1、<p>　　基于DSP的溫度控制系統(tǒng)的設計</p><p>　　班級：自動化08-5班</p><p><b>　　姓名： </b></p><p><b>　　學號： </b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　

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

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

4、;··························2</p><p>　　1 設計目的·····

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

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

7、;················3</p><p>　　2 設計要求···············

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

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

10、;······3</p><p>　　3 設計內容·························

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

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

13、　3.1 理 論 依 據··································

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

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

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

17、;······························4</p><p>　　3.3 方 案 設 計

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 計·&#

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

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

25、3;·········10</p><p>　　4 設計感想······················&

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

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

28、gt;<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　根據題目要求設計基于DSP的溫度控制系統(tǒng)。通過選擇合適的DSP芯片型號，傳感器和外圍電路，如復位電路，電源電路，時鐘電路，信號采集電路等，實現(xiàn)對溫度信號的采集，信號處理及溫度的控制。</p><p>　　關鍵詞： DSP芯片；溫度信號采集；溫度傳感器；時鐘電路</p><p

29、><b>　　1 設計目的</b></p><p>　　通過選擇合適的DSP芯片型號，傳感器和外圍電路，如復位電路，電源電路，時鐘電路，信號采集電路等，實現(xiàn)對溫度信號的采集，信號處理及溫度的控制。</p><p><b>　　2 設計要求</b></p><p>　　控制室內溫度恒定為設定值（±3℃），室內

30、溫度采樣點為5個點，要求系能對室內溫度進行實時采集、處理，并根據設定值通過空調設備進行相應控制（制冷或加熱）。</p><p>　　根據設計題目的要求，選擇確定DSP芯片型號、溫度傳感器型號，完成系統(tǒng)硬件設計，實現(xiàn)對溫度數(shù)據的實時采集和處理。</p><p><b>　　3 設計內容</b></p><p><b>　　3.1理論依據

31、 </b></p><p>　　溫度是過程控制中主要的被控量，對溫度信號的采集與處理已經廣泛應用于工業(yè)領域和其他的領域中。目前的溫度控制系統(tǒng)多采用單片機進行控制，由于單片機的運算速度慢，在處理一些實 時性強、數(shù)據運算量大的控制系統(tǒng)過程中，難以實現(xiàn)實時控制。隨著微處理器的發(fā)展，數(shù)字 信號處理器（DSP）以其強大的運算能力，逐步成為控制領域的主流選擇。TI公司的 TMS320LF240型DSP微控制器以

32、其處理能力強，外設功能模塊集成度高及存儲器容量大等 特點廣泛應用于數(shù)字化控制與通信領域，可滿足對信號的快速、精確和實時處理。</p><p>　　基于DSP設計的溫度控制器利用DSP強大的高速運算能力，以及其片內集成的豐富的控制外圍部件和電路,從而簡化了電路的硬件設計,可以實現(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,便于用戶分析實驗結果。此外，還具有脫離DSP的高溫硬件保護功能．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，提高了溫度控制系統(tǒng)工作的可靠性和使用安全性。信號采集電路是溫度控制系統(tǒng)的重要組成部分．其對溫度測量的精確性直接影響整個溫度控制系統(tǒng)的精度。</p><p><b>　　3.2信號特征分析</b></p><p>　　由溫度傳感器所測量的溫度可以看做是連續(xù)信號，即在時間上和幅度上分別連續(xù)的信號。而DSP處理的數(shù)據是離散的，所

34、以要對連續(xù)的溫度信號進行數(shù)字化，即采樣，量化等。此過程由DSP內部的模數(shù)轉化模塊來完成。數(shù)字化后的信號輸入DSP后，經過分析處理，輸出控制信號，如高低電平等，來控制空調設備進行制冷后加熱。</p><p>　　由于在溫度測量過程中，不可避免的由于外界因素的干擾而造成溫度信號的上下波動，從而造成測量結果的不準確。所以溫度測量電路采用差分測量電路，通過兩者相減來減小誤差。</p><p>&l

35、t;b>　　3.3方案設計</b></p><p>　　溫度信號采集及放大電路：溫度用溫度傳感器來測量，信號采集電路是溫度控制系統(tǒng)的前向通道，所采集溫度數(shù)據的精確性決定了溫度系統(tǒng)的精度。本系統(tǒng)采用五個溫度傳感器采集五路溫度信號，再對這五路信號取平均值。</p><p>　　DSP芯片：數(shù)字信號處理器(DSP)得到了高速發(fā)展，性價比不斷提高,廣泛應用于各個領域,例如通信、語

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

37、振電路，另一種方法是采用外部振蕩源。</p><p>　　復位電路:當芯片工作時遇到問題時或工作結束時需要復位，對于實際的DSP應用系統(tǒng)，特別是產品化的DSP系統(tǒng)，可靠性是一個不容忽視的問題。實際上DSP系統(tǒng)的時鐘頻率較高，在運行時極有可能發(fā)生干擾和被干擾的現(xiàn)象，嚴重時系統(tǒng)可能會出現(xiàn)死機現(xiàn)象。為了克服這種情況，除了在軟件上做一些保護措施外，硬件上也必須做相應的處理。</p><p>　　電

38、源電路：DSP芯片工作時需要具有合適穩(wěn)定電壓的電源來供電。</p><p>　　串行通信接口設計：TMS320F240的串行通信接口(SCI)為其內部的可編程異步串行通信模塊，它是標準的異步串行數(shù)字通信接口，可以實現(xiàn)半雙工或者雙工通信及多機之間的通信。</p><p>　　光電隔離及放大電路：為了保證DSP芯片與空調設備之間的絕緣，輸出信號不影響輸入端，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使發(fā)光源發(fā)光，光的強度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應而產生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現(xiàn)了電一光一電的轉換。</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)定應用廣泛的 PT1000 鉑電阻傳感器作為溫度測量的敏感元件。金 屬鉑電阻溫度系數(shù)

40、大、感應靈敏，其電阻值隨溫度變化基本呈線性關系，在測溫范圍內性能 穩(wěn)定、長期復現(xiàn)性好、測量精度高。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)的信號采集電路采用差動對稱式電橋電路實現(xiàn)溫度信號的測量，PT1000 溫度傳感器和精密電阻 R1、R2 及 R3 組成測量電橋。由于 采集的溫度信號是較弱的電壓信號，因此在 A/D 轉換之前需要經過放大

41、電路，使其滿足 TMS320LF2407 片內 A/D 轉換器的輸入信號要求。為了提高系統(tǒng)的采集精度，電橋采用美國 模擬器件公司的高精度基準電壓源 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 在工作時產生的自身熱效應對采集信號的影響。</p><p>　　DSP芯片選擇：TMS320F240 為TI 公司所出品的定點式數(shù)字信號處理器芯片，具有強大

42、的外圍(64k I/O space、10 bit A/D Converter、Digital I/Operipheral) ，芯片內部采用了加強型哈佛架構(Enhanced HarvardArchitecture)，由三個平行處理的總線─程序地址總線(PAB)、數(shù)據讀出地址總線(DRAB)及數(shù)據寫入地址總線(DWAB)，使其能進入多個內存空間。由于總線之操作各自獨立，因此可同時進入程序及數(shù)據存儲器空間，而兩內存間的數(shù)據亦可互相交換，使得

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

44、傳統(tǒng)的微處理機單芯片相較之下</p><p>　　(1)核心CPU包括32位的中央算術邏輯單元(CALU)、32位累加器、16位×16位并行乘法器、3個定標移位寄存器和8個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)片內帶有544 Bxl6位的數(shù)據／程序RAM和16 KBxl6位的掩模ROM或FLASH EEPRCl

45、M,外部存儲器接口具有16位地址總線和16位數(shù)據總線,224 KBxl6位的最大可尋址寄存器空間；</p><p>　　(3)雙10位模數(shù)轉換器可實現(xiàn)雙路信號同時采樣，轉換時間可以根據需要編程設置．最短轉換時間為6．1 us；</p><p>　　(4)6個外部中斷，包括電源驅動保護中斷、復位、非屏蔽中斷NMI和3個可屏蔽中斷。</p><p>　　電源芯片選擇：德

46、州儀器公司生產的電源芯片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寬度的復位信號。需要的電流非常小，最大為0.5uA。復位腳與DSP復位腳相連接，當電源電路出現(xiàn)波動時，其復位腳可以輸出200ms的復位信號，保證DSP芯片復位。 </p><p>　　光電耦合器件選擇：為了保證DSP芯片與空調設備之間的絕緣，輸出信號不影響輸入端，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使發(fā)光源發(fā)光，光的強度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應而產生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現(xiàn)了電一光一電的轉換。本次課程設計采用現(xiàn)在被廣泛使用的6N137，具有工作穩(wěn)定可靠，相應速度快等特點。</p><p>　　串行通信芯片選擇：TMS320F240的串行通信接口(SCI)為其內部的可編程異步串行通信模塊，它是標

48、準的異步串行數(shù)字通信接口，可以實現(xiàn)半雙工或者雙工通信及多機之間的通信。SCI模塊是8位片內外設，通過DSP的16位外部數(shù)據總線的低8位與外部設備通信，有獨立的發(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單，主要由Maxim公司的MAX232A和一些外

49、圍元件構成。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標準接口的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現(xiàn)基于DSP的溫度控制系統(tǒng)與計算機之間的異步數(shù)據通信，可以使計算機實時地讀?。篋SP存儲器內的數(shù)據，便于調試系統(tǒng)和分析實驗結果。</p><p><b>　　3.5系統(tǒng)設計<

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

51、橋采用美國模擬器件公司的高精度基準電壓源 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產生的自身熱效應對采集信號的影響。</p><p>　　DSP芯片：數(shù)字信號處理器利用專門或者通用的數(shù)字信號處理電路，以數(shù)字計算的方法對信號進行處理，具有處理速度快、靈活、精確、抗干擾能力強、體積小以及可靠性高的特點，可滿足對信號快速、精確、實時處理及控制的要求。文中

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

53、XI懸空。采用封裝好的晶體振蕩器，芯片內部有PLL時鐘模塊可以倍頻或分頻外部時鐘。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。本設計DSP運行在40MHz頻率下，采用10MHz晶振，通過內部倍頻到40MHz。</p><p>　　電源電路：在本設計中，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，同時具有復位功能；TPS7333復位腳與DSP復位腳相連接，

54、當電源電路出現(xiàn)波動時，其復位腳可以輸出200ms的復位信號，保證DSP芯片復位。</p><p>　　復位電路:硬件上最有效的保護措施就是采用具有監(jiān)視功能的自動復位電路，自功復位電路除了具有上電復位功能外，還具有監(jiān)視系統(tǒng)運行并在系統(tǒng)發(fā)生故障或死機時再次進行復位的能力。其基本原理就是電路提供一個用于監(jiān)視系統(tǒng)運行的監(jiān)視線，當系統(tǒng)正常運行時，應在規(guī)定的時間內給監(jiān)視線提供一個高低電平發(fā)生變化的信號，如果在規(guī)定的時間內這個

55、信號不發(fā)生變化，自動復位電路就認為系統(tǒng)運行不正常，并重新對系統(tǒng)進行復位。</p><p>　　串行通信接口設計：TMS320F240的串行通信接口(SCI)為其內部的可編程異步串行通信模塊，它是標準的異步串行數(shù)字通信接口，可以實現(xiàn)半雙工或者雙工通信及多機之間的通信。SCI模塊是8位片內外設，通過DSP的16位外部數(shù)據總線的低8位與外部設備通信，有獨立的發(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．其接口電路比較簡單，主要由Maxim公司的MAX232A和一些外圍元件構成。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標準接口的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現(xiàn)基于DSP的溫度控制系統(tǒng)與計算機之間的異步數(shù)據通信，可以使計算機實時地讀?。篋SP存儲器內的數(shù)據，便于調試系統(tǒng)和分析實驗結果。</p><p>　　根據系統(tǒng)結構框圖及器件選型畫出總的系統(tǒng)原理圖如下 </p><p><b>　　4 設計心得</b></p><p>　　在畫原理圖時，雖然我有過電子設計的經歷，但是過

58、于粗心，以致出了許多錯誤，后來在同學的幫助下一一改正。學習知識一定要扎扎實實的一步一步走，走捷徑、一步登天的想法是萬萬不能有的。</p><p>　　編程時，如上所述，出現(xiàn)了很多的小錯誤（篇幅和時間所限，沒有一一將其列出），甚至有時從流程上就走不通，我不斷的進行修改和測試，逐步完善整個程序。只有耐心、細致的工作，才使得整個程序越來越完善。</p><p>　　另外在整個實驗中，我在其他同學