DSP温度测量.doc

沈阳理工大学信息科学与工程学院DSP课程设计报告

课 程 设 计 任 务 书

分院（系）
信息科学与工程学院
专业
电子信息工程
学生姓名
于胜军
学号
0803030324
设计题目
基于PT100温度测量系统设计
内容及要求：

1.完成PT100温度转换电路设计
2.使用TMS320C5509进行数据采集
3.计算出温度

进度安排：
2011年12月12日： 进行课程设计动员，分配课程设计题目，查阅资料

12月13日 到12月22日为上机时间，

12月22日验收结果

12月23日写报告答疑，

12月29日上午交电子档

12月30日上午收课程设计报告和答辩

指导教师（签字）：

年 月 日
分院院长（签字）：

年 月 日
摘要
DSP芯片是一种高性能的微处理器，其技术发展大大推动了温度测量的精确度，PTloo铂电阻的阻值随温度变化而变化，利用它的这个特性来测量温度是近年来温度测量技术的研究热点.实际应用中，由于刀D不能直接对电阻信号进行采样，所以一般将电阻信号转换成电压信号再进行处理.
基于DSP查表方式的PT100铂电阻测温方案设计提出一种用恒流源给PT100供电的方法,将PT100在不同温度下的电阻信号转换成电压信号,经过信号处理电路将输出电压信号控制在0～3.3V,DSP2407内部AD对其进行采样,对采样值进行软件低通滤波,提高测温精度。通过查采样值与温度的关系表格得温度值。

关键词：DSP芯片；温度；PT100

目 录

绪 论 1
1 基本原理 2
1.1 PT100原理 2
1.2 C55X的CPU简介 3
1.2.1 指令缓冲单元（I） 10
1..2 程序流单元（P） 5
1.2.3 地址程序单元（A） 6
1.2.4 数据计算单元（D） 6
3 设计方案 7
3.1 系统框图 7
3.2 温度信号采集电路 7
3.3 放大电路 9
3.4 电源电路 9
3.5 时钟电路 9
3.6 复位电路 10
结 论 14
参考文献 15
致 谢 16
附录 17

基于PT100温度测量系统设计

绪 论

21世纪是数字化的时代，随着越来越多的电子产品将数字信号处理(PSP)做为技术核心，DSP已经成为推动数字化进程的动力。作为数字化最重要的技术之一，DSP无论在其应用的深度还是广度，正在以前所未有的速度向前发展。
数字信号处理器，也称DSP芯片，是针对数字信号处理需要而设计的一种具有特殊结构的微处理器，它是现代电子技术、相结合的产物。一门主流技术，随着信息处理技术的飞速发展，计算机技术和数字信号处理技术数字信号处理技术逐渐发展成为它在电子信息、通信、软件无线电、自动控制、仪表技术、信息家电等高科技领域得到了越来越广泛的应用。
数字信号处理由于运算速度快，具有可编程特性和接口灵活的特点，使得它在许多电子产品的研制、开发和应用中，发挥着重要的作用。采用DSP芯片来实现数字信号处理系统是当前发展的趋势。
数字图像处理（Digital Image Processing）是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。图像处理中，输入的是质量低的图像，输出的是改善质量后的图像。图像处理方法有图像增强、复原、编码、压缩等。
随着计算机技术、电子技术、和通信技术的发展，数字图像压缩在计算机和便携式系统中的应用越来越广泛。数字化图像使得图像信号可以高质量地传输，并便于图像的检索、分析、处理和存储。但是数字图像的表示需要大量的数据，由于存储空间和网络带宽的限制,对图像进行存储，处理和传输之前先要对图像进行压缩。数字图像压缩是减小图像数据量，方便图像的传输、存储和处理的有效手段，研究图像压缩的实现有着其重要的现实意义。数字信号处理器（DSP）有其独特的硬件结构特别适合于数字信号处理领域，大量地使用在各种便携式、实时信号处理场合。它的高速度和良好的运算性能特别适合于图像处理。

1 设计原理

1.1 PT100原理
基本原理：PT100是电阻时温度传感器的一种，电阻式温度传感器(RTD,Resistance Temperature Detector)－一种物质材料做成的电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟着上升就称为正电阻系数,如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。大部分电阻式温度传感器是以金属做成的,其中以铂(Pt)做成的电阻式温度检测器,最为稳定－耐酸碱、不会变质、相当线性,最受工业界采用。
PT100温度传感器是一种以铂(Pt)做成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数,其电阻和温度变化的关系式如下：R=Ro(1+αT)
其中α=0.00392,Ro为100Ω(在0℃的电阻值),T为摄氏温度，因此铂做成的电阻式温度传感器，又称为PT100。
R=100（1+0.00392T）-----〉R-100=0.392T-----〉T=（R-100）/0.392
-----〉T=2.551（R-100）
PT100的分度值：铂热电阻是利用铂丝的电阻值随着温度的变化而变化这一基本原理设计和制作的，按0℃时的电阻值R(℃)的大小分为10欧姆（分度号为Pt10）和100欧姆（分度号为Pt100）等，测温范围均为-200~850℃.10欧姆铂热电阻的感温原件是用较粗的铂丝绕制而成，耐温性能明显优于100欧姆的铂热电阻，只要用于650℃以上的温区；100欧姆铂热电阻主要用于650℃以下的温区，虽也可用于650℃以上温区，但在650℃以上温区不允许有A级误差。100欧姆铂热电阻的的分辨率比10欧姆铂热电阻的分辨率大10倍，对二次仪表的要求相应地一个数量级，因此在650℃以下温区测温应尽量选用100欧姆铂热电阻。
      感温元件骨架的材质也是决定铂热电阻使用温区的主要因素，常见的感温元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它们是由铂丝分别绕在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再经过复杂的工艺加工而成。由于骨架材料本身的性能不同，陶瓷元件适用于850℃以下温区，玻璃元件适用于550℃以下温区。近年来市场上出现了大量的厚膜和薄膜铂热电阻感温元件，厚膜铂热电阻元件是用铂浆料印刷在玻璃或陶瓷底板上，薄膜铂热电阻元件是用铂浆料溅射在玻璃或陶瓷底板上，再经光刻加工而成，这种感温元件仅适用于-70~500℃温区，但这种感温元件用料省，可机械化大批量生产，效率高，价格便宜。
PT100的结构：就结构而言，铂热电阻还可以分为工业铂热电阻和铠装铂热电阻。工业铂热电阻也叫装配铂热电阻，即是将铂热电阻感温元件焊上引线组装在一端封闭的金属管或陶瓷管内，再安装上接线盒而成；铠装铂热电阻是将铂热电阻元件，过渡引线，绝缘粉组装在不锈钢管内再经模具拉实的整体，具有坚实，抗震，可绕，线径小，使用安装方便等优点。
1.2 C55X的CPU简介

C55X有1条32位的程序数据总线（PB0），5条16位数据总线（BB、CB、DB、EB、FB）和1条24位的程序地址总线及5条23位地址总线，这些总线分别与CPU相连。总线通过存储单元接口（M）与外部程序总线和数据总线相连，实现CPU对外部存储器的访问。这种并行的多总线结构使CPU能在一个CPU周期内完成1次32位程序代码读、3次16位数据读和两次16位数据写。C55X根据功能的不同将CPU分为4个单元，指令缓冲单元（I）、程序流程单元（P）、地址流程单元（A）和数据计算单元（D）。
读程序地址总线（PDA）上传送24位的程序代码地址，由读程序总线（PB）将32位的程序代码送入指令缓冲单元进行译码[1]。

1.2.1 指令缓冲单元（I）

C55X的指令缓冲单元有指令缓冲队列IBQ和指令译码器组成。在每个CPU周期内，I单元将从程序数据接收的4B程序代码放入指令缓冲队列，指令译码器从队列中取6B程序代码，根据指令的长度可对8位、16位、24位、32位和48位的变长指令进行译码，然后把译码数据送入P单元、A单元和D单元去执行。

1.2.2 程序流单元（P）

程序流程单元有程序地址产生电路和寄存器组凑成。程序流程单元产生所有程序空间的地址，并控制指令的读取顺序。
程序地址产生逻辑电路的任务是产生读取空间的24位地址。一般情况下，它产生的是连续地址，如果指令要求读取非连续地址的程序代码时，程序地址产生逻辑电路能够接收来自I单元的立即数和来自D单元的寄存器值，并将产生的地址传送到PAB。
在P单元中使用的寄存器分为5种类型。
l 程序流寄存器：包括程序计数器、返回地址寄存器和控制流程关系寄存器。
l 块重复寄存器：包括块重复寄存器0和1（BRC0、BRC1）BRC1的保存寄存器(BRS1)、块重复起始地址寄存器0和1以及块重复结束地址寄存器0和1。
l 单重复寄存器：包括单重复寄存器和计算单重复寄存器。
l 中断寄存器：包括中断标志寄存器0和1、中断使能寄存器0和1以及调试中断使能寄存器0和1。
l 状态奇存期：包括状态寄存器0，1，2和3。

1.2.3 地址程序单元（A）

地址程序单元包括数据地址产生电路、算术逻辑电路和寄存器组构成。
数据地址产生电路能够接收来自I单元的立即数和来自A单元的寄存器产生读取数据空间的地址。对于使用间接寻址模式的指令，有P单元向DAGEN说明采用的寻址模式。
A单元包括一个16位的算术逻辑单元，它既可以接收来自I单元的立即数也可以与存储器、I/O空间、A单元寄存器、D单元寄存器和P单元寄存器进行双向通信。
A单元包括的寄存器有以下几种类型。
l 数据页寄存器：包括数据页寄存器和接口数据页寄存器；
l 指针：包括系数数据指针寄存器、堆栈针寄存器和8个辅助寄存器；
l 循环缓冲寄存器:包括循环缓冲大小寄存器、循环缓冲起始地址寄存器;
l 临时寄存器：包括临时寄存器。

1.2.4 数据计算单元（D）

数据计算单元由移位器、算数逻辑电路、乘法累加器和寄存器组构成。D单元包含了CPU的主要运算部件。
D单元移位器能够接收来自I单元的立即数，能够与存储器、I/O单元、A单元寄存器、D单元寄存器和P单元寄存器进行双向通信，此外，还可以向D单元的ALU和A单元的ALU提供移位后的数据。移位可以完成以下操作：
l 对40位的累加器可以完成向左最多32位的移位操作，移位数乐意从零食寄存器读取或由指令中的常数提供；
l 对于16位寄存器、存储器或I/O空间数据可完成左移31位或32位的移位操作；
l 对于16位立即数可完成向左移最多15位的移位操作。

3 设计方案

3.1 系统框图

本设计系统主要包括温度信号采集单元，时间信号采集单元，单片机数据处理单元，时间、温度显示单元。其中温度信号的数据采集单元部分包括温度传感器、温度信号的获取电路（采样）、放大电路、A/D转换电路。
系统的总结构框图如图3.1所示。
信号放大调理电路
PT100温度传感器
A/D转换电路
时钟电路
复位电路

TMS320C5509芯片

电脑观察

图3.1 系统的总结构框图

3.2 温度信号采集电路

由PT100构成信号的获取电路常用的方法有2种，一种是构成的十分常见的电桥电路，当然，在本系统中，考虑成本的问题，一般采用单臂桥；还有一种是运用恒流源电路，将恒流源通过温度传感器，温度传感器两端的电压即反映温度的变化。
上述两种电路的结构形式见图3.2所示。

单臂桥式 恒流源式
图3.2 两种信号获取的结构电路
本课程设计采用图3.2的单臂桥式电路采集温度，在电源下连接一个电阻，减小通过单臂桥式电路的电压。

3.3 放大电路

放大器的选择好坏对提高测量精度也十分关键，根据查阅的相关资料，在放大器电路精选中，一般在首级放大器有低噪声、低输入偏置电流、高共模抑制比等要求的大多采用自制的三运放结构，如下图3.3所示，三运放中由A1、A2构成前级对称的同相、反相输入放大器，后级为差动放大器，在这个结构图中，要保证放大器高的性能，参数的对称性与一致性显得尤为重要，不仅包括外围的电阻元件R1与R2、R3与R4、R5与R6，还包括A1与A2放大器的一致性，因此，要自制高性能的放大器对器件要求相当高。

图3.3 三运放结构的高性能放大器原理图
随着近年来微电子技术的发展，市面上出现了不少专用的高性能的芯片，AD620、AD623就是具有上述描述的三运放结构。
AD620的内部结构是由OP-07组成的三运放结构，性能大大优于自制的三运放IC电路设计，其基本接法是在1脚与8脚之间外接一RG电阻，增益由式G=1+49.4KΩ/RG确定，由于它的外围电路十分简单。
由于我们的温度测量范围是0～100℃，而此时的温度传感器的电阻值根据分度表为100欧姆～138.51欧姆，由于我们设计的恒流源为5/3毫安，因此AD620的输入端为166.7毫伏，假设考虑我们的TLC2543的最大输入为5.000V，我们设计的放大器的增益在尽量保证分辨率的条件下，则为20倍，假设我们只用一个AD620，则AD620的输出为2V～5V(TLC只能转换5V)，这样12位的A/D转换器的分辨率则大于题目的要求0.1℃，因此，我们必须将100欧姆以下的值通过偏置的方法将其减掉，然后通过增加放大倍数来尽量提高分辨率，这里我们设计的偏置电路同样。这里设计的首级放大器的倍数是20倍，而后级放大则为4倍，合计的放大倍数为80倍，这样就完全满足设计分辨率的要求。

3.4 电源电路

我们选用TI公司的具有两路输出的电源芯片——TPS767D301芯片，一路未3.3V电源，另一路为可调的电压电源，我们把它固定到1.6V。
图3.4为TPS767D301引脚分部图。

图3.4 为TPS767D301引脚图
图3.5是利用TPS767D301芯片产生线性电源的原理图，该电路可产生3.3V和1.6V两路输出电源电压。

图3.5 TPS767D301芯片产生双路电源
TPS767D301电源芯片具有上电复位和监控功能。上电后在输出电压达到正常输出电压的95%时，TPS767D301的/RSTS2引脚就保持200MS的低电平信号/RST2。在系统正常运行时，如果电源电压一旦降到该门限值以下，同样也会产生一个200MS的低电平脉冲信号。

3.5 时钟电路
DSP芯片工作是需要外部提供合适频率的时钟信号，给DSP芯片提供时钟一般有两种方法：—种是利用DSP芯片内部提供的晶振电路，在DSP芯片的XI和XZ／CLOCKIN之间连接石英晶体可启动内部振荡器，另一种方法是采用外部振荡源，将外部时钟源直接输入X2／CLOCKIN引脚，XI悬空。采用封装好的晶体振荡器，芯片内部有PLL时钟模块可以倍频或分频外部时钟。由于通常为减小高频晶振影响，所以外部晶振频率取得较低。本设计DSP运行在40MHZ频率下，采用10MHZ晶振，通过内部倍频到40MHZ。

图3.6 时钟电路

3.6 复位电路

硬件上最有效的保护措施就是采用具有监视功能的自动复位电路，自功复位电路除了具有上电复位功能外，还具有监视系统运行并在系统发生故障或死机时再次进行复位的能力。其基本原理就是电路提供一个用于监视系统运行的监视线，当系统正常运行时，应在规定的时间内给监视线提供一个高低电平发生变化的信号，如果在规定的时间内这个信号不发生变化，自动复位电路就认为系统运行不正常，并重新对系统进行复位。的能力。其基本原理就是电路提供一个用于监视系统运行的监视线，当系统正常运行时，应在规定的时间内给监视线提供一个高低电平发生变化的信号，如果在规定的时间内这个信号不发生变化，自动复位电路就认为系统运行不正常，并重新对系统进行复位。
本课程设计采用复位电路如图3.7。
图3.7 复位电路

结 论

在本温度测量系统设计中，PT100铂热电阻被密封在金属棒中，这样使得本温度测量系统不但可以检测室内的气体温度，还可以检测土壤、液体、种子等内的温度，大大提高了温度测量系统的适用范围，且采用PT100铂热电阻为温度采集元件，可有效地降低开发成本。而且在设计中所采用的TMS320C5509芯片，但具有抗干扰性能好、处理速度快、转换精度高，这些优点使得我们能够实时并且敏锐的测量温度值。
本课程设计中，我们采用了复位电路，能够使得系统更准确的应对误差。
总之，本温度测量系统电路设计简单方便、实用性好、电路工作稳定、可靠性高。

参考文献

[1] 张邹彦.DSP原理及应用.电子工业出版社. 2005.1.
[2] 黄鹤松.TMS320C55X DSP应用程序设计与开发.北京航空航天大学出版社.2008.
[3] 郑建国，一种高精度的铂电阻温度测量方案，自动化仪表[M]，1997.
[4] 樊尚春.传感器技术及应用[M].北京航天航空大学出版社，2004.
[5] 张琳娜，刘武发．传感检测技术及应用[M]，中国计量出版社，1999.
[6] JONE G.PROAKIS&DIMITRIS G.MANOLAKIS.DSP PRINCIPLES,ALGORITHMS
AND APPLICATIONS.电子工业出版社.2008.
[7] CHAASSAING R..DSP APPLICATIONS USING C AND THE TMS320C6X DSK.
电子工业出版社.2002.

致 谢
通过两周以来同学和老师的共同努力，我们终于完成了设计要求。但大家脸上的表情都是欣慰和欢喜的，到底工夫不负有心人。回想过去两周，这里面的辛苦只有做是课程设计的人才明白，才能体会。
这次设计我们学到了很多东西，虽然作出来的东西很基础，但是我们加深了对知识的理解和掌握。作为一名大四的学生，我觉得能做类似的课程设计是十分有意义的。通过此次设计试验也着重能够学到许多东西。
机会谁都有，关键在于自己怎么利用一些外部条件去创造。与其等待机会的来临，还不如自己去创造机会，变被动为主动，事情才能成功。过去在自己的心里，老是有种恐惧的心理在作祟，怀疑自己的能力，认为自己不能胜任某件事情，甚至连尝试的胆量都没有。自己本身还是存在着很大的欠缺，这样才能不断地提升自身的素质、素养，不断地改进自己的知识结构水平，让自己投入到理论学习中，好好积累基础理论知识，方能厚积薄发。也将随着自身能力水平和环境的不断变化而更加完善。最后感谢指导老师姜阳和周锡青给予我很多的关注和指导。

附 录

附录A WZP型铂热电阻（Pt100）分度特性表
R0=100欧

温度（℃）
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

电阻值（欧姆）
0
100.00
100.40
100.79
101.19
101.59
101.98
102.38
102.78
103.17
103.67
10
103.96
104.36
104.75
105.15
105.54
105.91
106.33
106.73
107.12
107.52
20
107.91
108.31
108.70
109.10
109.49
109.88
110.28
110.67
111.07
111.46
30
111.85
112.25
112.64
113.03
113.43
113.82
114.21
114.60
115.00
115.39
40
115.78
116.17
116.57
116.96
117.35
117.74
118.13
118.52
118.91
119.31
50
119.70
120.09
120.43
120.87
121.26
121.65
122.01
122.43
122.82
123.21
60
123.60
123.99
124.38
124.77
125.16
125.55
125.94
126.33
126.72
137.10
70
127.49
127.88
128.27
128.66
129.05
129.44
129.82
130.21
130.60
130.99
80
131.37
131.76
132.15
132.54
132.92
133.31
133.70
134.08
134.47
134.86
90
135.24
135.63
136.02
136.40
136.79
137.17
137.56
137.94
138.33
138.72
100
139.10
139.49
139.87
140.26
140.64
141.02
141.41
141.79
142.18
142.66

附录B 总电路图

课程设计（论文）评语及成绩评定

指导教师评语：

评分_______ 指导教师（签字）_______________ ________年____月____日

课程设计（论文）及答辩评分：

1．学生工作态度和平时表现（共20分）__________；

2．论文格式规范、语言流畅（共20分）__________；

3．数据完整、分析论述充分合理，结论正确（共20分）__________；

4．答辩表述能力（共20分）__________；

5．基本概念及回答问题情况（共20分）_________。

课程设计总成绩______ 答辩组成员（签字）____________ _____年___月__日

1