基于DSP的溫度采集記錄儀的設計
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引言
自從20世紀70年代能源危機爆發(fā)以來(lái)，人們便逐漸意識到世界上的能源并不是取之不盡，用之不竭的。因此，如何應用科學(xué)的方法，結合生產(chǎn)實(shí)踐，設計出低耗能、高產(chǎn)出、高效率的產(chǎn)品，已成為從業(yè)人員研究的重點(diǎn)。本文針對具體情況，給出了對冶金加熱爐爐溫控制系統進(jìn)行溫度檢測和記錄的系統設計方法，以便為改善設備的性能提供數據依據，提高能源的利用率，減少產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。
1 檢測系統的組成和功能
1．1 主要組成
本檢測儀以DSP(TMS320LF2407A)作為系統的微控制器來(lái)實(shí)現系統信號的采集、通信、人機接口和檢測數據的存貯(掉電不丟失)等功能。本檢測儀的最大特點(diǎn)是可以實(shí)現系統的自動(dòng)信號采集并存貯數據，其中每個(gè)數據都有自己的時(shí)間標簽，可供使用者隨時(shí)查詢(xún)和統計數據。
圖1所示是該溫度監測儀的功能結構框圖。圖中，該溫度監測儀劃分為微控制器部分、人機接口、溫度傳感器信號處理電路、存貯器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和通信部分。
1．2 主要功能
為了適應溫控系統工作時(shí)間長(cháng)，系統慣性大，無(wú)人值守等特點(diǎn)。本自動(dòng)監控記錄儀系統具有以下功能：
首先是能精確檢測8路溫度值，并可對檢測值進(jìn)行自動(dòng)修正；監測儀采用的TMS320LF2407A控制芯片具有豐富的內部資源，其中所具有16通道lO位AD轉換通道，可大大簡(jiǎn)化系統對外部硬件的擴展，提高系統的集成度和可靠性；
其次，本檢測儀具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘記錄和數據存儲功能。系統采用美信公司的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，可為系統的檢測數據提供時(shí)間標簽。系統定時(shí)采集數據后會(huì )附加時(shí)鐘標志，然后存貯在存儲器中，以方便以后的隨時(shí)調出和查閱。
第三，本檢測儀具有良好的人機接口。本系統的人機接口采用了鍵盤(pán)和液晶顯示，可完成按鍵的輸入，各手動(dòng)功能的檢測，各項檢測數據的顯示以及與PC機的通信等。
最后就是與上位PC機的通信功能。本檢測儀通過(guò)RS485通信方式與上位機進(jìn)行必要的通信。當上位機需要調用某些數據時(shí)，檢測儀將定位該數據并立刻上傳。同時(shí)通信方式也為實(shí)現DCS系統的控制提供了可能，它可由多臺檢測儀和一臺工控機實(shí)現DCS控制網(wǎng)絡(luò )。
2 主要硬件設計
2．1 A／D前端信號調理電路
因為從熱電耦過(guò)來(lái)的信號為0～5 V的電壓信號，而DSP的A／D采樣信號范圍只能在0～3．3 V之間。所以，在輸入到DSP的A／D電路之前必須經(jīng)過(guò)信號調理，其調理電路如圖2所示。圖中，運算放大器Ul構成電壓跟隨器，可提高信號的驅動(dòng)能力和精度。R1，R2可組成簡(jiǎn)單的電阻分壓網(wǎng)絡(luò )。其中二極管D1和D2的作用是對DSP的MD進(jìn)行輸入電壓的限幅鉗位保護。當輸入A／D采樣電壓高于3．3 V時(shí)，二極管D1導通，而使輸入電壓始終不得高于3．3 V，同樣的，當低于OV時(shí)，二極管D2導通，其輸入電壓也始終不得低于O V，從而將輸入到AD的電壓限制在被允許的范圍之內。
2．2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘接口電路
為了使檢測儀能自動(dòng)地記錄數據。并提供數據的采集時(shí)間以供使用者參考。本系統采用美信公司生產(chǎn)的新型實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片M14ST95Y／W，并采用SPI通信協(xié)議方式，來(lái)減少對系統的端口資源占用，SPI通信只占用系統的SCL、SDI、SDO、片選功能E端以及定時(shí)中斷信號IRQ。表l所列是M14ST95Y／W的引腳功能，圖3為其引腳排列圖，M14ST95Y／W內部集成有時(shí)鐘晶振。同時(shí)具有低電壓保護功能的電壓比較器，當系統供電電壓處于低壓狀態(tài)(內部集成1．25V電壓比較器)時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)轉入后備電源供電，并在此狀態(tài)下啟動(dòng)寫(xiě)保護功能，以防止控制器在欠電壓運行狀態(tài)下對實(shí)時(shí)時(shí)鐘的錯誤修改。此外，該芯片還具有看門(mén)狗實(shí)時(shí)復位電路。所以，這款實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片資源豐富，功能強大，所需外部分立元件少，可以提高系統的可靠性。
本檢測儀中的DSP與實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的連接圖如圖4所示。
2．3 DSP與Flash貯存器的連接
Flash存儲器又稱(chēng)閃存，它結合了ROM和RAM的特點(diǎn)，不僅具備電子可擦除可編程(EEPROM)功能，而且斷電不會(huì )丟失數據，同時(shí)又能快速讀取數據，具有可在線(xiàn)電擦寫(xiě)、低功耗、大容量、擦寫(xiě)速度快等特點(diǎn)。屬于EEPROM的改進(jìn)產(chǎn)品。AM29LV800B是AMD公司的一種Flash存儲器件，其訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間為90 ns；存儲容量為8 Mbit；工作溫度范圍為-55～+125℃；在線(xiàn)編程電壓為3．0～3．6V；而且功耗低；讀操作時(shí)的電流為7m-A，編程／擦除時(shí)的電流為15 mA。圖5為DSP與AM29LV800B的連接電路圖。
2．4 人機接口
本系統的人機接口部分主要由DSP與液晶的連接電路和按鍵掃描電路組成。根據TMS320LF2407A的I／O口資源利用情況。本設計的液晶顯示采用并行I／O口實(shí)現顯示控制；又由于按鍵鍵盤(pán)所需不多，故采用普通的矩陣掃描式鍵盤(pán)結構。由于其硬件實(shí)現比較簡(jiǎn)單，因此，在此就不列出詳細的電路了。
3 檢測儀軟件設計
根據以上功能，可以將本系統的程序分為系統初始化、按鍵處理程序、液晶顯示程序、數據采集中斷程序、數據保存程序和通信程序等幾個(gè)部分。
3．1 系統主程序設計
系統中的DSP運行主程序流程圖如圖6所示。該程序主要完成系統的初始化、初次上電系統自我故障檢測(包括各個(gè)溫度傳感器是否正常，AD采樣值是否正常)，同時(shí)完成鍵盤(pán)和顯示的人機接口等功能。
3．2 定時(shí)采樣程序設計
定時(shí)采樣程序是檢測儀的關(guān)鍵功能程序，主要完成對各個(gè)檢測點(diǎn)溫度的定時(shí)采集，同時(shí)將讀取采樣時(shí)的時(shí)鐘標簽一同記錄到外部的FLASH存貯器中。其具體的采樣程序流程圖如圖7所示。
4 結束語(yǔ)
該檢測記錄儀經(jīng)測試證明，能自動(dòng)采集監測點(diǎn)的溫度，并具有良好的人際交互界面，同時(shí)可實(shí)現具有時(shí)間標簽的數據采集和存貯，便于用戶(hù)對生產(chǎn)產(chǎn)品熱處理過(guò)程中的溫度效果和工作情況進(jìn)行分析和跟蹤，及時(shí)調整控制策略，提高產(chǎn)品質(zhì)量并節省生產(chǎn)成本。
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