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、基于dsp的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)班級：自動(dòng)化08-5班姓名：學(xué)號：20目 錄摘要···········································

2、83;·················································

3、83;·····21 設(shè)計(jì)目的···········································&#

4、183;·················································&#

5、183;·32 設(shè)計(jì)要求···············································&

6、#183;···············································33 設(shè)計(jì)內(nèi)容·

7、··················································

8、············································33.1 理 論 依 據(jù)····

9、··················································

10、································33.2 信號特征分析 ················

11、··················································

12、·················43.3 方 案 設(shè) 計(jì)·······························

13、··················································

14、·····43.4 器 件 選 型···········································

15、··········································53.5 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì)······

16、··················································

17、····························104 設(shè)計(jì)感想····················

18、3;·················································

19、3;·······················16摘 要根據(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，傳感器和外圍電路，如復(fù)位電路，電源電路，時(shí)鐘電路，信號采集電路等，實(shí)現(xiàn)對溫度信號的采集，信號處理及溫度的控制。關(guān)鍵詞： dsp芯片；溫度信號采集；溫度傳感器；時(shí)鐘電路1 設(shè)計(jì)目的通過選擇合適的dsp芯片型號，傳感器和外圍電路，如復(fù)位電路，

20、電源電路，時(shí)鐘電路，信號采集電路等，實(shí)現(xiàn)對溫度信號的采集，信號處理及溫度的控制。2 設(shè)計(jì)要求控制室內(nèi)溫度恒定為設(shè)定值（±3），室內(nèi)溫度采樣點(diǎn)為5個(gè)點(diǎn)，要求系能對室內(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）。根據(jù)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理。3 設(shè)計(jì)內(nèi)容3.1理論依據(jù) （1） 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(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

21、，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微控制器以其處理能力強(qiáng)，外設(shè)功能模塊集成度高及存儲器容量大等 特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于數(shù)字化控制與通信領(lǐng)域，可滿足對信號的快速、精確和實(shí)時(shí)處理。（2） 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)功能可消除由于dsp系統(tǒng)意外失控所造成的系

22、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(gè)溫度控制系統(tǒng)的精度。3.2信號特征分析 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(shí)間上和幅度上分別連續(xù)的信號。而dsp處理的數(shù)據(jù)是離散的，所以要對連續(xù)的溫度信號進(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)字化后的信號輸入dsp后，經(jīng)過分析處理，輸出控制信號，如高低電平等，來控制空調(diào)設(shè)備進(jìn)行制冷后加熱。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(dòng)，從而造成測量結(jié)果的不準(zhǔn)確。所以溫度測量電路采用差分測量電路，

23、通過兩者相減來減小誤差。3.3方案設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路電源電路 dsp芯片空調(diào)設(shè)備光電隔離及功率放大電路溫度信號采集及放大電路串行通信電路復(fù)位電路 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(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，再對這五路信號取平均值。dsp芯片：數(shù)字信號處理器(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(jì)算的方法對信號進(jìn)行處理，具有處理速

24、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)，可滿足對信號快速、精確、實(shí)時(shí)處理及控制的要求。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，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，另一種方法是采用外部振蕩源。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。電源電路：dsp芯片工作時(shí)

25、需要具有合適穩(wěn)定電壓的電源來供電。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。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，輸出信號不影響輸入端，所以采用光電耦合器件，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(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。3.4器件選型 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

26、測量的敏感元件。金 屬鉑電阻溫度系數(shù)大、感應(yīng)靈敏，其電阻值隨溫度變化基本呈線性關(guān)系，在測溫范圍內(nèi)性能 穩(wěn)定、長期復(fù)現(xiàn)性好、測量精度高。pt100 溫度傳感器的電阻溫度系數(shù)為 3.9×103，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(dòng)對稱式電橋電路實(shí)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(zhuǎn)換之前需要經(jīng)過放大電路，使其滿足 tms320lf2407 片內(nèi) a/d 轉(zhuǎn)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

27、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)對采集信號的影響。 dsp芯片選擇：tms320f240 為ti 公司所出品的定點(diǎn)式數(shù)字信號處理器芯片，具有強(qiáng)大的外圍(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

28、。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)存儲器空間，而兩內(nèi)存間的數(shù)據(jù)亦可互相交換，使得其具有快速的運(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)上的一些特性對于高速信號處理及數(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。其與傳統(tǒng)的微處理機(jī)單芯片相較之下其具有下列的優(yōu)點(diǎn)： (1)執(zhí)行速度快

29、，整體效能佳，可達(dá)到真正的實(shí)時(shí)控制。 (2)特殊的硬件及指令設(shè)計(jì)，適用于高性能的控制。 (3)容易增加附屬功能，很容易擴(kuò)展外圍。 (4)具有實(shí)時(shí)中斷的看門狗定時(shí)器模塊，可監(jiān)控程序之運(yùn)作。 (5)使用4 層的pipeline 的程序運(yùn)作及設(shè)計(jì)有指令延遲之功能。 tms320f240將dsp的高速運(yùn)算能力和高效控制能力集于一體,其主要特點(diǎn)如下：(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 mis)，多數(shù)指令為單周期指令；(2)片內(nèi)帶有544 bxl6位的數(shù)據(jù)程序ram

30、和16 kbxl6位的掩模rom或flash eeprclm,外部存儲器接口具有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；(3)雙10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)雙路信號同時(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61 us；(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。 電源芯片選擇：德州儀器公司生產(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。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)，

31、其復(fù)位腳可以輸出200ms的復(fù)位信號，保證dsp芯片復(fù)位。 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，輸出信號不影響輸入端，所以采用光電耦合器件，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(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)。 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)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

32、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。 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

33、步數(shù)據(jù)通信，可以使計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)地讀?。篸sp存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)，便于調(diào)試系統(tǒng)和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 3.5系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度信號采集及放大電路：本系統(tǒng)采用五個(gè)溫度傳感器采集五路溫度信號，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(dòng)對稱式電橋電路實(shí)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(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(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10

34、ma，減小 溫度傳感器在工作時(shí)產(chǎn)生的自身熱效應(yīng)對采集信號的影響。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(jì)算的方法對信號進(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)，可滿足對信號快速、精確、實(shí)時(shí)處理及控制的要求。文中以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)。 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，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xzclockin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x2clockin引腳，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