基于DSP的加速度計溫度控制系統的設計

2 TMS320F240系列的基本特征

　　TMS320F240將DSP的高速運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)定標移位寄存器和8個(gè)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；
　　(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(xiàn)和16位數據總線(xiàn),224 KBxl6位的最大可尋址寄存器空間：
　　(3)雙10位模數轉換器可實(shí)現雙路信號同時(shí)采樣，轉換時(shí)間可以根據需要編程設置．最短轉換時(shí)間為6．1 IJ,s；
　　(4)6個(gè)外部中斷，包括電源驅動(dòng)保護中斷、復位、非屏蔽中斷NMI和3個(gè)可屏蔽中斷。

3 溫度控制系統硬件設計

　　基于DSP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(jiǎn)化了電路的硬件設計,可以實(shí)現各種控制算法和控制策略,并通過(guò)異步串行通信接口來(lái)讀取用戶(hù)所需要的數據,便于用戶(hù)分析實(shí)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系統意外失控所造成的系統超溫危險，提高了溫度控制系統工作的可靠性和使用安全性。系統結構如圖1所示。

3．1 信號采集及放大電路

　　信號采集電路是溫度控制系統的重要組成部分．其對溫度測量的精確性直接影響整個(gè)溫度控制系統的精度。故本系統選用性能穩定的PT1000鉑熱電阻傳感器作為測量溫度信號的敏感元件。其阻值隨溫度的變化為：0℃時(shí)阻值為1 000Ω，溫度系數為3．84Ω℃。線(xiàn)性度小于0．5％。信號采集電路采用對稱(chēng)的差動(dòng)式電橋測量溫度信號，鉑熱電阻器Rt和精密電阻器R1、R2及R3組成測量電橋。X檢測為硬件保護電路的輸入信號，溫度信號采集及放大電路如圖2所示。

　　為了提高系統的采集精度，電橋采用美國模擬器件公司的高精度基準電壓源AD586供電，并在其電橋前加一限流電阻RO使流過(guò)鉑熱電阻器Rt的電流小于10 mA。以盡量減小鉑熱電阻器在工作時(shí)產(chǎn)生的自身熱效應對溫度采集的影響。當溫度發(fā)生變化時(shí)，鉑熱電阻器Rt的阻值也隨之變化，電橋輸出信號經(jīng)運算放大器放大并經(jīng)過(guò)相應的偏置處理后。使其電壓滿(mǎn)足DSP片內AID轉換器的電壓輸入范圍0 V一5 V，以進(jìn)行AID轉換。

3．2 外部存儲器擴展

　　在溫度控制過(guò)程中，需要采集和處理大量的數據。TMS320F240固有的片上數據存儲器空間顯然不夠．而且。在調試系統時(shí)如果有外部存儲器，只需將程序通過(guò)仿真接口下載到外部存儲器中而不需要再燒寫(xiě)到片內的Rash中。這樣給程序調試帶來(lái)了方便．因此選用ISSI公司生產(chǎn)的IS61C6416型靜態(tài)存儲器來(lái)擴展外部存儲器。

　　IS61C6416是采用CMOS工藝制成的64 Kxl6bit靜態(tài)存儲器．采用44引腳貼片式封裝，5．0 V供電．輸入輸出電平與TTL電平相兼容，并具有高速的讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間和低功耗工作方式。表1為IS61C6416的工作方式真值表。

表１：IS61C6416的工作方式真值表　

　　IS61C6416與TMS320F240的接口電路非常簡(jiǎn)單．其16條數據線(xiàn)和16條地址線(xiàn)直接與TMS320F240相連接即可。由表1可知，IS61C6416的工作方式由5條控制信號線(xiàn)控制，其中使能引腳和讀寫(xiě)選擇引腳與DSP相連以控制其讀寫(xiě)操作，由于TMS320F240系列DSP為16位微處理器，其數據的讀寫(xiě)不用分開(kāi)來(lái)進(jìn)行，故高位字節和低位字節使能引腳直接接地。

3．3 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(shí)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，通過(guò)DSP的16位外部數據總線(xiàn)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(guò)SCI的2個(gè)16位的波特率選擇寄存器編程來(lái)確定。

　　SCI串行通信總線(xiàn)接口電路如圖3所示．其接口電路比較簡(jiǎn)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(xiàn)可以實(shí)現基于DSP的溫度控制系統與計算機之間的異步數據通信，可以使計算機實(shí)時(shí)地讀?。篋SP存儲器內的數據，便于調試系統和分析實(shí)驗結果。

3．4 高溫保護電路

　　通常情況下加速計的工作溫度不能超過(guò)90℃．溫度過(guò)高會(huì )燒壞加速計而使整個(gè)溫控系統不能正常工作。為了避免系統電路出現異常而導致加速度計溫度過(guò)高，筆者設計了脫離DSP的高溫硬件保護電路，其保護溫度點(diǎn)為85℃，電路如圖4所示。

圖４: 高溫保護電路

　　此電路的工作原理是：當3個(gè)加速計的溫度沒(méi)有超過(guò)保護溫度點(diǎn)時(shí)，X、Y、Z檢測的電壓信號大于-4．5 V，穩壓管K1、K2、K3未被反向擊穿，保護電路不工作，因而整個(gè)溫度控制系統處于正常工作狀態(tài)。反之，當其中任何1個(gè)加速計的溫度超過(guò)高溫保護溫度點(diǎn)85℃時(shí)．將有1路檢測的電壓信號小于或等于-4．5 V，與其相對應的1個(gè)穩壓二極管反向擊穿，致使三極管Q1不導通，6N137型光電耦合器的輸入為高電平，輸出為低電平，三極管02不導通，而后級的4個(gè)三極管Q3、Q4、05及06均導通，使后級4路功率放大電路不工作．切斷4個(gè)加熱片的電源，從而對加速計起到保護作用。

3．5 光電隔離及功率放大

　　加速計的溫度信號經(jīng)采集電路采集放大后．直接送人DSP的MD轉換器進(jìn)行A／D轉換．轉換后的數字信號經(jīng)。DSP運算后，從DSP的PWM／CMP引腳輸出PWM脈寬調制信號。此控制信號經(jīng)6N137型光電耦合器隔離后，控制功率放大電路的工作．從而控制加熱片的工作狀態(tài)。功率放大電路由開(kāi)關(guān)管Ql和Q2構成，其放大倍數約為2 OOO。X為保護電路的輸出信號。電路如圖5所示。

3．6 JTAG標準仿真接口設計

　　與所有的微處理器一樣，DSP的開(kāi)發(fā)同樣也需要一套完整的軟硬件開(kāi)發(fā)工具。筆者選用北京聞亭公司研制的TDS510型uSB接口仿真器．其仿真信號線(xiàn)采用JAG標準。IEEEl149．1，采用14線(xiàn)標準仿真接頭。此。DSP目標系統與仿真器的距離小于152-4 mm(6英寸)，故用無(wú)緩沖的簡(jiǎn)單連接。其中，EMU0和EMU1必須接1只上拉電阻器(一般為4．7kΩ)，使信號上升時(shí)間小于10μs。

　　仿真器只參與數據的傳輸，即將目標代碼通過(guò)J|I'AG接口從計算機下載到目標系統的存儲器中，而仿真是在DSP內完成的，因此，JTAG標準仿真接口是仿真器與DSP目標系統之間必須的通信接口，為DSP目標系統的仿真和調試帶來(lái)了方便。在系統調試階段，可以通過(guò)此仿真接口將編譯后的程序代碼下載到外部擴展的程序存儲器，在線(xiàn)調試用戶(hù)程序，查看內存、CPU寄存器、各種圖表等內容。系統調試成功后可以利用燒寫(xiě)程序通過(guò)此仿真接口將調試好的程序燒到DSP的Flash中，使DSP目標系統成為可以獨立運行的系統，使：DSP的開(kāi)發(fā)更為方便。

4 實(shí)驗測試

　　采用上述基于DSP的溫度控制系統，配合石英撓性加速度計組件以及加熱片，利用聞亭公司的2000系列DS／，仿真調試軟件CC'C2000，采用增量式比例、積分、微分(PID)控制算法，通過(guò)仿真接口對系統進(jìn)行了大量的仿真實(shí)驗，實(shí)驗證明基于DSP的加速度計溫度控制系統能夠較好地實(shí)現控制效果。

5 結束語(yǔ)

　　基于DSP的溫度控制系統以高速DSP為核心，輔以相應的外圍電路，可以實(shí)現復雜的控制，目前已用于某導航測試系統中。實(shí)際應用表明，該控制系統具有良好的控制性能，可滿(mǎn)足系統的精度要求，具有一定的應用價(jià)值。