dsp課程設計--基于dsp的溫度控制系統(tǒng)的設計

1、<p>　　課 程 設 計 說 明 書</p><p>　　題 目： 基于DSP的溫度控制系統(tǒng)的設計</p><p>　　課 程： DSP課程設計</p><p>　　院 （部）： 信息與電氣工程學院</p><p>　　專 業(yè)： 電子信息工程<

2、/p><p>　　班 級： 電信061</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要··················&

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

4、;····································

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

6、#183;··········1</p><p>　　1 設計目的·····················

7、;····································

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

9、#183;································2</p><p>　

10、　2 設計要求···································

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

12、#183;····································

13、;··················2</p><p>　　3 設計內容·············

14、83;····································&

15、#183;····································

16、;····································

17、83;···3</p><p>　　3.1理論依據····························

18、····································

19、3;····································&#

20、183;···················3</p><p>　　3.2信號特征分析···········

21、83;····································&

22、#183;····································

23、;····························3</p><p>　　3.3方案設計···&#

24、183;····································

25、····································

26、3;····································&#

27、183;·······3</p><p>　　3.4 器件選型·······················

28、3;····································&#

29、183;····································

30、·······················8</p><p>　　3.5 軟件設計與實現········

31、;····································

32、83;····································&

33、#183;·························11</p><p>　　總結與致謝······

34、;····································

35、83;····································&

36、#183;····································

37、;··········14</p><p>　　參考文獻·····················

38、3;····································&#

39、183;····································

40、···································15</p&g

41、t;<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，信號采集，溫度傳感器，時鐘電路等。</p><p&

42、gt;<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℃），室內溫

43、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，實現對溫度數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

44、 </b></p><p>　　以 DSP 為控制器的溫度控制系統(tǒng)設計，充分發(fā)揮了 TMS320LF2407 的高速 運算能力和片內集成的豐富控制部件的功能，簡化了溫度控制系統(tǒng)的電路設計?；贒SP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,可以實現各種控制算法和控制策略,并通過異步

45、串行通信接口來讀取用戶所需要的數據,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。本試驗以 TMS320LF2407型DSP為控制器，實現了溫度控制系統(tǒng)的控制。</p><p><b>　　

46、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處理的數據是離散的，所以要對連續(xù)的溫度信號進行數字化，即采樣，量化等。此過程由DSP內部的模數轉化模塊來完成。數字化后的信號輸入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><b>

47、　　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，所采集溫度數據的精確性決定了溫度系統(tǒng)的精度。本系統(tǒng)的信號采集電路采用差動對稱式電橋電路實現溫度信號的測量， 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 TMS320LF24

48、0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 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、語音處理、圖像處理、模式識別及工業(yè)控制等方面，并且

49、日益顯示出巨大的優(yōu)越性。數字信號處理器利用專門或者通用的數字信號處理電路，以數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。文中以T1MS320F240型DSP為核心,設計了高精度溫度控制系統(tǒng)。</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

50、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，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>　

51、　電源電路：DSP芯片工作時需要合適電壓的電源來供電，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，當電源電路出現波動時，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: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

52、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象，嚴重時系統(tǒng)可能會出現死機現象。為了克服這種情況，除了在軟件上做一些保護措施外，硬仵上也必須做相應的處理。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

53、，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</p><p>　　這個信號不發(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字通信接口，可以實現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，

54、通過DSP的16位外部數據總線的低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

55、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基于DSP的溫度控制系統(tǒng)與計算機之間的異步數據通信，可以使計算機實時地讀?。篋SP存儲器內的數據，便于調試系統(tǒng)和分析實驗結果。</p><p><b>　　3.4器件選型</b></p><p>　　溫度傳感器選擇：本

56、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、長期復現性好、測量精度高。PT100 溫度傳感器的電阻溫度系數為 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溫度信號的測量，PT1000 溫度傳感器和精密電阻 R1、R2 及

57、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 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>

58、;　　DSP芯片選擇：TMS320F240 為TI 公司所出品的定點式數字信號處理器芯片，具有強大的外圍(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)、數據讀出地址總線(DRAB)及數據寫入地址總線(DWAB)，使其能進入多個內存空

59、間。由于總線之操作各自獨立，因此可同時進入程序及數據存儲器空間，而兩內存間的數據亦可互相交換，使得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

60、信號處理及數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)，多數指令為單周期指令；</p><p>　　(2)片內

61、帶有544 Bxl6位的數據／程序RAM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位模數轉換器可實現雙路信號同時采樣，轉換時間可以根據需要編程設置．最短轉換時間為6．1 IJ,s；</p><p>　　(4)6個外部中斷，包括電源驅動保護中斷、

62、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>&l

63、t;p>　　3.5軟件設計與實現</p><p>　　（1）TMS320F240 為TI 公司所出品的定點式數字信號處理器芯片，具有強大的外圍(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)、數據讀出地址

64、總線(DRAB)及數據寫入地址總線(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據存儲器空間，而兩內存間的數據亦可互相交換，使得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-state

65、s 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。其與傳統(tǒng)的微處理機單芯片相較之下其具有下列</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)，

66、多數指令為單周期指令；</p><p>　　(2)片內帶有544 Bxl6位的數據／程序RAM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位模數轉換器可實現雙路信號同時采樣，轉換時間可以根據需要編程設置．最短轉換時間為6．1 IJ,s；</

67、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>　　系統(tǒng)的軟件設計和控制器算法的設計，根據情況采用C語言編寫。</p><p>　　基于DSP的多路溫度控制系統(tǒng)具有很好的精確度和穩(wěn)定性，其精確度可以達到很小，且長時間運行穩(wěn)定。該系統(tǒng)同時可以使用在其它體積較小溫度要求精度很高的部件中。模擬多路器的使用可以

68、使系統(tǒng)方便的曾攪和減少采樣遇到。采用成本高速度的TMS320F240芯片提高的系統(tǒng)的可靠性和精度，同時加快了系統(tǒng)的預算速度。應用 DSP 的 強大數據處理能力和豐富的外設資源，使系統(tǒng)的控制精度有了提高，控制速度大大加快，實 現了快速的實時溫度控制。擴展了 DSP 的串行通信功能，實現了遠距離的串行通信。</p><p><b>　　主程序流程圖如下：</b></p><p

69、><b>　　主程序</b></p><p><b>　　——</b></p><p>　　溫度控制系統(tǒng)主程序流程圖</p><p><b>　　總結與致謝</b></p><p>　　通過基于DSP的溫度控制系統(tǒng)的設計，將DSP的高速處理能力A/D的高速轉化能力結合起來

70、，設計能夠對于溫度控制信號進行實時處理并存儲的系統(tǒng)。通過選用高速DSP與多路A/D大大提高了溫度控制信號處理的速度，使得系統(tǒng)通過擴展其他硬件以及通過芯片變成可以外加其他功能擴大了系統(tǒng)的應用。</p><p>　　在設計的過程和設計說明書的撰寫過程中，老師給予了我熱心的幫助和大力的支持，給我提了諸多的寶貴意見，拓寬了我的思路。在此我向老師致以崇高的敬意和衷心的感謝！</p><p>　　在我

71、的學習過程中，在其它方面老師也給了我耐心的指導和幫助。我在此對各位老</p><p>　　師表示誠摯的感謝！參考文獻</p><p>　　[3] 余通.溫度控制系統(tǒng)中的應用研究.東南大學學報（自然科學版）.30（2）.</p><p>　　[4]  許永康. RS-232 轉 RS-485 網絡的通信[J].  微計算機信息，2007，

72、4-1: 228-229.</p><p>　　[5]  劉彬等.  一種改進 PID 控制算法的研究與應用[J].  微計算機信息，2007, 6-1: 15-17: </p><p>　　[6] 關華等，《Techniques and Applications of DSP Chips》，濟南出版社，2006，10</p>

73、<p>　　[7] 鄭君里等編.信號與系統(tǒng).北京:高等教育出版社，2000.</p><p>　　[8]  韓安太等.DSP 控制器原理及其在運動控制中的應用[M].北京：清華大學出版社，2003.</p><p>　　[9]  劉和平等. TMS320LF240X DSP C 語言開發(fā)應用[M].北京：北京航天航空大學出版社,2003&