基于dsp高速测温仪控制系统设计论文(编辑修改稿)

基于dsp高速测温仪控制系统设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 9 6）可编程的分辨率为 9～ 12 位，对应的可分辨温度分别为 ℃ 、 ℃ 、℃ 和 ℃ ，可实现高精度测温。 7）在 9 位分辨率时最多在 内把温度转换为数字， 12 位分辨率时最多在 750ms 内把温度值转换为数字，速度更快。 8）测量结果直接输 出数字温度信号，以 “ 一线总线 ” 串行传送给 CPU，同时可传送 CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。 9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 综上因素选择 DS18B20 芯片为核心研制高速测温仪。 存储器 存储器 ： （ Memory）是 计算机 系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。 计算机中全部信息，包括输入的 原始数据 、计算机程序、中间运行 结 果 和最终运行结果都保存在存储器中。 它根据 控制器 指定的位置存入和取出信息。 有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。 按用途存储器可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存） ,也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。 外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。 内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 10 第 3 章 系统的电路设计 系统的电路设计 该温度仪的电路有如下几部分组成：（ 1）存储器接口 电路；（ 2）复位和时钟电路；（ 3）显示器接口电路；（ 4）前向通道测量电路；（ 5）打印机接口电路；（ 6）电源等。 时钟电路 给 TMS20F240 提供时钟有两种方法。 一种是将外部时钟源直接输入 XTAL 1 /CLKIN 引脚， XTAL2 悬空，采用封装好的晶体振荡器。 另一种是利用 DSP 芯片内部提供的晶振电路，把一晶体连接在 TMS320F240 芯片的 XTAL 1 和 XTAL2 之间可启动内部振荡器，如图 31 所示。 在实验中采用这种方法。 C?30PC?30PY?CRYSTALX2X1/XCLKIN 图 31 内部震荡电路 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 11 复位电路 图 32 所示为手 动复位电路。 刚通电时， TMS20F240 处于复位状态， VCC50K10uFS?SWPB/XRS 图 32 手动复位电路 /RS 为低使芯片复位。 为使芯片初始化正确，一般应保证 /RS 为低至少持续 3 个CLKOUT 周期。 但是上电后，系统的晶体振荡器往往需要几百毫秒的稳定期，一般为 100ms200ms。 图 3 电路的复位时间主要由 R 和 C 确定。 用式 31，设 V1=1. 5V为低电平与高电平的分界点，则 : 11ln( 1 / )t RC V Vc c   （式 31） 选择 R=100， C= ，可得 t1=l67ms，随后的施密特触发器保证了低电平的持续时间至少为 167ms，才能满足复位要求。 在实际的 DSP 应用系统特别是产品化的 DSP系统，可靠性是一个不容忽视的问题。 实际上 DSP 系统的时钟频率较高，在运行时极有可能发生干扰和被干扰的现象，严重时系统可能会出现死机现象，为了克服这些情况，不仅在软件上做保护措施，在硬件上采用具有监视功能的自动复位电路。 向前通道测量电路 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 12 用 DSP 进行测温系统必须有被测电信号的输入通道，它用来采集重要的输入信息。 在测量系统中怎样能更 准确获取被测信号是核心任务；在测控系统中，对被控现场的监视和对被控对象状态的检测是重要的环节。 要利用传感器将非电信号转换成电信号才能完成测量和控制任务，因为计算机只能识别和处理电量数字信号。 得到的模拟电信号，经过放大并通过 A/D 转换为数字量后才能由计算机进行有效的处理。 本方案中采用两路热电偶传感器采集两点的温度信号，放大器采用高速的LM358，可以两路同步采样，因为 TMS320F240 内部自带 2 个 A/D,由于传感器的噪声大，工作环境比较恶劣，在传感器的输出端上会产生较大的干扰信号，当应用于低速测温，前向通道 中可以采取硬件滤波措施，提高信噪比。 采集的信号经放大器放大后通过滤波将噪声和其它干扰信号滤去。 而在高速测温时，由于硬件滤波器的响应速度慢，因此不能在前向通道中采取硬件滤波，但可以将数据存储后通过软件滤波来处理。 因为 TMS 320F240 内部自带 ADC，所以可以将两路电信号可以直接接入 DSP。 传感器的选择 为提高热电偶的响应速度，在此采用小直径 的镍铬一镍铝 (硅 )热电偶 (K型 )。 含铬 1820%的镍合金具有良好的抗氧化性能，在还原气氛中的稳定性也大大改善。 这种热电偶的抗氧化能力强 ，材料也不易变脆，热电动势稳定性好，适用于1300℃以下的温度测量，测温不确定度小于 400℃时为177。 ℃，大于 400℃时为所测电动势的 1%。 满足高速测温要求，而且这种热电偶成本低可以降低系统成本。 放大倍数的确定 K 型热电偶在 1000℃时的热电势为 ，而 TMS 320F240 内的 ADC 满量程为 5V。 放大器 LM358 采用单极性输入时的饱和输出电压为 . 故放大倍数为3830/=92。 采用二级放大，第一级放大 9 倍，第二级放大 10 倍。 电路如图33. 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 13 图 33 放大电路图 模数转换器 TMS320F240 芯片的 ADC 模块含两个带采样保持电路的 ADC。 芯片内共有 16 路模拟输入通道，每个 ADC 有 8路模拟输入通道，通过 1 至 8多路转换开关接入。 每个 ADC 完成转换的总时间为 μ s。 而高速测温过程，如激光加热速率约为100000～ 1000000℃ /s ，温度变化 1℃最长时间需 100μ s。 因此该 ADC 完全能满足实时高速测温的要求。 ADC 模块有以下功能 : ADC 可执行独立的或连续的采样、保持操作。 、内部或外部事件处理器启动。 （ 1） ADC 模块的管脚介绍 ADC 模块共提供 20 个管脚与外部电路接口。 ADCINOADCIN 15 这 16 个管脚是模拟输入管脚，有两个模拟参考电压输入管脚。 模拟电压信号与数字电压信号应分开。 为保证转换精度电源采用标准减噪声设备。 模拟电源信号线应尽可能的短和粗。 ADCINOADCIN7是属于第一个 ADC模块， ADCIN8ADCIN15属于第二个 ADC模块。 ADCINO, ADCIN 1, ADCIN8 和 ADCIN9 还具有数字 1/O 的第二功能。 通过软件编程 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 14 这四 个管脚可用作 I/O 口。 但是这四个管脚的转换精度没有其它 12 个模拟输入管脚高。 （ 2） ADC 模块的工作模式 a）两个通道采样和转换可以同步进行。 b）单独或连续的采样、保持和转换操作。 c） ADC 模块单元采用二级堆栈结果寄存器。 d）开始转换操作可由软件指令、外部信号传递到器件的管脚或通过事件处理来实现。 e）将位写入 ADC 的控制寄存器时，不影响正在进行的转换过程。 新写入的位值先进入未激活寄存器而不是激活寄存器，一旦转变完成后新位的设置立即从未激活寄存器转移到激活寄存器。 下一个转换由新位的设置来决定。 f）如 果中断没有被屏蔽的话，转变结束时会设置一个中断标志并产生中断。 如果第三个转变开始而没有读 FIFO 堆栈的话，第一个转变数据将丢失。 (3)模拟信号的采样和转变 单个 ADC 模块执行采样一个时钟周期，转变四个半周期，因而整个采样转变时间是五个半周期。 ADC 模块的结构要求采样转变时间是 μ s或更长以保证转换精度。 ADC 时钟周期数目与 μ s的最小值关系应满足系统时钟频率。 因为系统时钟频率可以偏离这个关系。 ADC 模块提供的预标定允许应用过程中 DSP 时钟变化时 ADC 模块保持最优化操作。 因此在选择 ADC 模块的 预标定值时，应保证这个ADC 模块的采样转变时间大于或等于 s。 这个预标定值应满足以下公式 : 系统时钟周期 ((SYSCLK)预标定值 = s 存储器接口 在 TMS320LF2407芯片中有 32K字的 FLASH程序存储器， 544字双口 RAM(DARAM)和2K字的单口 RAM(SARAM)。 对于程序存储器 32K字的 FLASH已经可以满足要求。 但对于高速测温，仅有的数据存储器是不够的。 在本方案中，一次采样周期为 8us，采样值占用两个字节，则采样的数据量为 250K字节／秒。 如此大的数据量仅靠片内的 RAM是不够的。 因此必须扩展外部数据存储器。 在本实验中采用两片 128KX8静态随机读 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 15 取存储器 TC55V8128BJ12构成 16位 128K的扩展存储器。 TC55V8128BJ12具有容量大、功耗低、集成度高、速度快、设计和使用方便等特点。 图 34是 TC55V8128BJ12的外部引脚排列图，各引脚名称及功能。 分别如下： AO～ A16是 17条地址线： I／ 00～I／ 07是 8条双向数据线；／ CE是片选线，低电平有效，／ WE是写控制线，当／ CS为低电平时，／ WE的上升沿将 I／ 00～ I／ 07上的数据写到 AO～ A16选中的存储单元中；／ OE是读出允许端，低电平有效。 图 34 TC55V8128BJ12的引脚功能图 存储器与 TMS320LF240 的接口电路如图 35所示： 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 16 图 35 存储器与 TMS320F240 的接口电路 采用数据选通线 /DS接外部 RAM的 A16地址线。 因此数据区 RAM64K(0000HFFFH)，程序区为 RAM的后 64K(10000H1FFFFH)。 对 DSP而言，程序区和数据区的地址均为0000HFFFFH。 由于 TC55VSl28BJ12是 8位的 SRAM， TMS320LF2407的数据线有 16位，故需要两片 TC55VSl28BJ12并联构成 16位的外接存储器。 如果程序区采用外部的 RAM 时，应将 DSP 芯片的 MP／ Mc置高，使芯片工作在微处理器方式。 如果内部 FLASH 设置有效，则相同的地址的外部 RAM 自动无效。 当外部 RAM 的存取速度不能全速运行时需要根据速度设置插入等待状态。 图 36 CS2 控制数据保持时序 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 17 电源电路 TMS320LF2407 DSP芯片的供电电压为 3． 3V，但有些外围器件供电电压为 5V。 因此在 电路中需要提供 5V和 3． 3V的电源。 电路如图 37所示。 220V的交流电经变压器后输出 8V的交流电， 8V的交流电由四个二极管构成的整流电路整流后得到 8v的直流电，再经过稳压器 MC7805输出 5V的直流电压。 5V的直流电压再经过低压降稳压器TPS76301将电压稳定在 3． 3V。 F12AD412P1~220VVinGNDVoutU47815VinGNDVoutU67915T?TRANS4C?C?1000uFC?1000uF C?VinGNDVoutU47815C?C?C?+15V+5VGND15V 图 37 电源电路 显示器接口电路 在同一时刻只有一个显示器通电，但是由于人眼的视觉暂留现象和发光二极管的余辉效应，因此在人们看来，每个显示器都在稳定地显示。 这种巡回扫描显示器的操作要靠程序控制。 动态显示的亮度要受电流平均值的影响，其电流平均值增大，显示亮度增强。 在本测测温仪的显示器是测控系统实时地自动地向操作人员提供必要的状态信息的手段和途径之一。 它使操作人员能够及时地观察到系统的运行情况和对操作命令的响应结果。 它是测控系统与操作者实现交换作用的另一个方面。 在测控系统中，常用的显示器主要有 LED(发光二极管显示器 )和 LCD(液晶显示器 )。 这两种显示器配置灵活，与控制器接口方便。 发光二极管显示器的成本较低，显示的亮度较大。 所以本测温仪采用发光二极管显示器。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 18 对多个八段 LED数码管的接口方法主要有两种：动态驱动法和静态驱动法。 动态显示是把需要显示的字符的各字段断续通过电流，因而其发光是不连续的。 使用动态显示法时，在每点亮一个显示器之后，必须。