智能儀器課程設(shè)計(jì)---基于dsp的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于DSP的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　班級(jí)：自動(dòng)化08-5班</p><p><b>　　姓名： </b></p><p><b>　　學(xué)號(hào)： </b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　

2、　摘要····································&

3、#183;····································

4、;··························2</p><p>　　1 設(shè)計(jì)目的·····

5、83;····································&

6、#183;····································

7、;················3</p><p>　　2 設(shè)計(jì)要求···············

8、83;····································&

9、#183;····································

10、;······3</p><p>　　3 設(shè)計(jì)內(nèi)容·························

11、83;····································&

12、#183;································3</p><p>　

13、　3.1 理 論 依 據(jù)··································

14、3;····································&#

15、183;··············3</p><p>　　3.2 信號(hào)特征分析 ················&

16、#183;····································

17、;······························4</p><p>　　3.3 方 案 設(shè) 計(jì)

18、3;····································&#

19、183;····································

20、············4</p><p>　　3.4 器 件 選 型···················

21、;····································

22、83;·····························5</p><p>　　3.5 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì)·&#

23、183;····································

24、····································

25、3;·········10</p><p>　　4 設(shè)計(jì)感想······················&

26、#183;····································

27、;···································16</p&

28、gt;<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　根據(jù)題目要求設(shè)計(jì)基于DSP的溫度控制系統(tǒng)。通過選擇合適的DSP芯片型號(hào)，傳感器和外圍電路，如復(fù)位電路，電源電路，時(shí)鐘電路，信號(hào)采集電路等，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信號(hào)的采集，信號(hào)處理及溫度的控制。</p><p>　　關(guān)鍵詞： DSP芯片；溫度信號(hào)采集；溫度傳感器；時(shí)鐘電路</p><p

29、><b>　　1 設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　通過選擇合適的DSP芯片型號(hào)，傳感器和外圍電路，如復(fù)位電路，電源電路，時(shí)鐘電路，信號(hào)采集電路等，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信號(hào)的采集，信號(hào)處理及溫度的控制。</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　控制室內(nèi)溫度恒定為設(shè)定值（±3℃），室內(nèi)

30、溫度采樣點(diǎn)為5個(gè)點(diǎn)，要求系能對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理，并根據(jù)設(shè)定值通過空調(diào)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)控制（制冷或加熱）。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)題目的要求，選擇確定DSP芯片型號(hào)、溫度傳感器型號(hào)，完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理。</p><p><b>　　3 設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p><b>　　3.1理論依據(jù)

31、 </b></p><p>　　溫度是過程控制中主要的被控量，對(duì)溫度信號(hào)的采集與處理已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域和其他的領(lǐng)域中。目前的溫度控制系統(tǒng)多采用單片機(jī)進(jìn)行控制，由于單片機(jī)的運(yùn)算速度慢，在處理一些實(shí) 時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)運(yùn)算量大的控制系統(tǒng)過程中，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。隨著微處理器的發(fā)展，數(shù)字 信號(hào)處理器（DSP）以其強(qiáng)大的運(yùn)算能力，逐步成為控制領(lǐng)域的主流選擇。TI公司的 TMS320LF240型DSP微控制器以

32、其處理能力強(qiáng)，外設(shè)功能模塊集成度高及存儲(chǔ)器容量大等 特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于數(shù)字化控制與通信領(lǐng)域，可滿足對(duì)信號(hào)的快速、精確和實(shí)時(shí)處理。</p><p>　　基于DSP設(shè)計(jì)的溫度控制器利用DSP強(qiáng)大的高速運(yùn)算能力，以及其片內(nèi)集成的豐富的控制外圍部件和電路,從而簡(jiǎn)化了電路的硬件設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)各種控制算法和控制策略,并通過異步串行通信接口來讀取用戶所需要的數(shù)據(jù),便于用戶分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此外，還具有脫離DSP的高溫硬件保護(hù)功能．可消

33、除由于DSP系統(tǒng)意外失控所造成的系統(tǒng)超溫危險(xiǎn)，提高了溫度控制系統(tǒng)工作的可靠性和使用安全性。信號(hào)采集電路是溫度控制系統(tǒng)的重要組成部分．其對(duì)溫度測(cè)量的精確性直接影響整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的精度。</p><p><b>　　3.2信號(hào)特征分析</b></p><p>　　由溫度傳感器所測(cè)量的溫度可以看做是連續(xù)信號(hào)，即在時(shí)間上和幅度上分別連續(xù)的信號(hào)。而DSP處理的數(shù)據(jù)是離散的，所

34、以要對(duì)連續(xù)的溫度信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，即采樣，量化等。此過程由DSP內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊來完成。數(shù)字化后的信號(hào)輸入DSP后，經(jīng)過分析處理，輸出控制信號(hào)，如高低電平等，來控制空調(diào)設(shè)備進(jìn)行制冷后加熱。</p><p>　　由于在溫度測(cè)量過程中，不可避免的由于外界因素的干擾而造成溫度信號(hào)的上下波動(dòng)，從而造成測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確。所以溫度測(cè)量電路采用差分測(cè)量電路，通過兩者相減來減小誤差。</p><p>&l

35、t;b>　　3.3方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　溫度信號(hào)采集及放大電路：溫度用溫度傳感器來測(cè)量，信號(hào)采集電路是溫度控制系統(tǒng)的前向通道，所采集溫度數(shù)據(jù)的精確性決定了溫度系統(tǒng)的精度。本系統(tǒng)采用五個(gè)溫度傳感器采集五路溫度信號(hào)，再對(duì)這五路信號(hào)取平均值。</p><p>　　DSP芯片：數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)得到了高速發(fā)展，性價(jià)比不斷提高,廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,例如通信、語

36、音處理、圖像處理、模式識(shí)別及工業(yè)控制等方面，并且日益顯示出巨大的優(yōu)越性。數(shù)字信號(hào)處理器利用專門或者通用的數(shù)字信號(hào)處理電路，以數(shù)字計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，具有處理速度快、靈活、精確、抗干擾能力強(qiáng)、體積小以及可靠性高的特點(diǎn)，可滿足對(duì)信號(hào)快速、精確、實(shí)時(shí)處理及控制的要求。</p><p>　　時(shí)鐘電路：DSP芯片工作是需要外部提供合適頻率的時(shí)鐘信號(hào)，給DSP芯片提供時(shí)鐘一般有兩種方法：—種是利用DSP芯片內(nèi)部提供的晶

37、振電路，另一種方法是采用外部振蕩源。</p><p>　　復(fù)位電路:當(dāng)芯片工作時(shí)遇到問題時(shí)或工作結(jié)束時(shí)需要復(fù)位，對(duì)于實(shí)際的DSP應(yīng)用系統(tǒng)，特別是產(chǎn)品化的DSP系統(tǒng)，可靠性是一個(gè)不容忽視的問題。實(shí)際上DSP系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率較高，在運(yùn)行時(shí)極有可能發(fā)生干擾和被干擾的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。為了克服這種情況，除了在軟件上做一些保護(hù)措施外，硬件上也必須做相應(yīng)的處理。</p><p>　　電

38、源電路：DSP芯片工作時(shí)需要具有合適穩(wěn)定電壓的電源來供電。</p><p>　　串行通信接口設(shè)計(jì)：TMS320F240的串行通信接口(SCI)為其內(nèi)部的可編程異步串行通信模塊，它是標(biāo)準(zhǔn)的異步串行數(shù)字通信接口，可以實(shí)現(xiàn)半雙工或者雙工通信及多機(jī)之間的通信。</p><p>　　光電隔離及放大電路：為了保證DSP芯片與空調(diào)設(shè)備之間的絕緣，輸出信號(hào)不影響輸入端，所以采用光電耦合器件，其工作原理就是

39、在光電耦合器輸入端加電信號(hào)使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換。</p><p><b>　　3.4器件選型</b></p><p>　　溫度傳感器選擇：本系統(tǒng)選用性能穩(wěn)定應(yīng)用廣泛的 PT1000 鉑電阻傳感器作為溫度測(cè)量的敏感元件。金 屬鉑電阻溫度系數(shù)

40、大、感應(yīng)靈敏，其電阻值隨溫度變化基本呈線性關(guān)系，在測(cè)溫范圍內(nèi)性能 穩(wěn)定、長(zhǎng)期復(fù)現(xiàn)性好、測(cè)量精度高。PT100 溫度傳感器的電阻溫度系數(shù)為 3.9×10－3／℃，電 阻變化率為 0.3851?/℃，線性度小于 0.5%。本系統(tǒng)的信號(hào)采集電路采用差動(dòng)對(duì)稱式電橋電路實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的測(cè)量，PT1000 溫度傳感器和精密電阻 R1、R2 及 R3 組成測(cè)量電橋。由于 采集的溫度信號(hào)是較弱的電壓信號(hào)，因此在 A/D 轉(zhuǎn)換之前需要經(jīng)過放大

41、電路，使其滿足 TMS320LF2407 片內(nèi) A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)要求。為了提高系統(tǒng)的采集精度，電橋采用美國(guó) 模擬器件公司的高精度基準(zhǔn)電壓源 AD586 供電，并在電橋前加限流電阻 R0，使其流過 PT1000 的電流小于 10mA，減小 PT1000 在工作時(shí)產(chǎn)生的自身熱效應(yīng)對(duì)采集信號(hào)的影響。</p><p>　　DSP芯片選擇：TMS320F240 為TI 公司所出品的定點(diǎn)式數(shù)字信號(hào)處理器芯片，具有強(qiáng)大

42、的外圍(64k I/O space、10 bit A/D Converter、Digital I/Operipheral) ，芯片內(nèi)部采用了加強(qiáng)型哈佛架構(gòu)(Enhanced HarvardArchitecture)，由三個(gè)平行處理的總線─程序地址總線(PAB)、數(shù)據(jù)讀出地址總線(DRAB)及數(shù)據(jù)寫入地址總線(DWAB)，使其能進(jìn)入多個(gè)內(nèi)存空間。由于總線之操作各自獨(dú)立，因此可同時(shí)進(jìn)入程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，而兩內(nèi)存間的數(shù)據(jù)亦可互相交換，使得

43、其具有快速的運(yùn)算速度，幾乎所有的指令皆可在50ns 周期時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完畢，內(nèi)部的程控以管線式的方式操作(Pipeline operation)，且使用內(nèi)存映像的方式，使其整體的效能可達(dá)到20MIPS，因此非常適用于實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)控制，而對(duì)于速度較慢的外圍亦提供了wait-states 的功能。TMS320F240 單芯片硬件架構(gòu)上的一些特性對(duì)于高速信號(hào)處理及數(shù)字控制上的應(yīng)用是必須且重要的，其使用次微米CMOS 技術(shù)制程使其功率散逸降至最低。其與

44、傳統(tǒng)的微處理機(jī)單芯片相較之下</p><p>　　(1)核心CPU包括32位的中央算術(shù)邏輯單元(CALU)、32位累加器、16位×16位并行乘法器、3個(gè)定標(biāo)移位寄存器和8個(gè)16位輔助寄存器,指令周期為50 ns(20 MI／s)，多數(shù)指令為單周期指令；</p><p>　　(2)片內(nèi)帶有544 Bxl6位的數(shù)據(jù)／程序RAM和16 KBxl6位的掩模ROM或FLASH EEPRCl

45、M,外部存儲(chǔ)器接口具有16位地址總線和16位數(shù)據(jù)總線,224 KBxl6位的最大可尋址寄存器空間；</p><p>　　(3)雙10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)雙路信號(hào)同時(shí)采樣，轉(zhuǎn)換時(shí)間可以根據(jù)需要編程設(shè)置．最短轉(zhuǎn)換時(shí)間為6．1 us；</p><p>　　(4)6個(gè)外部中斷，包括電源驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷、復(fù)位、非屏蔽中斷NMI和3個(gè)可屏蔽中斷。</p><p>　　電源芯片選擇：德

46、州儀器公司生產(chǎn)的電源芯片TPS7333可以提供2.5v,3v3.3v,4.85v和5v的穩(wěn)定電壓輸出，監(jiān)視電壓的輸出，并且可以接受200ms寬度的復(fù)位信號(hào)。需要的電流非常小，最大為0.5uA。復(fù)位腳與DSP復(fù)位腳相連接，當(dāng)電源電路出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，其復(fù)位腳可以輸出200ms的復(fù)位信號(hào)，保證DSP芯片復(fù)位。 </p><p>　　光電耦合器件選擇：為了保證DSP芯片與空調(diào)設(shè)備之間的絕緣，輸出信號(hào)不影響輸入端，所以

47、采用光電耦合器件，其工作原理就是在光電耦合器輸入端加電信號(hào)使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換。本次課程設(shè)計(jì)采用現(xiàn)在被廣泛使用的6N137，具有工作穩(wěn)定可靠，相應(yīng)速度快等特點(diǎn)。</p><p>　　串行通信芯片選擇：TMS320F240的串行通信接口(SCI)為其內(nèi)部的可編程異步串行通信模塊，它是標(biāo)

48、準(zhǔn)的異步串行數(shù)字通信接口，可以實(shí)現(xiàn)半雙工或者雙工通信及多機(jī)之間的通信。SCI模塊是8位片內(nèi)外設(shè)，通過DSP的16位外部數(shù)據(jù)總線的低8位與外部設(shè)備通信，有獨(dú)立的發(fā)送器和接收器。發(fā)送器和接收器均是雙緩沖的．并且都有獨(dú)立的使能位和中斷位。通信傳輸速率即波特率可以通過SCI的2個(gè)16位的波特率選擇寄存器編程來確定。 </p><p>　　SCI串行通信總線接口接口電路比較簡(jiǎn)單，主要由Maxim公司的MAX232A和一些外

49、圍元件構(gòu)成。SCIRXD和SCITXD分別接DSP控制器SCI串行通信模塊的輸出、輸入引腳．RXD和TXD分別接電路板上RS一232標(biāo)準(zhǔn)接口的2端和3端，電阻器R2、R3和電容器C6、C7作為抗干擾元件。利用此串行通信總線可以實(shí)現(xiàn)基于DSP的溫度控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間的異步數(shù)據(jù)通信，可以使計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)地讀?。篋SP存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)，便于調(diào)試系統(tǒng)和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。</p><p><b>　　3.5系統(tǒng)設(shè)計(jì)<

50、;/b></p><p>　　溫度信號(hào)采集及放大電路：本系統(tǒng)采用五個(gè)溫度傳感器采集五路溫度信號(hào)，再對(duì)這五路信號(hào)取平均值。本系統(tǒng)的信號(hào)采集電路采用差動(dòng)對(duì)稱式電橋電路實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的測(cè)量， 溫度傳感器和精密電阻 R1、R2 及 R3 組成測(cè)量電橋。由于采集的溫度信號(hào)是較弱的電壓信號(hào)，因此在A/D轉(zhuǎn)換之前需要經(jīng)過放大電路，使其滿足 TMS320LF240片內(nèi) A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)要求。為了提高系統(tǒng)的采集精度，電

51、橋采用美國(guó)模擬器件公司的高精度基準(zhǔn)電壓源 AD586 供電，并在電橋前加限流電阻 R0，使其流過 傳感器的電流小于10mA，減小 溫度傳感器在工作時(shí)產(chǎn)生的自身熱效應(yīng)對(duì)采集信號(hào)的影響。</p><p>　　DSP芯片：數(shù)字信號(hào)處理器利用專門或者通用的數(shù)字信號(hào)處理電路，以數(shù)字計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，具有處理速度快、靈活、精確、抗干擾能力強(qiáng)、體積小以及可靠性高的特點(diǎn)，可滿足對(duì)信號(hào)快速、精確、實(shí)時(shí)處理及控制的要求。文中

52、以T1MS320F240型DSP為核心,設(shè)計(jì)了高精度溫度控制系統(tǒng)。它具有執(zhí)行速度快，內(nèi)部置有模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　時(shí)鐘電路：DSP芯片工作是需要外部提供合適頻率的時(shí)鐘信號(hào)，給DSP芯片提供時(shí)鐘一般有兩種方法：—種是利用DSP芯片內(nèi)部提供的晶振電路，在DSP芯片的XI和XZ／CLOCKIN之間連接石英晶體可啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器，另一種方法是采用外部振蕩源，將外部時(shí)鐘源直接輸入X2／CLOCKIN引腳，

53、XI懸空。采用封裝好的晶體振蕩器，芯片內(nèi)部有PLL時(shí)鐘模塊可以倍頻或分頻外部時(shí)鐘。由于通常為減小高頻晶振影響，所以外部晶振頻率取得較低。本設(shè)計(jì)DSP運(yùn)行在40MHz頻率下，采用10MHz晶振，通過內(nèi)部倍頻到40MHz。</p><p>　　電源電路：在本設(shè)計(jì)中，采用TPS7333作為電源芯片，電路如圖2所示。TPS7333除了可以穩(wěn)定輸出3．3V電壓外，同時(shí)具有復(fù)位功能；TPS7333復(fù)位腳與DSP復(fù)位腳相連接，

54、當(dāng)電源電路出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，其復(fù)位腳可以輸出200ms的復(fù)位信號(hào)，保證DSP芯片復(fù)位。</p><p>　　復(fù)位電路:硬件上最有效的保護(hù)措施就是采用具有監(jiān)視功能的自動(dòng)復(fù)位電路，自功復(fù)位電路除了具有上電復(fù)位功能外，還具有監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行并在系統(tǒng)發(fā)生故障或死機(jī)時(shí)再次進(jìn)行復(fù)位的能力。其基本原理就是電路提供一個(gè)用于監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)視線，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)給監(jiān)視線提供一個(gè)高低電平發(fā)生變化的信號(hào)，如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)這個(gè)

55、信號(hào)不發(fā)生變化，自動(dòng)復(fù)位電路就認(rèn)為系統(tǒng)運(yùn)行不正常，并重新對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。</p><p>　　串行通信接口設(shè)計(jì)：TMS320F240的串行通信接口(SCI)為其內(nèi)部的可編程異步串行通信模塊，它是標(biāo)準(zhǔn)的異步串行數(shù)字通信接口，可以實(shí)現(xiàn)半雙工或者雙工通信及多機(jī)之間的通信。SCI模塊是8位片內(nèi)外設(shè)，通過DSP的16位外部數(shù)據(jù)總線的低8位與外部設(shè)備通信，有獨(dú)立的發(fā)送器和接收器。發(fā)送器和接收器均是雙緩沖的．并且都有獨(dú)立的使能

56、位和中斷位。通信傳輸速率即波特率可以通過SCI的2個(gè)16位的波特率選擇寄存器編程來確定。 </p><p>　　SCI串行通信總線接口電路如圖3所示．其接口電路比較簡(jiǎn)單，主要由Maxim公司的MAX232A和一些外圍元件構(gòu)成。SCIRXD和SCITXD分別接DSP控制器SCI串行通信模塊的輸出、輸入引腳．RXD和TXD分別接電路板上RS一232標(biāo)準(zhǔn)接口的2端和3端，電阻器R2、R3和電容器C6、C7作為抗干擾元件

57、。利用此串行通信總線可以實(shí)現(xiàn)基于DSP的溫度控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間的異步數(shù)據(jù)通信，可以使計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)地讀取：DSP存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)，便于調(diào)試系統(tǒng)和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及器件選型畫出總的系統(tǒng)原理圖如下 </p><p><b>　　4 設(shè)計(jì)心得</b></p><p>　　在畫原理圖時(shí)，雖然我有過電子設(shè)計(jì)的經(jīng)歷，但是過

58、于粗心，以致出了許多錯(cuò)誤，后來在同學(xué)的幫助下一一改正。學(xué)習(xí)知識(shí)一定要扎扎實(shí)實(shí)的一步一步走，走捷徑、一步登天的想法是萬萬不能有的。</p><p>　　編程時(shí)，如上所述，出現(xiàn)了很多的小錯(cuò)誤（篇幅和時(shí)間所限，沒有一一將其列出），甚至有時(shí)從流程上就走不通，我不斷的進(jìn)行修改和測(cè)試，逐步完善整個(gè)程序。只有耐心、細(xì)致的工作，才使得整個(gè)程序越來越完善。</p><p>　　另外在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我在其他同學(xué)