基于dsp高速測(cè)溫儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 路，把一晶體連接在 TMS320F240 芯片的 XTAL 1 和 XTAL2 之間可啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器，如圖 31 所示。在實(shí)驗(yàn)中采用這種方法。 C?0PYRSTALX/KIN圖 31 內(nèi)部震蕩電路 復(fù)位電路圖 32 所示為手動(dòng)復(fù)位電路。剛通電時(shí)，TMS20F240 處于復(fù)位狀態(tài)，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11VC50K1uFS?WPB/XR圖 32 手動(dòng)復(fù)位電路/RS 為低使芯片復(fù)位。為使芯片初始化正確，一般應(yīng)保證/RS 為低至少持續(xù) 3 個(gè)CLKOUT 周期。但是上電后，系統(tǒng)的晶體振蕩器往往需要幾百毫秒的穩(wěn)定期，一般為 100ms200ms。圖 3 電路的復(fù)位時(shí)間主要由 R 和 C 確定。用式 31，設(shè) V1=1. 5V 為低電平與高電平的分界點(diǎn)，則: （式 31）11ln(/)tRCVc??選擇 R=100， C= ，可得 t1=l67ms，隨后的施密特觸發(fā)器保證了低電平的持續(xù)時(shí)間至少為 167ms，才能滿足復(fù)位要求。在實(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(wèn)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，為了克服這些情況，不僅在軟件上做保護(hù)措施，在硬件上采用具有監(jiān)視功能的自動(dòng)復(fù)位電路。 向前通道測(cè)量電路用 DSP 進(jìn)行測(cè)溫系統(tǒng)必須有被測(cè)電信號(hào)的輸入通道，它用來(lái)采集重要的輸入信息。在測(cè)量系統(tǒng)中怎樣能更準(zhǔn)確獲取被測(cè)信號(hào)是核心任務(wù)；在測(cè)控系統(tǒng)中，對(duì)被控現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)視和對(duì)被控對(duì)象狀態(tài)的檢測(cè)是重要的環(huán)節(jié)。要利用傳感器將非電信長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)才能完成測(cè)量和控制任務(wù)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)只能識(shí)別和處理電量數(shù)字信號(hào)。得到的模擬電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大并通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后才能由計(jì)算機(jī)進(jìn)行有效的處理。本方案中采用兩路熱電偶傳感器采集兩點(diǎn)的溫度信號(hào)，放大器采用高速的 LM358，可以兩路同步采樣，因?yàn)?TMS320F240 內(nèi)部自帶 2 個(gè) A/D,由于傳感器的噪聲大，工作環(huán)境比較惡劣，在傳感器的輸出端上會(huì)產(chǎn)生較大的干擾信號(hào)，當(dāng)應(yīng)用于低速測(cè)溫，前向通道中可以采取硬件濾波措施，提高信噪比。采集的信號(hào)經(jīng)放大器放大后通過(guò)濾波將噪聲和其它干擾信號(hào)濾去。而在高速測(cè)溫時(shí)，由于硬件濾波器的響應(yīng)速度慢，因此不能在前向通道中采取硬件濾波，但可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后通過(guò)軟件濾波來(lái)處理。因?yàn)?TMS 320F240 內(nèi)部自帶 ADC， ，所以可以將兩路電信號(hào)可以直接接入 DSP。 傳感器的選擇為提高熱電偶的響應(yīng)速度，在此采用小直徑 的鎳鉻一鎳鋁(硅)熱電偶(K 型)。含鉻 1820%的鎳合金具有良好的抗氧化性能，在還原氣氛中的穩(wěn)定性也大大改善。這種熱電偶的抗氧化能力強(qiáng)，材料也不易變脆，熱電動(dòng)勢(shì)穩(wěn)定性好，適用于 1300℃以下的溫度測(cè)量，測(cè)溫不確定度小于 400℃時(shí)為177。℃，大于 400℃時(shí)為所測(cè)電動(dòng)勢(shì)的 1%。滿足高速測(cè)溫要求，而且這種熱電偶成本低可以降低系統(tǒng)成本。 放大倍數(shù)的確定K 型熱電偶在 1000℃時(shí)的熱電勢(shì)為 ，而 TMS 320F240 內(nèi)的 ADC 滿量程為 5V。放大器 LM358 采用單極性輸入時(shí)的飽和輸出電壓為 . 故放大倍數(shù)為 3830/=92。采用二級(jí)放大，第一級(jí)放大 9 倍，第二級(jí)放大 10 倍。電路如圖 33.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13圖 33 放大電路圖 模數(shù)轉(zhuǎn)換器TMS320F240 芯片的 ADC 模塊含兩個(gè)帶采樣保持電路的 ADC。芯片內(nèi)共有 16 路模擬輸入通道，每個(gè) ADC 有 8 路模擬輸入通道，通過(guò) 1 至 8 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)接入。每個(gè) ADC 完成轉(zhuǎn)換的總時(shí)間為 μs。而高速測(cè)溫過(guò)程，如激光加熱速率約為100000～1000000℃/s ，溫度變化 1℃最長(zhǎng)時(shí)間需 100μs。因此該 ADC 完全能滿足實(shí)時(shí)高速測(cè)溫的要求。ADC 模塊有以下功能: ADC 可執(zhí)行獨(dú)立的或連續(xù)的采樣、保持操作。、內(nèi)部或外部事件處理器啟動(dòng)。（1）ADC 模塊的管腳介紹ADC 模塊共提供 20 個(gè)管腳與外部電路接口。ADCINOADCIN 15 這 16 個(gè)管腳是模擬輸入管腳，有兩個(gè)模擬參考電壓輸入管腳。模擬電壓信號(hào)與數(shù)字電壓信號(hào)應(yīng)分開。為保證轉(zhuǎn)換精度電源采用標(biāo)準(zhǔn)減噪聲設(shè)備。模擬電源信號(hào)線應(yīng)盡可能的短和粗。ADCINOADCIN7 是屬于第一個(gè) ADC 模塊，ADCIN8ADCIN15 屬于第二個(gè) ADC 模塊。ADCINO, ADCIN 1, ADCIN8 和 ADCIN9 還具有數(shù)字 1/O 的第二功能。通過(guò)軟件長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14編程這四個(gè)管腳可用作 I/O 口。但是這四個(gè)管腳的轉(zhuǎn)換精度沒(méi)有其它 12 個(gè)模擬輸入管腳高。（2）ADC 模塊的工作模式a）兩個(gè)通道采樣和轉(zhuǎn)換可以同步進(jìn)行。b）單獨(dú)或連續(xù)的采樣、保持和轉(zhuǎn)換操作。c）ADC 模塊單元采用二級(jí)堆棧結(jié)果寄存器。d）開始轉(zhuǎn)換操作可由軟件指令、外部信號(hào)傳遞到器件的管腳或通過(guò)事件處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。e）將位寫入 ADC 的控制寄存器時(shí)，不影響正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換過(guò)程。新寫入的位值先進(jìn)入未激活寄存器而不是激活寄存器，一旦轉(zhuǎn)變完成后新位的設(shè)置立即從未激活寄存器轉(zhuǎn)移到激活寄存器。下一個(gè)轉(zhuǎn)換由新位的設(shè)置來(lái)決定。f）如果中斷沒(méi)有被屏蔽的話，轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)會(huì)設(shè)置一個(gè)中斷標(biāo)志并產(chǎn)生中斷。如果第三個(gè)轉(zhuǎn)變開始而沒(méi)有讀 FIFO 堆棧的話，第一個(gè)轉(zhuǎn)變數(shù)據(jù)將丟失。(3)模擬信號(hào)的采樣和轉(zhuǎn)變單個(gè) ADC 模塊執(zhí)行采樣一個(gè)時(shí)鐘周期，轉(zhuǎn)變四個(gè)半周期，因而整個(gè)采樣轉(zhuǎn)變時(shí)間是五個(gè)半周期。ADC 模塊的結(jié)構(gòu)要求采樣轉(zhuǎn)變時(shí)間是 μs 或更長(zhǎng)以保證轉(zhuǎn)換精度。ADC 時(shí)鐘周期數(shù)目與 μ s 的最小值關(guān)系應(yīng)滿足系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。因?yàn)橄到y(tǒng)時(shí)鐘頻率可以偏離這個(gè)關(guān)系。ADC 模塊提供的預(yù)標(biāo)定允許應(yīng)用過(guò)程中 DSP時(shí)鐘變化時(shí) ADC 模塊保持最優(yōu)化操作。因此在選擇 ADC 模塊的預(yù)標(biāo)定值時(shí)，應(yīng)保證這個(gè) ADC 模塊的采樣轉(zhuǎn)變時(shí)間大于或等于 。這個(gè)預(yù)標(biāo)定值應(yīng)滿足以下公式: 系統(tǒng)時(shí)鐘周期((SYSCLK)預(yù)標(biāo)定值 = 存儲(chǔ)器接口在TMS320LF2407芯片中有32K字的FLASH程序存儲(chǔ)器，544字雙口RAM(DARAM)和2K字的單口RAM(SARAM)。對(duì)于程序存儲(chǔ)器32K字的FLASH已經(jīng)可以滿足要求。但對(duì)于高速測(cè)溫，僅有的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是不夠的。在本方案中，一次采樣周期為8us，采長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15樣值占用兩個(gè)字節(jié)，則采樣的數(shù)據(jù)量為250K字節(jié)／秒。如此大的數(shù)據(jù)量?jī)H靠片內(nèi)的RAM是不夠的。因此必須擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。在本實(shí)驗(yàn)中采用兩片128KX8靜態(tài)隨機(jī)讀取存儲(chǔ)器TC55V8128BJ12構(gòu)成16位128K的擴(kuò)展存儲(chǔ)器。TC55V8128BJ12具有容量大、功耗低、集成度高、速度快、設(shè)計(jì)和使用方便等特點(diǎn)。圖34是TC55V8128BJ12的外部引腳排列圖，各引腳名稱及功能。分別如下：AO～A16是17條地址線：I／00～I(xiàn)／07是8條雙向數(shù)據(jù)線；／CE是片選線，低電平有效，／WE是寫控制線，當(dāng)／CS為低電平時(shí)，／WE的上升沿將I／00～I(xiàn)／07上的數(shù)據(jù)寫到AO～A16選中的存儲(chǔ)單元中；／OE是讀出允許端，低電平有效。圖34 TC55V8128BJ12的引腳功能圖存儲(chǔ)器與 TMS320LF240 的接口電路如圖 35 所示：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16圖 35 存儲(chǔ)器與 TMS320F240 的接口電路采用數(shù)據(jù)選通線/DS接外部RAM的A16地址線。因此數(shù)據(jù)區(qū)RAM64K(0000HFFFH)，程序區(qū)為RAM的后64K(10000H1FFFFH)。對(duì)DSP而言，程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)的地址均為0000HFFFFH。由于TC55VSl28BJ12是8位的SRAM，TMS320LF2407的數(shù)據(jù)線有16位，故需要兩片TC55VSl28BJ12并聯(lián)構(gòu)成16位的外接存儲(chǔ)器。如果程序區(qū)采用外部的 RAM 時(shí)，應(yīng)將 DSP 芯片的 MP／Mc 置高，使芯片工作在微處理器方式。如果內(nèi)部 FLASH 設(shè)置有效，則相同的地址的外部 RAM 自動(dòng)無(wú)效。當(dāng)外部 RAM 的存取速度不能全速運(yùn)行時(shí)需要根據(jù)速度設(shè)置插入等待狀態(tài)。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17圖 36 CS2 控制數(shù)據(jù)保持時(shí)序 電源電路TMS320LF2407 DSP芯片的供電電壓為3．3V，但有些外圍器件供電電壓為5V。因此在電路中需要提供5V和3．3V的電源。電路如圖37所示。220V的交流電經(jīng)變壓器后輸出8V的交流電，8V的交流電由四個(gè)二極管構(gòu)成的整流電路整流后得到8v的直流電，再經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓器MC7805輸出5V的直流電壓。5V的直流電壓再經(jīng)過(guò)低壓降穩(wěn)壓器TPS76301將電壓穩(wěn)定在3．3V。F12AD4QP~0VinGNoutU78569T?RSC.+圖 37 電源電路 顯示器接口電路長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18在同一時(shí)刻只有一個(gè)顯示器通電，但是由于人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象和發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，因此在人們看來(lái)，每個(gè)顯示器都在穩(wěn)定地顯示。這種巡回掃描顯示器的操作要靠程序控制。動(dòng)態(tài)顯示的亮度要受電流平均值的影響，其電流平均值增大，顯示亮度增強(qiáng)。在本測(cè)測(cè)溫儀的顯示器是測(cè)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)地自動(dòng)地向操作人員提供必要的狀態(tài)信息的手段和途徑之一。它使操作人員能夠及時(shí)地觀察到系統(tǒng)的運(yùn)行情況和對(duì)操作命令的響應(yīng)結(jié)果。它是測(cè)控系統(tǒng)與操作者實(shí)現(xiàn)交換作用的另一個(gè)方面。在測(cè)控系統(tǒng)中，常用的顯示器主要有LED(發(fā)光二極管顯示器)和LCD(液晶顯示器)。這兩種顯示器配置靈活，與控制器接口方便。發(fā)光二極管顯示器的成本較低，顯示的亮度較大。所以本測(cè)溫儀采用發(fā)光二極管顯示器。對(duì)多個(gè)八段LED數(shù)碼管的接口方法主要有兩種：動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)法和靜態(tài)驅(qū)動(dòng)法。動(dòng)態(tài)顯示是把需要顯示的字符的各字段斷續(xù)通過(guò)電流，因而其發(fā)光是不連續(xù)的。使用動(dòng)態(tài)顯示法時(shí)，在每點(diǎn)亮一個(gè)顯示器之后，必須持續(xù)通電一段時(shí)間，使之發(fā)光穩(wěn)定，然后再點(diǎn)亮另一’個(gè)顯示器，如此巡回掃描所有的顯示器。巡回顯示的速度較快，每秒可重復(fù)多次(為了不產(chǎn)生閃爍，可每秒掃描20次左右)。雖然溫儀中，由于需要顯示的數(shù)據(jù)位數(shù)較多(10位)，如果用動(dòng)態(tài)顯示法則顯示的軟件開銷較大，而且動(dòng)態(tài)顯示是巡回掃描方式，當(dāng)顯示數(shù)據(jù)位較多時(shí)，首位數(shù)與末位數(shù)點(diǎn)亮的時(shí)間間隔較大，人眼能感覺(jué)到數(shù)據(jù)在閃爍。所以本測(cè)溫儀采用靜態(tài)顯示法。串行口靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方式的LED顯示邏輯如圖38所示。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 圖38串行口靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方式的LED顯示圖該測(cè)溫儀的顯示器由十位發(fā)光二極管組成，前七位顯示高能量密度加熱的時(shí)間，后三位顯示與時(shí)間對(duì)應(yīng)的加熱溫度。我們使用74LSl64串行輸入—并行輸出8位移位寄存器作為段選碼驅(qū)動(dòng)器，每一位用一片74LSl64，其并行輸出腳作段選的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)。八段LED數(shù)碼管的公共陰極端連在一起接低電平，十片74LSl64串連起來(lái)，即可構(gòu)成一個(gè)十位的八段LED數(shù)碼顯示器。 打印機(jī)接口電路打印機(jī)采用 TPUPNH 形式熱敏打印機(jī)，它是新型行式直接熱敏打印機(jī)，整機(jī)體積小、重量輕、噪音低、打印質(zhì)量高、可靠性好，適用于打印記錄數(shù)據(jù)和曲線等應(yīng)用場(chǎng)合。打印機(jī)接口形式既可并行也可串行接口。為使打印速度快些本實(shí)驗(yàn)采用與 CENTRONICS 標(biāo)準(zhǔn)兼容的 DB25 并行接口。該接口信號(hào)時(shí)序圖如圖 310。該打印機(jī)與 DSP 接口如圖 39 所示。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20圖 39 打印機(jī)與 DSP 的接口電路長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21圖310 打印機(jī)與DSP的接口信號(hào)時(shí)序 熱電偶冷端補(bǔ)償電路熱電偶冷端補(bǔ)償采用美國(guó) DALLAS 公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器DS18B200。用該器件來(lái)測(cè)量熱電偶周圍的環(huán)境溫度，因?yàn)榄h(huán)境溫度在幾秒中的范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，因此只需在系統(tǒng)上電時(shí)測(cè)一下環(huán)境溫度，送入存儲(chǔ)器中。加上這個(gè)溫度補(bǔ)償就是熱電偶測(cè)得的溫度值。采用該器件可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。該器件的主要性能如下：1）單線接口。 2）測(cè)量范圍是55℃～+125℃ 。3）供電范圍 3V～。4）將溫度轉(zhuǎn)換成 12 位數(shù)字最長(zhǎng)時(shí)間為 750ms。5）非易失性溫度報(bào)警。6）溫度計(jì)可編程 912 位。故只要將其數(shù)據(jù)線與 DSP 的一 I/O 口相接即可，再將其電源線和地線分別接長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22上。第 4 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)完成功能是將現(xiàn)場(chǎng)兩點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)采集處理，先轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在擬合成溫度值后顯示出來(lái)。顯示時(shí)可根據(jù)需要顯示一點(diǎn)或兩點(diǎn)溫度。如果溫度超出了測(cè)量范圍，那么顯示“9999” 。流程圖如圖 41。系統(tǒng)初始化采樣超溫 ？存儲(chǔ)濾波處理擬合成溫度值同時(shí)顯示兩點(diǎn)溫度顯示某點(diǎn)溫度打印報(bào)警圖 41 測(cè)溫系統(tǒng)總流程圖 采樣部分程序設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)放大器兩級(jí)把熱電偶采集得到的電壓放大后經(jīng)過(guò)濾波送人 DSP。放大后的電信號(hào)直接接入 DSP 內(nèi)部自帶的 AD 轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)即 AD 值，最后根據(jù)電壓與 AD 值得關(guān)系及熱電偶的熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系將 AD 值轉(zhuǎn)換為溫度值。如