMOS工艺，可靠性非常高，其存放数据可连续擦写100万次，保存年限能达到100年。图1所示为数字式定时器组成原理图。

2 外部总线接口设计

　　TMS320F28335芯片具有单独的数据总线、地址总线、读/写、控制使能等专门用于扩展外部总线的接口。使用F28335芯片的外部接口功能（XINTF功能）可以很方便地扩展具有总线接口的外部异步器件，如A/D采样芯片、数字存储芯片等。

　　XINTF接口功能使得F28335芯片可以与不同设备之间实现无缝连接，包括EPLD。 在自制的定时器中把EPM1270当做外部芯片，用总线方式连接实现数据交换。其相关的实现连接功能的逻辑控制电路在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位模式来说明连接方式。如图2所示。

　　考虑到F28335和外部器件速度不匹配的情况，一般采用异步方式来读写控制。

　　图3所示是标准读时序图，在读信号低有效且等到同步XREADY信号稳定2个时钟周期后数据达到稳定状态时才开始读。在读信号由低变高时完成读操作。

　　与读时序图一样，在写信号为低有效时，写数据已经在数据总线上，但不立即写入，由图4分析得到，要等同步信号XREADY达到稳定状态后在写信号由低变高时完成写操作。

　　有关F28335的连接采用VHDL语言来实现,其有关总线地址译码模块的代码如下：

　　有关内部端口输入输出控制功能的模块代码如下：

3 过脉宽和过占空比保护

　　大功率脉冲回旋管本身对输入的脉冲技术指标要求非常严格。在实际使用中，对脉冲宽度和脉冲工作比必须加以实时监控和保护[3]。实时监测输入的触发定时脉冲，并进行过脉宽（过τ）保护和过占空比（过D）保护是自制数字式定时器电路的另一个主要功能。该部分保护功能是在EPLD中完成的。基本组成框图如图5所示。

　　采用同一频率源的两个分频信号n×clk和m×clk作为计数器时钟，对定时脉冲的正脉宽和负脉宽进行计数，通过对m和n的调整，修改占空比D = n/(n+m)。脉冲计数器负责对正、负脉冲计数，脉冲锁存器负责锁存脉宽计数结果（在当前脉冲结束时锁存），过τ比较模块将正脉冲计数结果与过τ门限比较，输出过τ控制信号。过D比较模块通过对正、负脉冲计数结果进行比较，输出过D控制信号。

　　该电路在大多数情况下，已经能很好地完成过D、过τ保护功能。但在出现工作周期达秒量级以及多重频时需要改进。

　　当工作周期很大时需要兼顾最小脉宽所要求的计数精度。例如，当前晶振频率为20 MHz，则计数时钟精度为50 ns，如果最大周期为５s，则需要计数器长度为26 bit，这样EPLD中所有数据总线上的锁存器、比较器都必须设为26 bit，从而占用大量内部资源。假设最大允许脉宽为τ，而最大允许占空比为D，设在无过D故障时需要计数的负脉宽为Y ，则D = τ/(τ + Y) ，推出Y =τ(1 -D)/ D ，因此对负脉宽的计数只需计到Y就可以满足过D和过τ检测的需要。如图6所示，t1~t2时间段对正脉冲计数，在下降t2沿正脉冲计数停止；t2~t3时间段对负脉冲计数，计满Y（到t3）后停止负脉冲计数，等待下一周期开始（t4）时锁存2个计数结果。此方法可以减少可编程器件内部资源的消耗。

　　此外，在多重频工作的情况下，首先要对定时信号进行分析，根据信号各自的特征找出规律，处理方法也有相应变化。以下就对其中一种多重频脉冲情况加以说明，如图7所示。

　　这是一种非常典型的带导前脉冲的定时信号，需要对周期T进行过D、过τ保护。周期T中包含T1和T2两个小周期，其中T1为导前脉冲，导前的负脉冲Y1宽度与Y2相比非常小，通常在20 μs以下。利用这一规律在电路中增加一个导前判断模块，在该模块中对负脉冲进行计数，当计数值小于Y1时，数据锁存控制端在接收到信号上升沿（T2上升沿）时不动作，锁存器输出保持不变，过D、过τ结果无变化。只有当计数值大于Y1时，即导前负脉冲计数已经结束，已完成对Y2的计数，此时接收的信号上升沿为大周期的上升沿（T和T1上升沿），锁存器锁存当前周期T的正、负脉冲计数结果，为过τ和过D检测提供依据。

4 数据显示设计

　　为方便测试使用人员了解参数的设置情况，脉冲频率数据和频率数据的显示必不可少。为使自制数字式定时器具有通用性，系统设计了两种显示方案。

　　⑴本地数码管显示方式

　　在定时器印制板上设计了两组四位数码管，分别显示频率信息和宽度信息，可以通过按键接口实现本地设置数据调整。这种方式一般适用于本地控制方式。显示驱动芯片采用MAX7219,电路原理图如图8所示。

　　⑵远程人机界面显示方式

　　仪表的智能控制是目前系统设计的基本要求。自制数字式定时器留有串口通信接口，通过标准ModBus协议，可以与人机界面实现远程数据交换。这种方式一般适用于远程控制方式。人机界面选用的是Kinco公司的MT4214T,参数显示采用图形界面，表达直观。

5 隔离措施

　　由于大功率设备一般工作在高微波辐射、强电磁干扰的环境中，而数字式定时器是敏感度较高的小信号电路，同时，内部的信号电缆往往靠近功率设备且走线距离长，存在信号串扰的现象，因此数字式定时器的安全可靠工作至关重要，是影响回旋管测试台性能的关键设备。

　　为增强抗干扰能力，选用全隔离设计方案。供电电源直接由直流24 V DC/DC变换得到，触发输入脉冲和定时输出脉冲全部采用多模光纤形式接口隔离。印制板上尽可能增加电源层和地线层，芯片的每个电源引脚均放置一个去耦电容，电路板数字走线应该避免交叉。同时测试台设备确保留有三种接地柱：数字地、模拟地、安全地。各分机使用的数字地、模拟地与安全地必须严格区分，不能在内部形成公共接地点[4]。

　　经过这些措施保障，设备系统工作稳定可靠，在实际使用中得到验证。

6 结论

　　回旋管测试台中所使用的数字式定时器属于一种自制设备，具备一般智能仪表的特点。定时器的电路设计自动化集成高，控制方式灵活，扩展功能强，同时遥控接口符合标准工业控制协议，方便用户与其他智能仪表设备进行统一对接控制。基于数据总线方式设计的数字式定时器已经在多个品种的测试台产品中获得成功应用，工作稳定可靠。

　　参考文献

　　[1] 郑新. 雷达发射机技术[M]. 北京:电子工业出版社, 2006.

　　[2] 徐佩.高性能DSP芯片TMS320F2812应用技术研究[J]. 航空计算技术, 2007(5):86-88．

　　[3] 徐湘宁,姜勇,谢英,等. 固态发射机中双工控制板的设计[J]. 电子工程师, 2008(6):7-11．

　　[4] 马骏声. 电子抗干扰技术概述[J]. 航天电子对抗, 2001(1): 35-39.