dsp課程設(shè)計--基于dsp的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、<p>　　課 程 設(shè) 計 說 明 書</p><p>　　題 目： 基于DSP的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　課 程： DSP課程設(shè)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(shè)計目的·····················

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

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

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

10、　2 設(shè)計要求···································

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

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

13、;··················2</p><p>　　3 設(shè)計內(nèi)容·············

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

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

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

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

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(shè)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(shè)計與實現(xiàn)········

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

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

33、#183;·························11</p><p>　　總結(jié)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(jù)題目要求設(shè)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(guān)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(shè)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(shè)計要求</b></p><p>　　控制室內(nèi)溫度恒定為設(shè)定值（±3℃），室內(nèi)溫

43、度采樣點為5個點，要求系能對室內(nèi)溫度進行實時采集、處理，并根據(jù)設(shè)定值通過空調(diào)設(shè)備進行相應控制（制冷或加熱）。</p><p>　　根據(jù)設(shè)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(shè)計，實現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的實時采集和處理。</p><p><b>　　3 設(shè)計內(nèi)容</b></p><p><b>　　3.1理論依據(jù)

44、 </b></p><p>　　以 DSP 為控制器的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計，充分發(fā)揮了 TMS320LF2407 的高速 運算能力和片內(nèi)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(shè)計?；贒SP設(shè)計的溫度控制器利用DSP強大的高速運算能力，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,可以實現(xiàn)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(shù)據(jù),便于用戶分析實驗結(jié)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(xiàn)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(shù)據(jù)是離散的，所以要對連續(xù)的溫度信號進行數(shù)字化，即采樣，量化等。此過程由DSP內(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)備進行制冷后加熱。</p><p><b>

47、　　3.3方案設(shè)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(jù)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(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 TMS320LF24

48、0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(chǎn)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(DSP)得到了高速發(fā)展，性價比不斷提高,廣泛應用于各個領(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

49、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。文中以T1MS320F240型DSP為核心,設(shè)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(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內(nèi)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(nèi)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(shè)計DSP運行在40MHz頻率下，采用10MHz晶振，通過內(nèi)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(shè)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(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:當芯片工作時遇到問題時或工作結(jié)束時需要復位，對于實際的DSP應用系統(tǒng)，特別是產(chǎn)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(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(nèi)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(shè)計：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(nèi)外設(shè)，

54、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(gòu)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(xiàn)基于DSP的溫度控制系統(tǒng)與計算機之間的異步數(shù)據(jù)通信，可以使計算機實時地讀取：DSP存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)，便于調(diào)試系統(tǒng)和分析實驗結(jié)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(shù)大、感應靈敏，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

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(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(chǎn)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(shù)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(nèi)部采用了加強型哈佛架構(gòu)(Enhanced HarvardArchitecture)，由三個平行處理的總線─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)，使其能進入多個內(nèi)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(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算速度，幾乎所有的指令皆可在50ns 周期時間內(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到20MIPS，因此非常適用于實時運轉(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

60、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(shù)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(shù)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(nèi)

61、帶有544 Bxl6位的數(shù)據(jù)／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(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)換器可實現(xiàn)雙路信號同時采樣，轉(zhuǎn)換時間可以根據(jù)需要編程設(shè)置．最短轉(zhuǎn)換時間為6．1 IJ,s；</p><p>　　(4)6個外部中斷，包括電源驅(qū)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(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>&l

63、t;p>　　3.5軟件設(shè)計與實現(xiàn)</p><p>　　（1）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)部采用了加強型哈佛架構(gòu)(Enhanced HarvardArchitecture)，由三個平行處理的總線─程序地址總線(PAB)、數(shù)據(jù)讀出地址

64、總線(DRAB)及數(shù)據(jù)寫入地址總線(DWAB)，使其能進入多個內(nèi)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(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算速度，幾乎所有的指令皆可在50ns 周期時間內(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到20MIPS，因此非常適用于實時運轉(zhuǎn)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(gòu)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(shù)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(shù)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(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 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；</p><p>　　(3)雙10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)雙路信號同時采樣，轉(zhuǎn)換時間可以根據(jù)需要編程設(shè)置．最短轉(zhuǎn)換時間為6．1 IJ,s；</

67、p><p>　　(4)6個外部中斷，包括電源驅(qū)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(shè)計和控制器算法的設(shè)計，根據(jù)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(shù)據(jù)處理能力和豐富的外設(shè)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(xiàn)了快速的實時溫度控制。擴展了 DSP 的串行通信功能，實現(xiàn)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(jié)與致謝</b></p><p>　　通過基于DSP的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計，將DSP的高速處理能力A/D的高速轉(zhuǎn)化能力結(jié)合起來

70、，設(shè)計能夠?qū)τ跍囟瓤刂菩盘栠M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(shè)計的過程和設(shè)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(zhuǎn) RS-485 網(wǎng)絡(luò)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(guān)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&