XMEGA: Zeitproblem mit zwei parallel sehr schnell laufenden Timern

[erik_wolfram]

Hallo,

vielen Dank für die vielen Antworten. Ich merke langsam, dass meine Anfoderungen die Rechenleistung des XMEGA's überschreiten. Wenn ich bald keine weitere Möglichkeit sehe bin ich wohl gezwungen einen stärkeren Controller zu verwenden.

Abgesehen davon, konnte ich nun eine Anforderung verringern: es werden nicht mehr 800 ksps sondern 400 ksps benötigt. Die zu messenden Spannungen sollen nun mittels OPV's verrechnet werden.
Damit habe ich wieder einen kleinen Lichtblick, stoße aber wieder auf die Grenzen des XMEGAs.
Als Option habe ich jetzt zwei Einzel-AD-Wandler mit SPI-Schnittstelle erwägt. Diese lassen sich in einer Daisy-Chain verschalten und verringern zu mindest die Komplexität der Ansteuerung und des Aufbaus der Schaltung.
Leider ergibt sich für diese AD-Wandler eine asynchrone zeitliche Ansteuerung, welche das Timing erschwert.

Diese AD-Wandler haben folgendes Verhalten:

Sie benötigen ein Signal für die AD-Wandlung "CONVST" welches über die AD-Wandlung und die Ausgabe erfolgt (high-Zustand) und dann kurz pausieren muss (low-Zustand).
Das lässt sich recht einfach mit einem PWM-Signal realisieren.

Nachdem das CONVST-Signal angelegt wurde benötigt die Wandler 1,4 µs bis zur Ausgabe. Diese erfolgt mittels SPI und beginnt mit dem ansteigenden SCK-Signal des XMEGAS und umfasst 2 x 16-bit also 4 byte.
Das Auslesen dieser Werte ist mit DMA und dem Interrupt Flag des SPI-Moduls kein Problem und ist recht einfach gehalten.
Mehr Probleme macht hier die Erzeugung des SCK-SIgnals indem Dummy-Bytes in das SPI-Data-Register geschoben werden. Um die benötigte Datenrate zu erreichen muss das SPI mit 16 Mhz laufen. Damit wird ein Byte innerhalb von 0,5 µs übertragen. Damit müsste theoretisch alle 16 Clockcylces ein neuer Wert in das Data-Register geschoben werden. Wohl oder Über ist das zu wenig für jeden Timer und muss wohl Quick&Dirty erfolgen.

Das Problem mit den Timern konnte ich eingrenzen. Man muss auf jeden Fall vermeiden, dass zwei Timer gleichzeitig auslösen. Da ich recht grade und bekannte Zeiten habe konnte ich die Timer über das CNT-Register entsprechend vorladen und so verschieben, dass sich Timer mit einem vielfachen zu einem anderen Timer nicht gegenseitig stören.
Die Ursache hierfür liegt wohl in einem Temporären Register welches sich alle Timer teilen. Wird ein Interrupt ausgelöst während ein anderes noch abgearbeitet wird wird der Wert in diesem Register überschrieben.
In Anbetracht dessen finde ich die Priorisierung der Timer mittels der LVL etwas unnütze. Soweit ich mich erinnere konnte man dieses Register in Assembler hierfür kopieren und nach der Interrupt wieder herstellen...


Der DMA für die Erzeugung des Sinus ist kein Problem - hierfür gibt es ausführliche Tutorials von Atmel. So erfolgt die Ausgabe des SInus ohne Rechenleistung. Es dürfen ledigleich keine Timer miteinander kollidieren.

Anbei: der XMEGA ist für maximal 32 Mhz ausgelegt, extern dürfen sogar nur 16 Mhz Quarze angeschlossen werden.

Gruß Erik

[Crazy Harry]

Dann schau dir mal die AppNote 1019 und 1020 von Atmel an. Da steht:

The 32MHz Internal Oscillator can be tuned to run at any frequency between 30MHz and 55MHz

Es soll auch eine weiter AppNote geben in der von 64MHz geschrieben wird. Ich selber betreibe 2 GPS-Tachos mit 64MHz auf XMega256A3U seit einigen Monaten ohne Probleme.

[erik_wolfram]

@CrazyHarry:

Danke für den Hinweis. Das war schonmal eine große Hilfe - konnte den XMEGA128A1 bis ca. 55 MHz hochtakten - danach hat er aber gesponnen - für den vewendeten µC liegt hier wohl die Grenze (wie im Datenblatt angegeben).

Habe heute noch fleißig weiter probiert und dabei kam mir eine vermeintlich gute Idee - die jedoch in der Ausführung Zicken macht -warum weiß ich noch nicht.
Ich hatte die Idee, um die ganzen Interupts zu umgehen DMA zu verwenden. Für die Generierung des Analogen Ausgangssigals und den SPI-Lesevorgang kein Problem. Die Initiierung der AD-Wandlung lies sich auch rein Hardwaretechnisch über ein PWM-Timer lösen.
Also bis jetzt habe ich es geschafft alles ohne Software umzusetzten - lediglich beim Absetzten der 4 Bytes mittels SPI gibt es Probleme.

Zum Timing:

Ein Zyklus dauert 5 µs.
Die AD-Wandlung benötigt 1,4 µs vom Zyklusbeginn.
Dann sollen alle 0,5 µs willkürliche Bytes in das SPI-Data-Register geschrieben werden.
Das soll sich so jeden Zyklus wiederholen.

Nach langen Überlegen hatte ich folgende Idee:
Ein separater Timer löst mit jedem Overflow ein DMA-Schreibzugriff auf das SPI-Data-Register aus.
Ein weiterer DMA-Kanal greift zyklisch auf einen Array mit den Timer-Werten zu und schreibt diese in das PER-Register des benannten Timers.

Also so, dass das PER-Register des Timers rein Hardwaremäßig aktualisiert wird, ohne das der µC eine Programmzeile benötigt.

Theoretisch sollte das doch funktionieren? (2 DMA's können vom gleichen Timer ausgelöst werden - das habe ich getestet)
Leider kann ich das ganze nicht im Simulator prüfen - auf dem Board wird mir die Änderung des PER-Registers via DMA unterschlagen.

Hier nochmal der DMA-Zugriff auf das Timer-Register (vereinfacht):

volatile uint8_t TestNum = 200;

void SetupWriteChannel( DMA_CH_t * dmaChannel )
{
    DMA_SetupBlock(
        dmaChannel,
        TestNum,
        DMA_CH_SRCRELOAD_NONE_gc,
        DMA_CH_SRCDIR_FIXED_gc,
        (void *) &(TCD0.PER),
        DMA_CH_DESTRELOAD_NONE_gc,
        DMA_CH_DESTDIR_FIXED_gc,
        1,
        DMA_CH_BURSTLEN_1BYTE_gc,
        0,
        true
    );

    DMA_EnableSingleShot( dmaChannel );
    DMA_SetTriggerSource( dmaChannel, DMA_CH_TRIGSRC_TCD0_OVF_gc );
}

...
DMA_Enable();

DMA_CH_t * WriteChannel = &DMA.CH1;    
SetupWriteChannel( WriteChannel );
DMA_EnableChannel( WriteChannel );

Die Änderung des PER-Werts wird leider nicht übernommen - wo kann hier der Fehler liegen?

Vielen Dank für die Hilfe!

Gruß Erik

[Che Guevara]

Hi,

ohne zu wissen, ob deine SetupWriteChannel Funktion (und auch die anderen) richtig arbeitet, fällt mir auf, dass du den DMA auf 1Byte-Burst sowie auf SCRDIR_FIXED gestellt hast. Das PER Register der Timer ist aber 16Bit breit, das passt schonmal nicht.
Außerdem weiß ich nicht, ob du das PER Register überhaupt irgendwo veränderst? Dir ist klar, was dieses Register macht?

Gruß
Chris

[erik_wolfram]

Vielen Dank für den Hinweis - ich habe schlicht und einfach vergessen, dass es ein 16 Bit Register ist.
Jetzt funktioniert (theoretisch) alles bestens - eine komplette Messung von 400 ksps mit 16 Bit ohne jegliche CPU-Last (bzw. laufenden Programm-Code).

Der variable mit DMA veränderbare Timer sieht jetzt so aus:

void SetupWriteTimer( void )
{
    // Start Timer/Counter C0 with actual clock (32MHz) divided by 4
    TCD0.CTRLA = (TCD0.CTRLA & ~TC0_CLKSEL_gm) | TC_CLKSEL_DIV1_gc;
    // AD_Wandlung 1,5 µs - Per = 47
    TCD0.PER = 30;
    // Timer vorladen um Kollision mit Timer TCC0 zu vermeiden
    TCD0.CNT = 15;
    // Priorität setzten
    TCD0.INTCTRLA = TC_OVFINTLVL_MED_gc;
}

#define Interval 4
volatile uint16_t  WriteDelay[Interval] = { 20, 20, 20, 96 };
    
void SetupWriteDelayChannel( DMA_CH_t * dmaChannel )
{
    DMA_SetupBlock(
        dmaChannel,
        WriteDelay,
        DMA_CH_SRCRELOAD_BLOCK_gc,
        DMA_CH_SRCDIR_INC_gc,
        (void *) &(TCD0.PER),
        DMA_CH_DESTRELOAD_BURST_gc,
        DMA_CH_DESTDIR_INC_gc,
        Interval * 2,
        DMA_CH_BURSTLEN_2BYTE_gc,
        0,
        true
    );

    DMA_EnableSingleShot( dmaChannel );
    DMA_SetTriggerSource( dmaChannel, DMA_CH_TRIGSRC_TCD0_OVF_gc );
}

Ich werde jetzt noch einen Test mit der SPI-Geschwindigkeit machen und prüfen, ob fehlerfrei übertragen wird - dann geht es zum Hardware-Aufbau.