基于DSP的加速度計溫度控制系統的硬件電路設計

1 引言

近年來(lái)，數字信號處理器(DSP)得到了高速發(fā)展，性?xún)r(jià)比不斷提高,廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域,例如通信、語(yǔ)音處理、圖像處理、模式識別及工業(yè)控制等方面，并且日益顯示出巨大的優(yōu)越性。數字信號處理器利用專(zhuān)門(mén)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(jìn)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(diǎn)，可滿(mǎn)足對信號快速、精確、實(shí)時(shí)處理及控制的要求。文中以T1MS320F240型DSP為核心,設計了高精度的慣性導航加速計溫度控制系統。

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。

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。