DSP温度控制新版系统的设计要点.doc

基于DSP温度控制系统设计
前 言
依据题目要求设计基于DSP温度控制系统。经过选择适宜DSP芯片型号，传感器和外围电路，如复位电路，电源电路，时钟电路，信号采集电路等，实现对温度信号采集，信号处理及温度控制。
关键词： DSP芯片；温度信号采集；温度传感器；时钟电路

1 设计目标
经过选择适宜DSP芯片型号，传感器和外围电路，如复位电路，电源电路，时钟电路，信号采集电路等，实现对温度信号采集，信号处理及温度控制。

2 设计要求
控制室内温度恒定为设定值（±3℃），室内温度采样点为5个点，要求系能对室内温度进行实时采集、处理，并依据设定值经过空调设备进行对应控制（制冷或加热）。
依据设计题目标要求，选择确定DSP芯片型号、温度传感器型号，完成系统硬件设计，实现对温度数据实时采集和处理。

3 设计内容
3.1理论依据
（1） 温度是过程控制中关键被控量，对温度信号采集和处理已经广泛应用于工业领域和其它领域中。现在温度控制系统多采取单片机进行控制，因为单片机运算速度慢，在处理部分实 时性强、数据运算量大控制系统过程中，难以实现实时控制。伴随微处理器发展，数字 信号处理器（DSP）以其强大运算能力，逐步成为控制领域主流选择。TI企业 TMS320LF240型DSP微控制器以其处理能力强，外设功效模块集成度高及存放器容量大等 特点广泛应用于数字化控制和通信领域，可满足对信号快速、正确和实时处理。
（2） 基于DSP设计温度控制器利用DSP强大高速运算能力，和其片内集成丰富控制外围部件和电路,从而简化了电路硬件设计,能够实现多种控制算法和控制策略,并经过异步串行通信接口来读取用户所需要数据,便于用户分析试验结果。另外，还含有脱离DSP高温硬件保护功效．可消除因为DSP系统意外失控所造成系统超温危险，提升了温度控制系统工作可靠性和使用安全性。信号采集电路是温度控制系统关键组成部分．其对温度测量正确性直接影响整个温度控制系统精度。
3.2信号特征分析
由温度传感器所测量温度能够看做是连续信号，即在时间上和幅度上分别连续信号。而DSP处理数据是离散，所以要对连续温度信号进行数字化，即采样，量化等。此过程由DSP内部模数转化模块来完成。数字化后信号输入DSP后，经过分析处理，输出控制信号，如高低电平等，来控制空调设备进行制冷后加热。
因为在温度测量过程中，不可避免因为外界原因干扰而造成温度信号上下波动，从而造成测量结果不正确。所以温度测量电路采取差分测量电路，经过二者相减来减小误差。
3.3方案设计
时钟电路

电源电路

DSP芯片
空调设备
光电隔离及功率放大电路
温度信号采集及放大电路

串行通信电路
复位电路

温度信号采集及放大电路：温度用温度传感器来测量，信号采集电路是温度控制系统前向通道，所采集温度数据正确性决定了温度系统精度。本系统采取五个温度传感器采集五路温度信号，再对这五路信号取平均值。
DSP芯片：数字信号处理器(DSP)得到了高速发展，性价比不停提升,广泛应用于各个领域,比如通信、语音处理、图像处理、模式识别及工业控制等方面，而且日益显示出巨大优越性。数字信号处理器利用专门或通用数字信号处理电路，以数字计算方法对信号进行处理，含有处理速度快、灵活、正确、抗干扰能力强、体积小和可靠性高特点，可满足对信号快速、正确、实时处理及控制要求。
时钟电路：DSP芯片工作是需要外部提供适宜频率时钟信号，给DSP芯片提供时钟通常有两种方法：—种是利用DSP芯片内部提供晶振电路，另一个方法是采取外部振荡源。
复位电路:当芯片工作时碰到问题时或工作结束时需要复位，对于实际DSP应用系统，尤其是产品化DSP系统，可靠性是一个不容忽略问题。实际上DSP系统时钟频率较高，在运行时极有可能发生干扰和被干扰现象，严重时系统可能会出现死机现象。为了克服这种情况，除了在软件上做部分保护方法外，硬件上也必需做对应处理。
电源电路：DSP芯片工作时需要含有适宜稳定电压电源来供电。
串行通信接口设计：TMS320F240串行通信接口(SCI)为其内部可编程异步串行通信模块，它是标准异步串行数字通信接口，能够实现半双工或双工通信及多机之间通信。
光电隔离及放大电路：为了确保DSP芯片和空调设备之间绝缘，输出信号不影响输入端，所以采取光电耦合器件，其工作原理就是在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光强度取决于激励电流大小，此光照射到封装在一起受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这么就实现了电一光一电转换。
3.4器件选型
温度传感器选择：本系统选择性能稳定应用广泛 PT1000 铂电阻传感器作为温度测量敏感元件。金 属铂电阻温度系数大、感应灵敏，其电阻值随温度改变基础呈线性关系，在测温范围内性能 稳定、长久复现性好、测量精度高。PT100 温度传感器电阻温度系数为 3.9×10－3／℃，电 阻改变率为 0.3851Ω/℃，线性度小于 0.5%。本系统信号采集电路采取差动对称式电桥电路实现温度信号测量，PT1000 温度传感器和精密电阻 R1、R2 及 R3 组成测量电桥。因为 采集温度信号是较弱电压信号，所以在 A/D 转换之前需要经过放大电路，使其满足 TMS320LF2407 片内 A/D 转换器输入信号要求。为了提升系统采集精度，电桥采取美国 模拟器件企业高精度基准电压源 AD586 供电，并在电桥前加限流电阻 R0，使其流过 PT1000 电流小于 10mA，减小 PT1000 在工作时产生本身热效应对采集信号影响
DSP芯片选择：TMS320F240 为TI 企业所出品定点式数字信号处理器芯片，含有强大外围(64k I/O space、10 bit A/D Converter、Digital I/Operipheral) ，芯片内部采取了加强型哈佛架构(Enhanced HarvardArchitecture)，由三个平行处理总线─程序地址总线(PAB)、数据读出地址总线(DRAB)及数据写入地址总线(DWAB)，使其能进入多个内存空间。因为总线之操作各自独立，所以可同时进入程序及数据存放器空间，而两内存间数据亦可相互交换，使得其含有快速运算速度，几乎全部指令皆可在50ns 周期时间内实施完成，内部程控以管线式方法操作(Pipeline operation)，且使用内存映像方法，使其整体效能可达成20MIPS，所以很适适用于实时运转控制，而对于速度较慢外围亦提供了wait-states 功效。TMS320F240 单芯片硬件架构上部分特征对于高速信号处理及数字控制上应用是必需且关键，其使用次微米CMOS 技术制程使其功率散逸降至最低。其和传统微处理机单芯片相较之下其含有下列优点：
(1)实施速度快，整体效能佳，可达成真正实时控制。
(2)特殊硬件及指令设计，适适用于高性能控制。
(3)轻易增加隶属功效，很轻易扩展外围。
(4)含有实时中止看门狗定时器模块，可监控程序之运作。
(5)使用4 层Pipeline 程序运作及设计有指令延迟之功效。
TMS320F240将DSP高速运算能力和高效控制能力集于一体,其关键特点以下：
(1)关键CPU包含32位中央算术逻辑单元(CALU)、32位累加器、16位×16位并行乘法器、3个定标移位寄存器和8个16位辅助寄存器,指令周期为50 ns(20 MI／s)，多数指令为单周期指令；
(2)片内带有544 Bxl6位数据／程序RAM和16 KBxl6位掩模ROM或FLASH EEPRClM,外部存放器接口含有16位地址总线和16位数据总线,224 KBxl6位最大可寻址寄存器空间；
(3)双10位模数转换器可实现双路信号同时采样，转换时间能够依据需要编程设置．最短转换时间为6．1 us；
(4)6个外部中止，包含电源驱动保护中止、复位、非屏蔽中止NMI和3个可屏蔽中止。

电源芯片选择：德州仪器企业生产电源芯片TPS7333能够提供2.5v,3v3.3v,4.85v和5v稳定电压输出，监视电压输出，而且能够接收200ms宽度复位信号。需要电流很小，最大为0.5uA。复位脚和DSP复位脚相连接，当电源电路出现波动时，其复位脚能够输出200ms复位信号，确保DSP芯片复位。

光电耦合器件选择：为了确保DSP芯片和空调设备之间绝缘，输出信号不影响输入端，所以采取光电耦合器件，其工作原理就是在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光强度取决于激励电流大小，此光照射到封装在一起受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这么就实现了电一光一电转换。此次课程设计采取现在被广泛使用6N137，含有工作稳定可靠，对应速度快等特点。

串行通信芯片选择：TMS320F240串行通信接口(SCI)为其内部可编程异步串行通信模块，它是标准异步串行数字通信接口，能够实现半双工或双工通信及多机之间通信。SCI模块是8位片内外设，经过DSP16位外部数据总线低8位和外部设备通信，有独立发送器和接收器。发送器和接收器均是双缓冲．而且全部有独立使能位和中止位。通信传输速率即波特率能够经过SCI2个16位波特率选择寄存器编程来确定。
SCI串行通信总线接口接口电路比较简单，关键由Maxim企业MAX232A和部分外围元件组成。SCIRXD和SCITXD分别接DSP控制器SCI串行通信模块输出、输入引脚．RXD和TXD分别接电路板上RS一232标准接口2端和3端，电阻器R2、R3和电容器C6、C7作为抗干扰元件。利用此串行通信总线能够实现基于DSP温度控制系统和计算机之间异步数据通信，能够使计算机实时地读取：DSP存放器内数据，便于调试系统和分析试验结果。

3.5系统设计
温度信号采集及放大电路：本系统采取五个温度传感器采集五路温度信号，再对这五路信号取平均值。本系统信号采集电路采取差动对称式电桥电路实现温度信号测量， 温度传感器和精密电阻 R1、R2 及 R3 组成测量电桥。因为采集温度信号是较弱电压信号，所以在A/D转换之前需要经过放大电路，使其满足 TMS320LF240片内 A/D 转换器输入信号要求。为了提升系统采集精度，电桥采取美国模拟器件企业高精度基准电压源 AD586 供电，并在电桥前加限流电阻 R0，使其流过 传感器电流小于10mA，减小 温度传感器在工作时产生本身热效应对采集信号影响。

DSP芯片：数字信号处理器利用专门或通用数字信号处理电路，以数字计算方法对信号进行处理，含有处理速度快、灵活、正确、抗干扰能力强、体积小和可靠性高特点，可满足对信号快速、正确、实时处理及控制要求。文中以T1MS320F240型DSP为关键,设计了高精度温度控制系统。它含有实施速度快，内部置有模数转换模块等优点。
时钟电路：DSP芯片工作是需要外部提供适宜频率时钟信号，给DSP芯片提供时钟通常有两种方法：—种是利用DSP芯片内部提供晶振电路，在DSP芯片XI和XZ／CLOCKIN之间连接石英晶体可开启内部振荡器，另一个方法是采取外部振荡源，将外部时钟源直接输入X2／CLOCKIN引脚，XI悬空。采取封装好晶体振荡器，芯片内部有PLL时钟模块能够倍频或分频外部时钟。因为通常为减小高频晶振影响，因另外部晶振频率取得较低。本设计DSP运行在40MHz频率下，采取10MHz晶振，经过内部倍频到40MHz。

电源电路：在本设计中，采取TPS7333作为电源芯片，电路图2所表示。TPS7333除了能够稳定输出3．3V电压外，同时含有复位功效；TPS7333复位脚和DSP复位脚相连接，当电源电路出现波动时，其复位脚能够输出200ms复位信号，确保DSP芯片复位。

复位电路:硬件上最有效保护方法就是采取含有监视功效自动复位电路，自功复位电路除了含有上电复位功效外，还含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能力。其基础原理就是电路提供一个用于监视系统运行监视线，当系统正常运行时，应在要求时间内给监视线提供一个高低电平发生改变信号，假如在要求时间内这个信号不发生改变，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。

串行通信接口设计：TMS320F240串行通信接口(SCI)为其内部可编程异步串行通信模块，它是标准异步串行数字通信接口，能够实现半双工或双工通信及多机之间通信。SCI模块是8位片内外设，经过DSP16位外部数据总线低8位和外部设备通信，有独立发送器和接收器。发送器和接收器均是双缓冲．而且全部有独立使能位和中止位。通信传输速率即波特率能够经过SCI2个16位波特率选择寄存器编程来确定。
SCI串行通信总线接口电路图3所表示．其接口电路比较简单，关键由Maxim企业MAX232A和部分外围元件组成。SCIRXD和SCITXD分别接DSP控制器SCI串行通信模块输出、输入引脚．RXD和TXD分别接电路板上RS一232标准接口2端和3端，电阻器R2、R3和电容器C6、C7作为抗干扰元件。利用此串行通信总线能够实现基于DSP温度控制系统和计算机之间异步数据通信，能够使计算机实时地读取：DSP存放器内数据，便于调试系统和分析试验结果。

依据系统结构框图及器件选型画出总系统原理图以下

4 设计心得
在画原理图时，即使我有过电子设计经历，不过过于粗心，以致出了很多错误，以后在同学帮助下一一更正。学习知识一定要扎扎实实一步一步走，走捷径、一步登天想法是万万不能有。
编程时，如上所述，出现了很多小错误（篇幅和时间所限，没有一一将其列出），甚至有时从步骤上就走不通，我不停进行修改和测试，逐步完善整个程序。只有耐心、细致工作，才使得整个程序越来越完善。
另外在整个试验中，我在其它同学帮助下，测试硬件、编写程序及步骤图等等，相互检错、提供改善思绪，愈加好地完成了任务。
当然，我设计还有很多需要改善地方，我想在以后经过老师指导、同学帮助下，逐步使这个设计愈加完美、成熟起来。