基于DSP的PID溫度控制系統(tǒng)研

摘要數(shù)字信號處理器DSP是一種獨(dú)特的微處理器，它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理實(shí)力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。本課題采納TMS320VC5402數(shù)字信號處理器，增量式PID算法，通過修改輸出脈沖的占空比，即以PWM方式實(shí)現(xiàn)對電熱爐的溫度限制。溫度反饋信號通過AD采樣，經(jīng)PID算法處理，和設(shè)定初始溫度值比較，限制XF輸出的脈寬。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)有過渡時間短、超調(diào)量小和穩(wěn)定誤差小的特點(diǎn)。本設(shè)計對于溫度限制的實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用與提高系統(tǒng)限制要求、精度、速度、能耗有肯定的實(shí)際意義。關(guān)鍵字：PID，DSP，TMS320VC5402，溫度限制

ABSTRACTTheDSP(digitalsignalprocessor)isakindofuniquemicroprocessors,itspowerfuldataprocessingandhighspeedisthemostadmirablecharacteristics.ThispaperusingdigitalsignalprocessorTMS320VC5402,whichadoptedPIDalgorithm,throughmodifydutycycleoftheoutputpulse,whichmeanstorealizePWMelectrothermalfurnacetemperaturecontrol.Temperaturefeedbacksignalsthroughsampling,theADPIDalgorithm,andsettheinitialvalue,controltheXFoutputpulsewidth.Testresultsshowthatthesystemhasashorttransitiontime,smallovershootandstabilitycharacteristicoflowerror.Thedesignfortemperaturecontroloftheimplementation,applicationrequirementsandimprovesystemcontrol,precision,speed,powerconsumptionhassomepracticalsignificance.Keywords:PID,DSP,TMS320VC5402,temperaturecontrol

目錄TOC\o"1-2"\h\u10895摘要 I279171緒論 129641.1本課題探討意義 11711.2國內(nèi)外探討動態(tài)和趨勢 2264471.3論文探討的主要內(nèi)容 4311951.4論文結(jié)構(gòu) 4261772系統(tǒng)的總體設(shè)計思路 637432.1系統(tǒng)功能及總體結(jié)構(gòu) 6327082.2數(shù)字信號處理器的選擇 653193系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 14263343.1硬件開發(fā)軟件簡介 1476553.2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 1537913.3電源模塊和復(fù)位電路的設(shè)計 16246353.4模擬信號采集及A/D轉(zhuǎn)換電路 1733213.5DSP的外部存儲器擴(kuò)展 21152093.6溫度限制模塊 2128284PID算法 24246974.1對象分析 24214124.2PID算法概述 2478115系統(tǒng)的軟件設(shè)計 3052995.1設(shè)計工具--CCS簡介 3086795.2DSP內(nèi)存單元的安排 3237015.3主限制程序 3387015.4系統(tǒng)的初始化 35232285.5數(shù)據(jù)采集子程序 3765695.6數(shù)據(jù)處理子程序 3860975.7溫度限制執(zhí)行程序 39187486試驗(yàn)過程與數(shù)據(jù) 40233676.1.PID參數(shù)的確定 40298136.2.數(shù)據(jù)采集 40134187結(jié)論 429656致謝 43826參考文獻(xiàn) 44826附錄硬件電路實(shí)物圖 451緒論1.1本課題探討意義在化工、石油、冶金等生產(chǎn)過程的物理過程和化學(xué)反應(yīng)中，溫度往往是一個很重要的量，須要精確地加以限制。除了這些部門之外，溫度限制系統(tǒng)還廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域，是用途很廣的一類工業(yè)限制系統(tǒng)。溫度限制系統(tǒng)常用來保持溫度恒定或者使溫度依據(jù)某種規(guī)定的程序變更。溫度限制器發(fā)展初期是機(jī)械式廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)探討和生活等領(lǐng)域，數(shù)量日漸上升[1]。近百年來，溫度限制器的發(fā)展大致經(jīng)驗(yàn)了以下階段：(1)模擬、集成機(jī)械式溫度限制器；(2)電子式智能溫度限制溫度限制器，這類溫度限制器采納雙金屬片或充氣膜盒感測室內(nèi)溫度，運(yùn)用波段開關(guān)干脆調(diào)整風(fēng)速。雙金屬片溫度限制器現(xiàn)基本已淘汰，只運(yùn)用在一些要求不高較低檔場合；充氣膜盒溫度限制器當(dāng)前較流行，但總體來講機(jī)械式溫度限制器缺點(diǎn)特別明顯：（1）．機(jī)械式溫度限制器外觀陳舊呆板。（2）．機(jī)械式溫度限制器控溫精度差。（3）．簡潔打火（干脆切換強(qiáng)電）。（4）．極易在一個微小溫差范圍內(nèi)頻繁開關(guān)水閥（風(fēng)閥）。（5）．功能比較單一[2]。在當(dāng)今電子信息時代，電子自動化、信息采集限制在任何行業(yè)都是不行逆轉(zhuǎn)的潮流，電子式溫度限制器全面取代機(jī)械式溫度限制器將在將來很短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，有人會問：“市場為什么目前看來機(jī)械式溫度限制器比電子式牢靠？”，只是因你運(yùn)用的電子溫度限制器沒作好，一個設(shè)計精湛考慮周全的智能電子溫度限制器肯定比機(jī)械式溫度限制器牢靠。溫度限制器屬于信息技術(shù)的前言尖端產(chǎn)品，目前，國際上新型溫度限制器正從模擬式向數(shù)字式、電子式由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。最近幾年，高密度集成與支持改善使兩種DSP在運(yùn)用便利性與成本上都較為接近。目前，器件類型的選擇越來越取決于應(yīng)用數(shù)據(jù)集是否要求浮點(diǎn)格式的更多計算功能。相比較而言，浮點(diǎn)是最佳的選擇。因此，設(shè)計大規(guī)模量產(chǎn)信號處理應(yīng)用的開發(fā)人員現(xiàn)在起先發(fā)覺浮點(diǎn)格式更多的內(nèi)在價值。他們將視線投向傳統(tǒng)定點(diǎn)DSP，DSP能夠?qū)崿F(xiàn)更快速而簡便的開發(fā)，因此對開發(fā)成本比單位制造成本重要的小規(guī)模應(yīng)用而言，更開發(fā)模式之外的領(lǐng)域，并探究浮點(diǎn)DSP所帶來的設(shè)計機(jī)遇。DSP是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條困難指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理實(shí)力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。自從德州儀器（TI）在1982年推出通用可編程DSP芯片以來，DSP技術(shù)帶來了確定數(shù)字技術(shù)將來的突破性應(yīng)用。DSP芯片的特點(diǎn)是既有傳統(tǒng)的單片機(jī)的編程有效性，又有大量單片機(jī)的外設(shè)，有大量的中斷處理、限制外設(shè)，通信外設(shè)上的支持和在片閃存，最重要的一點(diǎn)是它有很強(qiáng)的計算速度。因?yàn)镈SP本身是一個特別高端的技術(shù)，強(qiáng)調(diào)算法和軟件創(chuàng)新，具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理實(shí)力實(shí)現(xiàn)優(yōu)化算法、更低的系統(tǒng)成本等優(yōu)點(diǎn)。隨著中國漸漸變成世界性的電子工廠，擴(kuò)展DSP的應(yīng)用領(lǐng)域、開發(fā)DSP的新產(chǎn)品將是一個前所未有的市場空間。溫度、壓力，流量和液位是四種最常見的過程變量。其中溫度是一個特別重要的過程變量，因?yàn)樗纱嘤绊懭紵?、化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結(jié)晶以及空氣流淌等物理和化學(xué)過程。溫度限制不好就可能引起生產(chǎn)平安，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問題。盡管溫度限制很重要，但是要限制好溫度常常會遇到意想不到的困難。人為地通過開關(guān)限制溫度在很多的場合明顯是不相宜，甚至是不允許的，所以這就要求我們開發(fā)并運(yùn)用一種能通過自行限制的；可以依據(jù)反饋的信息和數(shù)據(jù)來自動調(diào)整的；可以在人無法進(jìn)行正常工作、有高度危急性的、精度要求極高的場合的自動限制系統(tǒng)-PID限制無疑是最適合的，這正是PID限制系統(tǒng)存在的理由和意義。也是此次探討的意義之一。正是因?yàn)榉N種因素，本課題打算探討實(shí)現(xiàn)基于DSP的溫度限制系統(tǒng)。本課題采納TMS320VC5402數(shù)字信號處理器。該系列具有高性能、多種片內(nèi)外設(shè)、選擇多樣、封裝小、省點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，電源可降至0.9V，速度可達(dá)600MIPS，為16位定點(diǎn)，功耗0.32mW/MIPS。1.2國內(nèi)外探討動態(tài)和趨勢在20世紀(jì)90年頭中期最早推出的智能溫度限制器，采納的是8位A/D轉(zhuǎn)換器，其測溫精度較低，辨別力只能達(dá)到2°°C。為了提高多通道智能溫控器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采納高速逐次靠近式A/D轉(zhuǎn)換器。進(jìn)入21世紀(jì)后，智能溫度限制器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高牢靠性及平安性、開發(fā)虛擬溫度限制器和網(wǎng)絡(luò)溫度限制器、研制單片測溫控溫系統(tǒng)等高科技的方向快速發(fā)展。(1)提高溫度限制器測溫精度和辨別力在20世紀(jì)90年頭中期最早推出的智能溫度限制器，采納的是8位A/D轉(zhuǎn)換器，其測溫精度較低，辨別力只能達(dá)到2°°C。為了提高多通道智能溫控器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采納高速逐次靠近式A/D轉(zhuǎn)換器。(2)增加溫度限制器測試功能新型智能溫度限制器的測試功能也在不斷增加。例如，采納DS1629型單線智能溫度傳感器增加了實(shí)時日歷時鐘（RTC），使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲功能，利用芯片內(nèi)部256字節(jié)的E2PROM存儲器，可存儲用戶的短信息。另外，智能溫度限制器正從單通道向多通道的方向發(fā)展，這就為研制和開發(fā)多路溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)建了良好條件。智能溫度限制器都具有多種工作模式可供選擇，主要包括單次轉(zhuǎn)換模式、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、待機(jī)模式，有的還增加了低溫極限擴(kuò)展模式，操作特別簡便。對某些智能溫度限制器而言，主機(jī)(外部微處理器或單片機(jī))還可通過相應(yīng)的寄存器來設(shè)定其A/D轉(zhuǎn)換速率，辨別力及最大轉(zhuǎn)換時間。(3)溫度限制器總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化目前，智能溫度限制器的溫度傳感器的總線技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，所采納的總線主要有單線(1-Wire)總線、I2C總線、SMBus總線和spI總線。采納的溫度傳感器作為從機(jī)可通過專用總線接口與主機(jī)進(jìn)行通信。(4)溫度限制器牢靠性及平安性設(shè)計傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器大多采納積分式或逐次比較式轉(zhuǎn)換技術(shù)，其噪聲容限低，抑制混疊噪聲及量化噪聲的實(shí)力比較差。新型智能溫度限制器普遍采納了高性能的Σ－Δ式A／Ｄ轉(zhuǎn)換器，它能以很高的采樣速率和很低的采樣辨別力將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再利用過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)，來提高有效辨別力。Σ－Δ式A／D轉(zhuǎn)換器不僅能濾除量化噪聲，而且對外圍元件的精度要求低；由于采納了數(shù)字反饋方式，因此比較器的失調(diào)電壓及零點(diǎn)漂移都不會影響溫度的轉(zhuǎn)換精度。這種智能溫度限制器兼有抑制串模干擾實(shí)力強(qiáng)、辨別力高、線性度好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。(5)虛擬溫度限制器和網(wǎng)絡(luò)溫度限制器虛擬溫度限制器是基于溫度限制器硬件和計算機(jī)平臺、并通過軟件開發(fā)而成的。利用軟件可完成溫度限制器的標(biāo)定及校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)最佳性能指標(biāo)。最近，美國Ｂ＆Ｋ公司已開發(fā)出一種基于軟件設(shè)置的TEDS型虛擬傳感器，其主要特點(diǎn)是每只傳感器都有唯一的產(chǎn)品序列號并且附帶一張軟盤，軟盤上存儲著對該傳感器進(jìn)行標(biāo)定的有關(guān)數(shù)據(jù)。運(yùn)用時，傳感器通過數(shù)據(jù)采集器接至計算機(jī)，首先從計算機(jī)輸入該傳感器的產(chǎn)品序列號，再從軟盤上讀出有關(guān)數(shù)據(jù)，然后自動完成對傳感器的檢查、傳感器參數(shù)的讀取、傳感器設(shè)置和記錄工作。網(wǎng)絡(luò)溫度限制器是包含數(shù)字傳感器、網(wǎng)絡(luò)接口和處理單元的新一代智能溫度限制器。它通過數(shù)字傳感器首先將被測溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再送給微限制器作數(shù)據(jù)處理。最終將測量結(jié)果傳輸給網(wǎng)絡(luò)，以便實(shí)現(xiàn)各傳感器之間、傳感器與執(zhí)行器之間、傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換及資源共享，在更換傳感器時無須進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)，可做到“即插即用(Plug&Play)”，這樣就極大地便利了用戶。(6)溫度限制器單片測溫限制系統(tǒng)單片系統(tǒng)(SystemOnChip)是21世紀(jì)一項(xiàng)高新科技產(chǎn)品。它是在芯片上集成一個系統(tǒng)或子系統(tǒng)，其集成度將高達(dá)108—109元件/片，這將給IC產(chǎn)業(yè)及IC應(yīng)用帶來劃時代的進(jìn)步。半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(SIA)對單片系統(tǒng)集成所作的預(yù)料見表1-1[3]。表1-1單片系統(tǒng)集成電路的發(fā)展預(yù)料表年份2001200220072010最小線寬/um0.180.130.10.07包含晶體管數(shù)量/片1.3×1082.5×1085×1089×108成本/(晶體管/毫美分)0.20.10.050.02芯片尺寸/mm275090011001400電源電壓/V1.81.51.20.9芯片I/O數(shù)2000260036004800依據(jù)以上眾多信息，我們可以斷定溫度限制器正朝著從模擬式向數(shù)字式、電子式由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。本次探討基于DSP的溫度限制系統(tǒng)是相當(dāng)有意義的，具有肯定的好用價值。1.3論文探討的主要內(nèi)容本論文所要探討的主要內(nèi)容，就是如何將現(xiàn)今社會正在快速發(fā)展并已得到廣泛應(yīng)用的DSP技術(shù)應(yīng)用于溫度限制系統(tǒng)中。本課題所做的工作就是將DSP[4]技術(shù)應(yīng)用在溫度限制統(tǒng)中的溫度數(shù)據(jù)信號采集及數(shù)據(jù)處理部分，并限制加熱器以達(dá)到溫度限制。采納TMS320VC5402數(shù)字信號處理器，增量式PID算法[11]，通過修改輸出脈沖的占空比，即以PWM方式實(shí)現(xiàn)對電熱爐的溫度限制。溫度反饋信號通過AD采樣，經(jīng)PID算法處理，和設(shè)定初始溫度值比較，限制XF輸出的脈寬[12]。論文具體闡述了DSP進(jìn)行溫度信號采集和處理的系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。利用這個系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)溫度的限制功能。整個系統(tǒng)的設(shè)計包括：硬件電路的設(shè)計、DSP系統(tǒng)的軟件編程。1.4論文結(jié)構(gòu)第一部分：闡述探討本系統(tǒng)的目的和意義；其次部分：系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分析以及DSP芯片的選擇；第三部分：系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計，包括傳感器的選型、主限制器的選擇、信號調(diào)理電路及輸出限制回路等；第四部分：DSP溫度信號采集及數(shù)據(jù)處理軟件的設(shè)計；第五部分：結(jié)論。

2系統(tǒng)的總體設(shè)計思路2.1系統(tǒng)功能及總體結(jié)構(gòu)2.1.1系統(tǒng)功能分析無論要限制溫度的對象是什么，都應(yīng)當(dāng)能獲得所須要的溫度數(shù)據(jù)信號，并傳達(dá)給DSP進(jìn)行處理，最終限制溫度執(zhí)行器達(dá)到溫度的限制。本課題探討的是一個基于DSP的溫度限制系統(tǒng)。對它的設(shè)計是圍圍著DPS來進(jìn)行的。經(jīng)過上述分析可知本系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)以下三種功能：·精確同步采集溫度數(shù)據(jù)信號；·對信號的處理傳送給DSP；·DSP限制溫度執(zhí)行器。2.1.2系統(tǒng)總體構(gòu)思依據(jù)系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行分析可知：本測試系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上就是一個高速度的信號采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。整個系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)由兩部分構(gòu)成：·硬件部分；·軟件部分。限制系統(tǒng)的工作思路是：首先，系統(tǒng)工作，傳感器起先采集溫度模擬信號。然后，模擬信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，傳送到指定的數(shù)據(jù)存儲區(qū)中，由DSP芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。最終，處理過的數(shù)據(jù)和信號進(jìn)行溫度執(zhí)行器的限制，最終已達(dá)到限制對象的溫度限制。2.2數(shù)字信號處理器的選擇2.2.1數(shù)字信號處理器概述數(shù)字信號處理（DSP，digitalsignalprocessing）是從20世紀(jì)60年頭以來，隨著信息科學(xué)和計算機(jī)科學(xué)的高速發(fā)展而快速發(fā)展起來的一門新興科學(xué)。而數(shù)字信號處理器（DSPs，digitalsignalprocessors）是20世紀(jì)70年頭末，80年頭初起先發(fā)展起來的[5]。1978年，AMI公司生產(chǎn)的S2811和1979年美國Intel公司生產(chǎn)的商用可編程器件2920是最早期的DSP處理器。1980年，日本的NEC公司推出了第一個具有硬件乘法器的DSP處理器——μPD7720。1981年貝爾試驗(yàn)室推出了DPSI與μPD7720，它們都是16位字長，具有片內(nèi)乘法器和存儲器的DSP處理器。日本東芝公司1982年首次推出了浮點(diǎn)DSP芯片，而AT&T公司1984年推出的DSP32是較早的具備較高性能的浮點(diǎn)DSP處理器（M.J.Koskelo，2000；魏曉云等，2003）。1982年德州儀器[6]（TI,TexasInstruments）公司的TMS320系列DSP處理器的問世是DSP應(yīng)用歷史上的一個里程碑，從今DSP進(jìn)入高速發(fā)展的階段。DSP處理器在數(shù)字信號處理中展示了獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，它的發(fā)展大致經(jīng)驗(yàn)了三個階段：第一階段是以TMS320C10/C2X為代表的16位定點(diǎn)DSP，它們的指令周期只有100ns～200ns。它們的升級代替品是更為先進(jìn)的ADSP21XX（AD公司）、TMS320C25/C5X/C2XX/C54X等型號；TI公司目前正在推出的低功耗芯片TMS320C55X，供應(yīng)了相當(dāng)于目前DSP六分之一的功耗和五倍的性能，特殊適用于便攜設(shè)備中。其次階段推出的是32位浮點(diǎn)DSP芯片，目前代表產(chǎn)品有ADSP21020、TMS320C3X等型號，運(yùn)算實(shí)力大大提高，適用于數(shù)據(jù)動態(tài)范圍很大的場合。近幾年出現(xiàn)了性能更高的第三代DSP，包括并行DSP和超高性能DSP，如TMS320C4X、ADSP2106X和1997年TI推出的C6XDSP（C62X——32位定點(diǎn)DSP和C67X——32位浮點(diǎn)DSP）。（RussellTessier，2001）數(shù)字信號處理系統(tǒng)具有精度高、牢靠性強(qiáng)、集成度高、接口便利、敏捷性好、保密性好以及能夠時分復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)（張宏偉等，2003），無論是在性能上、成本上，還是經(jīng)濟(jì)效益上，在很多場合與模擬系統(tǒng)比起來都有明顯的優(yōu)勢(FrantzGene，2000)[7]。DSP強(qiáng)調(diào)處理的實(shí)時性。數(shù)字信號處理不僅具有高速運(yùn)算和限制實(shí)力，而且依據(jù)實(shí)時數(shù)字信號處理的特點(diǎn)，在處理器結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、指令流程上都做了很大的改動。主要有以下方面[8]：·采納哈佛結(jié)構(gòu)或改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)就是使DSP芯片具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲空間和程序存儲空間，CPU可以同時進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問與指令讀寫，提高了數(shù)據(jù)吞吐率，因此比馮·諾依曼結(jié)構(gòu)有更高的指令執(zhí)行速度；·針對數(shù)字信號處理中大量用到的乘累加操作的特點(diǎn)，配有獨(dú)立的硬件乘法器和加法器，可以在一個指令周期內(nèi)完成乘累加運(yùn)算；·指令系統(tǒng)采納流水線操作，一個任務(wù)被分解為若干個子任務(wù)，它們可以在執(zhí)行時相互重疊，削減了每條指令的執(zhí)行時間；·DSP處理器的片內(nèi)外兩級存儲結(jié)構(gòu)使指令系統(tǒng)更加優(yōu)化；·采納特殊的DSP專用指令可以充分發(fā)揮DSP算法及各系列特殊設(shè)計的功能；·快速的指令周期在對采樣速率要求較高的實(shí)時信號處理場合可以發(fā)揮其強(qiáng)大的效用（蘇濤，2002）。由此可見，DSP處理器較其他微處理器的最大優(yōu)點(diǎn)就在于它運(yùn)行速度快。應(yīng)用DSP處理器的場合一般都是數(shù)據(jù)處理量較大的或要求信號處理實(shí)時性強(qiáng)的場合。因此，在選擇DSP芯片時，首先考慮的因素是DSP芯片的運(yùn)算速度能否滿足系統(tǒng)大運(yùn)算量的要求，其次是DSP芯片的價格、硬件資源、運(yùn)算精度、開發(fā)工具、功耗等其它因素（朱銘鋯，2003）。2.2.2DSP芯片的選擇DSP處理器依據(jù)工作的數(shù)據(jù)格式分類，可以分為定點(diǎn)DSP芯片（數(shù)據(jù)以定點(diǎn)格式工作）和浮點(diǎn)DSP芯片（數(shù)據(jù)以浮點(diǎn)格式工作）。定點(diǎn)DSP芯片結(jié)構(gòu)比浮點(diǎn)DSP芯片要簡潔、乘法——累加（MAC）運(yùn)算速度快，但是運(yùn)算精度低、動態(tài)范圍小，因?yàn)槠渥珠L有限。而浮點(diǎn)DSP芯片相較之下動態(tài)范圍大，運(yùn)算精度高，在對性能要求高的實(shí)時信號處理中有廣泛的應(yīng)用。其缺點(diǎn)是芯片功耗大、價格高（王念旭，2002）?？紤]在本系統(tǒng)中雖然在濾波算法以及數(shù)據(jù)處理算法中都有浮點(diǎn)運(yùn)算，但是運(yùn)算并不困難，利用定點(diǎn)DSP芯片中的Q表示方法進(jìn)行數(shù)的定標(biāo)運(yùn)算完全可以達(dá)到目的，因此確定選用低功耗、低價位的定點(diǎn)DSP芯片作為本系統(tǒng)的核心部分[9]。DSP芯片的發(fā)展快速，在獨(dú)創(chuàng)后不到30年的時間已經(jīng)有20多個廠商推出了上百種型號的產(chǎn)品。其中比較典型的定點(diǎn)DSP芯片有Motorola公司的MC5600X系列，AT&T公司的DSP32、DSP32C等。應(yīng)用最為廣泛的DSP芯品是TI公司生產(chǎn)的TMS320系列，占市場份額50%以上，其次是AD公司的ADSP——21XX系列定點(diǎn)DSP芯片（蘇濤，2002）。與TI公司的產(chǎn)品相比，AD公司的芯片有自己的特點(diǎn)，如系統(tǒng)時鐘一般不經(jīng)過分頻干脆運(yùn)用，串行口帶有硬件壓擴(kuò)等（劉長軍等，2002）。TI公司幾乎每一個系列產(chǎn)品都包括定點(diǎn)DSP芯片。C2000系列芯片較適合應(yīng)用于限制場合；TMS320C62XX系列、TMS320C64XX系列芯片是TI公司的最新一代產(chǎn)品，芯片的超高性能確定了其價值不菲，而本系統(tǒng)所要完成的任務(wù)并不須要如此高配置的芯片。TI公司開發(fā)的新一代C5000系列DSP芯片TMS320C54X和TMS320C55X都擁有較好的性價比，并且在管腳和編程語言上兼容性好（BierJeff，2004）。無論從硬件資源還是價格方面考慮都屬最優(yōu)選擇。不過，TMS320C55X系列的DSP芯片在市場上并不簡潔購得，相比之下，獲得TMS320C54X系列的芯片的技術(shù)資料渠道廣泛，在市場上也比較簡潔購買到，因此確定采納TI公司的TMS320C54X系列芯片中的一款應(yīng)用于本系統(tǒng)中。表2-1中比較了現(xiàn)在運(yùn)用較為廣泛的幾種TI公司生產(chǎn)的定點(diǎn)TMS320C54X系列芯片的各種主要參數(shù)。表2-1幾種TMS320C54X系列的DSP芯片性能比較比較項(xiàng)目TMS320VC5402TMS320VC5409TMS320VC5410TMS320VC5416時鐘周期（ns）運(yùn)算實(shí)力（MIPS）RAM（Word）ROM（Word）DAT（ADDR）/PRO（Word）DMA通道McBSP并口1010016K4K64K/1M62HPI—85.661010032K16K64K/8M63HPI—8/1611.958.3312064K16K64K/8M63HPI—8/1615.346.25160128K16K64K/8M63HPI—8/1629.87可以看出，幾種DSP芯片都有較高的性價比以及較低的功率，其性能都可以滿足系統(tǒng)的要求。比較之后發(fā)覺，這一系列的產(chǎn)品都具有大致相像的功能，運(yùn)算實(shí)力都不差，主要差別只是在于每個芯片的片內(nèi)外存儲器的容量不同，運(yùn)算實(shí)力也有一些差別。尤其是近年來新推出的TMS320VC5416芯片，運(yùn)算實(shí)力已經(jīng)可以達(dá)到160MIPS，而且具有相當(dāng)大的程序空間和數(shù)據(jù)空間。不過，TMS320VC5416芯片的價格較貴，幾乎是TMS320VC5402[10]芯片的5.28倍。而TMS320VC5409芯片雖然性價比相對較高，但是卻不簡潔在市場購得。幾種芯片相比較，TMS320VC5402芯片的價格最低，單指令周期最高可達(dá)10ns，運(yùn)算實(shí)力為100MIPS。由于本系統(tǒng)的程序并不困難，除了采集信號時須要數(shù)據(jù)的實(shí)時操作，之后完全可以通過分批調(diào)用外部數(shù)據(jù)空間中的數(shù)據(jù)來進(jìn)行程序的操作，因此，只要系統(tǒng)適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展肯定的外部存儲空間，片內(nèi)16K的RAM和4K的ROM足夠滿足本系統(tǒng)的功能要求。而且，TMS320VC5402芯片在正常工作時功耗只有60～70mW。軟件可編程鎖相環(huán)在CPU不工作時，可以降低時鐘頻率，從而可降低功耗，而正常工作時，又可很快提升時鐘頻率；軟件可以利用空閑指令（IDLE1、IDLE2、IDLE3）將TMS320VC5402置于省電模式；片內(nèi)的軟等待狀態(tài)發(fā)生器和DMA通道等外設(shè)，為硬件調(diào)試和軟件編程帶來了極大的便利。綜上緣由，最終選擇TMS320VC5402型DSP芯片作為本系統(tǒng)的CPU。2.2.3TMS320VC5402介紹（1）概述TMS320VC5402DSP具有很高操作敏捷性和速度。它具有先進(jìn)的修正哈弗結(jié)構(gòu)（一條程序總線、三條數(shù)據(jù)總線和四條地址總線）、特地硬件邏輯的CPU、片內(nèi)存儲器、片內(nèi)外設(shè)和專用的指令集、將VC5402DSP的CPU和片內(nèi)存儲器與外設(shè)配置組合在一起的螺旋結(jié)構(gòu)。使得它可以滿足電子市場眾多領(lǐng)域的應(yīng)用要求。VC5402DSP具有以下優(yōu)點(diǎn)：增加的哈弗結(jié)構(gòu)。具有一條程序總線、三條數(shù)據(jù)總線和四條地址總線，是系統(tǒng)的性能大大增加。具有高度平行和帶有特地硬件邏輯的先進(jìn)CPU設(shè)計。為快速算法二設(shè)計的高度專用的指令系統(tǒng)以及優(yōu)化的高級語言開發(fā)系統(tǒng)。模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。高性能和低功耗的先進(jìn)IC工藝技術(shù)。新的靜電設(shè)計結(jié)構(gòu)而獲得的低功耗和增加的抗輻射實(shí)力。（2）特點(diǎn)VC5402DSP是為實(shí)現(xiàn)低功耗、高性能而特地設(shè)計的定點(diǎn)DSP芯片，其主要特點(diǎn)包括：1）CPU采納先進(jìn)的多總線結(jié)構(gòu)（一條程序總線、三條數(shù)據(jù)總線和四條地址總線）。40位算術(shù)邏輯單元（ALU),包括一個40位的桶式移位器和兩個獨(dú)立的40位累加器。17位×17位并行乘法器和一個40位專用的加法器，用于非流水線的單周期乘法/累加（MAC）操作。比較、選擇、存儲單元（CSSU），用于維特比算子的加法/比較選擇。指數(shù)編譯器E，用來在一個單周期內(nèi)計算一個40位累加器中數(shù)值的指數(shù)。兩個地址產(chǎn)生器，包括八個協(xié)助寄存器和兩個協(xié)助寄存器算術(shù)單元。2）存儲器192K字×16位可尋址的存儲器空間（64K字的程序空間、64K字的數(shù)據(jù)空間和64K字的I/O），對于VC5402可以擴(kuò)展程序空間位8M字。片內(nèi)配置見表2-2表2-2VC5402DSP的內(nèi)部配置（單位：K字）芯片程序ROM程序/數(shù)據(jù)ROMDARAMSARAMC540244160指令集單指令重復(fù)和塊重復(fù)操作。用于程序和數(shù)據(jù)管理的塊存儲器移動指令。32位長操作數(shù)指令。2或3哥操作數(shù)同時讀的指令。具有并行存儲和并行加載的算術(shù)指令。條件存儲指令。從中斷快速返回片內(nèi)外設(shè)軟件可編程的等待狀態(tài)發(fā)生器可編程的存儲器轉(zhuǎn)換。具有內(nèi)部振蕩器或外部時鐘源的片內(nèi)鎖相環(huán)（PLL）時鐘發(fā)生器。當(dāng)時用外部時鐘源時，可以從表2-3中的選項(xiàng)中選擇倍頻值，每種器件只能從表中的某一個選項(xiàng)中選擇時鐘PLL倍頻，而不能同時從兩個選項(xiàng)中選擇。表2-3運(yùn)用外部時鐘時的可選PLL倍頻值選項(xiàng)1選項(xiàng)2選項(xiàng)31.01.52.03.01.04.04.55.0軟件可編程PLL外部總線關(guān)限制刻禁止外部數(shù)據(jù)總線、地址總線和限制信號。具有總線保持器特性的數(shù)據(jù)總線。可編程的定時器。端口，見表2-4所示

表2-4VC5402DSP的端口配置數(shù)量芯片主機(jī)端口接口串行接口數(shù)量同步緩沖多通道緩沖時分復(fù)用VC540210020周期VC5402DSP具有25/20/15/12.5/10/6.25ns單周期、定點(diǎn)指令執(zhí)行周期，具體可參考相關(guān)的器件手冊。電源可用IDLE1、IDLE2和IDLE3指令來限制功耗，以工作在節(jié)電方式。限制可以禁止CLKOUT信號。仿真標(biāo)準(zhǔn)VC5402DSP的仿真標(biāo)準(zhǔn)符合IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)。圖2-1TMS320VC5402的典型結(jié)構(gòu)框圖內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)C5402DSP的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)包括如下功能單元：中心處理單元（CPU）?？梢赃M(jìn)行高速并行運(yùn)算和邏輯處理。內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)。有八條16位總線，包括四條程序/數(shù)據(jù)總線和四條地址總線，因此，可以在每個指令周期內(nèi)產(chǎn)生兩個數(shù)據(jù)存儲地址，大大提高了并行數(shù)據(jù)處理速度。特殊功能寄存器。共有26個特殊功能寄存器，用于對片內(nèi)個功能模塊進(jìn)行限制、訪問和其他管理。這些寄存器位于一個具有特殊功能的CPU映射存儲區(qū)內(nèi)。數(shù)據(jù)存儲RAM。片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲空間RAM分成兩類：一類是每個指令周期內(nèi)可以進(jìn)行兩次存取操作的雙訪問RAM(DARAM)；另一類是每個指令周期只能進(jìn)行一次存取操作的單訪問(SARAM)。程序存儲器ROM。片內(nèi)程序存儲器有片內(nèi)ROM、雙訪問RAM(DARAM)、單訪問RAM(SARAM)、雙訪問和單訪問可共享的RAM（可通過軟件配置為程序存儲空間）。程序空間不僅定義在ROM上，也可以定義在RAM中。當(dāng)須要高速運(yùn)行的程序時，可以應(yīng)用自動加載的方法，講程序載入片內(nèi)RAM，提高運(yùn)行效率，降低對外部ROM的速度要求。I/O端口。只有兩個通用I/O,即EQ\*jc2\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(———),BIO)和XF。為了訪問更過的通用I/O,可以對主機(jī)通信并行接口和同步串行接口進(jìn)行配置，以用作通用I/O。另外，還可以擴(kuò)展外部I/O，可以訪問64K字的I/O，外部I/O必需運(yùn)用緩沖或鎖存電路，協(xié)作外部I/O讀寫限制時序構(gòu)成外部I/O的限制電路。主機(jī)通信接口（HPI)。HPI供應(yīng)與主機(jī)處理器接口的并行接口。通過片內(nèi)存儲器實(shí)現(xiàn)DSP和主處理器之間的信息交換。串行接口。DSP的串行接口隨期間的不同而不同，可分為四種：同步串行接口、帶緩沖的同步接口（BSP）、多通道帶緩沖的串行接口（McBSP）和時分復(fù)用（TDM）串行接口。定時器。DSP具有一個帶4位預(yù)定標(biāo)器的16位定時電路。定時器可以由特地的狀態(tài)位編程實(shí)現(xiàn)停止、重啟動、復(fù)位和靜止。定時器計數(shù)器每次減到0，則產(chǎn)生一個定時中斷。在每個CLKOUT周期，定時器計數(shù)器削減1。中斷系統(tǒng)。DSP的中斷可以由硬件驅(qū)動（硬件中斷）或軟件驅(qū)動（軟件中斷）。當(dāng)中斷產(chǎn)生后，DSP會掛起它的主程序，而執(zhí)行中斷服務(wù)程序（ISR）。一般的，中斷由須要取數(shù)據(jù)或給數(shù)據(jù)的硬件器產(chǎn)生（例如ADC、DAC和其他處理器）。（4）CPU模式選擇CPU通常狀況下可以依據(jù)用戶需求工作在不同的模式下，主要用MP/的電平來確定。當(dāng)MP/為高電平常，DSP工作在微處理器模式，當(dāng)MP/為低電平常。DSP工作在為計算機(jī)方式。在不同模式下存儲器映射表有所不同。具體信息請查閱相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊。

3系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計3.1硬件開發(fā)軟件簡介3.1.1Protel99組成1）原理圖設(shè)計系統(tǒng)原理圖設(shè)計系統(tǒng)是用于原理圖設(shè)計的Advanced

Schematic系統(tǒng)。這部分包括用于設(shè)計原理圖的原理圖編輯器Sch以及用于修改、生成零件的零件庫編輯器SchLib。2）印刷電路板設(shè)計系統(tǒng)印刷電路板設(shè)計系統(tǒng)是用于電路板設(shè)計的Advanced

PCB。這部分包括用于設(shè)計電路板的電路板編輯器PCB以及用于修改、生成零件封裝的零件封裝編輯器PCBLib。3）信號模擬仿真系統(tǒng)信號模擬仿真系統(tǒng)是用于原理圖上進(jìn)行信號模擬仿真的系統(tǒng)。4）可編程邏輯設(shè)計系統(tǒng)

Protel99內(nèi)置編輯器可編程邏輯設(shè)計系統(tǒng)是基于CUPL的集成于原理圖設(shè)計系統(tǒng)的PLD設(shè)計系統(tǒng)。這部分包括用于顯示、編輯文本的文本編輯器Text和用于顯示、編輯電子表格的電子表格編輯器Spread。3.1.2Protel99的主要特性如下：Protel99系統(tǒng)針對Windows

NT4/9X作了純32位代碼優(yōu)化，使得Protel99設(shè)計系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定而且高效。SmartTool（智能工具）技術(shù)將全部的設(shè)計工具集成在單一的設(shè)計環(huán)境中。SmartDoc（智能文檔）技術(shù)將全部的設(shè)計數(shù)據(jù)文件儲存在單一的設(shè)計數(shù)據(jù)庫中，用設(shè)計管理器來統(tǒng)一管理。設(shè)計數(shù)據(jù)庫以.ddb為后綴方式，在設(shè)計管理器中統(tǒng)一管理。

運(yùn)用設(shè)計管理器統(tǒng)一管理的文檔是在Protel99中新提出來的，以前版本中沒有。SmartTeam（智能工作組）技術(shù)能讓多個設(shè)計者通過網(wǎng)絡(luò)平安地對同一設(shè)計進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計，再通過工作組管理功能將各個部分集成到設(shè)計管理器中。PCB自動布線規(guī)則條件的復(fù)合選項(xiàng)極大的便利了布線規(guī)則的設(shè)計。用在線規(guī)則檢查功能支持集成的規(guī)則驅(qū)動PCB布線。繼承的PCB自動布線系統(tǒng)最新的運(yùn)用了人工智能技術(shù)，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊專家系統(tǒng)、模糊理論和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，即使對于很困難的電路板其布線結(jié)果也能達(dá)到專家級的水平。對印刷電路板設(shè)計時的自動布局采納兩種不同的布局方式，即Cluster

Placer（組群式）和基于統(tǒng)計方式（Statistical

Placer）。

在以前版本中只供應(yīng)了基于統(tǒng)計方式的布局。Protel99新增加了自動布局規(guī)則設(shè)計功能，Placement標(biāo)簽頁是在Protel99中新增加的，用來設(shè)置自動布局規(guī)則。增加的交互式布局和布線模式，包括“Push-and-shove”（推擠）。電路板信號完整性規(guī)則設(shè)計和檢查功能可以檢測出潛在的阻抗匹配、信號傳播延時和信號過載等問題。Signal

Integrity標(biāo)簽頁也是在Protel99中新增加的，用來進(jìn)行信號完整性的有關(guān)規(guī)則設(shè)計。零件封裝類生成器的引入改進(jìn)了零件封裝的管理功能。廣泛的集成向?qū)Чδ芤龑?dǎo)設(shè)計人員完成困難的工作。原理圖到印刷電路板的更新功能加強(qiáng)了Sch和PCB之間的聯(lián)系。完全支持制版輸出和電路板數(shù)控加工代碼文件生成?？梢酝ㄟ^Protel

Library

Development

Center升級廣泛的器件庫?？梢杂脴?biāo)準(zhǔn)或者用戶自定義模板來生成新的原理圖文件。集成的原理圖設(shè)計系統(tǒng)收集了超過60000元器件。通過完整的SPICE

3f5仿真系統(tǒng)可以在原理圖中干脆進(jìn)行信號仿真?？梢赃x擇超過60中工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)電路板布線模板或者用戶可以自己生成一個電路板模板。Protel99開放的文檔功能使得用戶通過API調(diào)用方式進(jìn)行三次開發(fā)。集成的（Macro）宏編程功能支持運(yùn)用Client

Basic編程語言。3.2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)中，DSP芯片TMS320VC5402是整個系統(tǒng)的核心，它擔(dān)當(dāng)著信號的采集，數(shù)據(jù)的算法實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)上傳，以及對系統(tǒng)各部分模塊的工作狀況進(jìn)行協(xié)調(diào)和限制的作用。系統(tǒng)硬件主要由6大部分組成：1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)—晶閘管，2）溫度采集處理器，3）DSP處理器，4）被控對象—電熱杯，5）顯示器，6）串行通信，系統(tǒng)的硬件總體框圖如下圖所示。顯示顯示電熱杯溫度采集處理電路DSP晶閘管串行通信圖3-1系統(tǒng)的硬件總體框圖下面，將具體講解并描述各部分的硬件電路設(shè)計。3.3電源模塊和復(fù)位電路的設(shè)計3.3.1電源模塊的設(shè)計系統(tǒng)中的各器件對于各自的供電電源有著不同的須要，單是TMS320VC5402芯片的電源電壓就有3.3V和1.8V兩種：3.3V電壓供I/O接口運(yùn)用；1.8V電源主要供應(yīng)器件（包括CPU和其他全部的外設(shè)邏輯）的內(nèi)部電壓（清源科技，2003）?？偨Y(jié)后發(fā)覺，系統(tǒng)須要同時存在1.8V、3.3V以及5V幾種供電電壓。而且，5V電壓還分為數(shù)字5V以及模擬±5V電壓，3.3V電壓也分為模擬和數(shù)字兩種。本系統(tǒng)主電源采納+5V單電源供電，利用73HD735芯片來產(chǎn)生3.3V與1.8V電源。電源模塊的電路如圖3-2所示。圖3-2電源模塊原理圖3.3.2電源監(jiān)測和復(fù)位電路的設(shè)計系統(tǒng)要求同時存在幾種供電電源，尤其是電路的核心器件TMS320VC5402芯片自己就須要1.8V和3.3V兩種電源，因此任何一個電源的不穩(wěn)定都將影響系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)甚至造成系統(tǒng)損壞。為了有效愛護(hù)電路，采納TPS3307—18芯片來監(jiān)督系統(tǒng)各電源電壓。TPS3307系列芯片是特地為DSP等多電壓要求芯片所設(shè)計的低功耗供電電壓狀態(tài)監(jiān)測芯片。TPS3307——18芯片可以同時監(jiān)測3.3V/1.8V/可調(diào)電壓三個獨(dú)立的大于1.25V的系統(tǒng)供電電壓。當(dāng)系統(tǒng)中任何一個供電電壓超過正常電壓允許范圍時，TPS3307——18芯片的引腳變?yōu)楦唠娖?，引腳變?yōu)榈碗娖?，直到供電電壓?fù)原正常才復(fù)原默認(rèn)狀態(tài)。為確保目標(biāo)系統(tǒng)正確復(fù)位，每次復(fù)位引腳被激活后，TPS3307——18芯片還供應(yīng)200ms的延時時間保持復(fù)位引腳的狀態(tài)不變[13]。本系統(tǒng)的復(fù)位電路原理圖如圖3-3所示：引腳連接到DSP芯片的腳，一旦電壓不穩(wěn)定就會促使DSP芯片復(fù)位，這樣，TPS3307——18芯片就可以有效愛護(hù)DSP芯片不會因?yàn)殡妷翰环€(wěn)定而被損壞。另外，TPS3307——18芯片的引腳連接到A/D芯片的引腳和串并轉(zhuǎn)換芯片SST16C550的引腳上，這樣，在DSP芯片復(fù)位的同時，也會復(fù)位SST16C550芯片，并將A/D芯片調(diào)整成掉電模式，這就禁止了系統(tǒng)其它主要模塊的工作，使得整個系統(tǒng)全部復(fù)位。圖3-3復(fù)位電路原理圖圖3-3復(fù)位電路原理圖TPS3307—18芯片也可以手動調(diào)整復(fù)位。手動調(diào)整方法為：當(dāng)按鍵S1按下時，引腳變?yōu)榈碗娖?，激活引腳和引腳有效，強(qiáng)制系統(tǒng)復(fù)位。3.4模擬信號采集及A/D轉(zhuǎn)換電路圖3-4數(shù)據(jù)信號采集、處理框圖3.4.1模擬信號采集圖3-5傳感器采集溫度數(shù)據(jù)圖3-6信號放大處理3.4.2模/數(shù)轉(zhuǎn)電路的設(shè)計模數(shù)轉(zhuǎn)換[14]芯片選用AD7822[15]，單極性輸入，采樣辨別率8BIT，并行輸出；內(nèi)含取樣保持電路，以及可選擇運(yùn)用內(nèi)部或外部參考電壓源，具有轉(zhuǎn)換后自動Power-Down的模式，電流消耗可降低至5μA以下。轉(zhuǎn)換時間最大為420ns，SNR可達(dá)48dB，INL及DNL都在±0.75LSB以內(nèi)?？蓱?yīng)用在數(shù)據(jù)采樣、DSP系統(tǒng)及移動通信等場合。在本試驗(yàn)系統(tǒng)中，參考電壓源+2.5V,偏置電壓輸入引腳Vmid=+2.5V。模擬輸入信號經(jīng)過運(yùn)放處理后輸入AD7822。3.4.3ADS7822的功能特點(diǎn)ADS7822是美國BB公司推出的一種高性能12位A/D轉(zhuǎn)換器,他具有如下特點(diǎn):1)采樣速率可達(dá)75kHz;2)單電源供電,可以在2.0～5.0V的電源電壓下工作,范圍廣;3)微功耗:采樣速率75kHz時為0.54mW;7.5kHz時為0.06mW;掉電模式時,最大電流為3μA;4)體積小,有8腳DIP,SOIC及MSOP封裝;5)模擬信號可單端或差分輸入;6)采納串行方式和與CPU相連。下圖所示為ADS7822的引腳排列圖。圖3-7ADS7822引腳排列圖因此,低電壓、微功耗、結(jié)構(gòu)簡潔和體積小的特點(diǎn)使其特殊適用于電池供電和其他須要微功耗的工作系統(tǒng),如便攜式智能儀器、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、隔離數(shù)據(jù)采集、傳感器接口單元等。下表對各引腳的功能進(jìn)行了描述。

表3-1ADS7822引腳功能描述引腳符號功能描述12345678Vref+In-InGNDEQ\*jc2\*"Font:TimesNewRoman"\*hps6\o\ad(\s\up6(——),CS)/SHDNDoutDCLOCK+VCC參考電壓輸入端。模擬信號輸入同相端。模擬信號輸入反相端,與地或遠(yuǎn)端傳感信號參考點(diǎn)相連。電源地。片選端。低電平常片選有效;高電平常芯片工作在掉電模式。串行數(shù)據(jù)輸出端。串行輸出數(shù)據(jù)由12位組成。轉(zhuǎn)換時,數(shù)據(jù)在DCLOCK的下降沿有效,在CS下降沿后的其次個時鐘脈沖允許串行數(shù)據(jù)輸出,經(jīng)一個無效位后輸出的是12位有效數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)時鐘端。同步串行數(shù)據(jù)發(fā)送并確定轉(zhuǎn)換速率。供電電源端。表3-2AD7822編碼表引腳說明VinVref/2VrefVref+Verf/2D7~D0000000001000000011111111系統(tǒng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換原理圖見3-8所示。圖3-8模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖圖3-9電平轉(zhuǎn)換電路原理圖3.5DSP的外部存儲器擴(kuò)展圖3-10外擴(kuò)RAM的接口電路原理圖3.6溫度限制模塊系統(tǒng)采納雙向可控硅，可在任何一個方向?qū)?，是一種志向的溝通開光限制器。溫度限制的可控硅限制電路如下：4321腳和5腳不接可控硅驅(qū)動4321腳和5腳不接可控硅驅(qū)動圖3-11溫度限制模塊原理圖3.6.1MOC3021的功能特點(diǎn)特征：良好的穩(wěn)定性-低等級IR二極管高阻抗電壓-最小電壓有效值5300VAC試驗(yàn)室（UL）認(rèn)證-#E90700文件模塊化峰值電壓-400VVED認(rèn)證（#94766文件）圖3-12MOC3021引腳排列3.6.2BT137的功能特點(diǎn)圖3-13BT137表3-3BT137引腳說明引腳描述123tab主極1主極2門極主極2

4PID算法4.1對象分析對于水溫是一個非線性對象，具有大慣性的特點(diǎn)，在低溫段慣性大，在高溫段慣性小。由于水溫限制系統(tǒng)又為大滯后的系統(tǒng)，一般可認(rèn)為其具有以下的傳遞函數(shù)形式：G(s)=(K/(Ts+1))e―τs(4-1)脈寬調(diào)制（PWM）[17]是一種調(diào)制或變更某個方波的簡潔方法。它通過在一個固定周期內(nèi)變更方波的占空比來進(jìn)行調(diào)制，方波占空比基本形式是隨輸入信號變更的。4.2PID算法概述PID限制器（按閉環(huán)系統(tǒng)誤差的比例、積分和微分進(jìn)行限制的調(diào)整器）自30年頭末期出現(xiàn)以來，在工業(yè)限制領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。它的結(jié)構(gòu)簡潔，參數(shù)易圖4-1模擬PID限制于調(diào)整，在長期應(yīng)用中已積累了豐富的閱歷。特殊是在工業(yè)過程限制中，由于被限制對象的精確的數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)常常發(fā)生變更，運(yùn)用限制理論分析綜合不僅要耗費(fèi)很大代價，而且難以得到預(yù)期的限制效果。在應(yīng)用計算機(jī)實(shí)現(xiàn)限制的系統(tǒng)中，PID很簡潔通過編制計算機(jī)語言實(shí)現(xiàn)[16]。由于軟件系統(tǒng)的敏捷性，PID算法可以得到修正和完善，從而使數(shù)字PID具有很大的敏捷性和適用性。實(shí)現(xiàn)PID限制的計算機(jī)限制系統(tǒng)如圖4-1所示，其中數(shù)字PID限制器是由軟件編程在計算機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的。PID有幾個重要的功能：供應(yīng)反饋限制；通過積分作用可以消退穩(wěn)態(tài)誤差；通過微分作用預(yù)料將來。具體分析如下：比例調(diào)整作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)整馬上產(chǎn)生調(diào)整作用用以削減偏差。比例作用大，可以加快調(diào)整，削減誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)整作用：是使系統(tǒng)消退穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)整就進(jìn)行，直至無差，積分調(diào)整停止，積分調(diào)整輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti越小，積分作用就越強(qiáng)。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調(diào)整可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)整規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)整器或PID調(diào)整器。但誤差較大時，系統(tǒng)簡潔出現(xiàn)積分飽和，從而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)很大的超調(diào)量甚至出現(xiàn)失控現(xiàn)象。微分調(diào)整作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變更率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變更的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的限制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)整作用消退。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適狀況下，可以削減超調(diào)，削減調(diào)整時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強(qiáng)的加微分調(diào)整，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變更率，而當(dāng)輸入沒有變更時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)運(yùn)用，須要與另外兩種調(diào)整規(guī)律相結(jié)合，組成PD或PID限制器。4.2.1增量式PID算法PID限制器是一種線性調(diào)整器，這種調(diào)整器是將系統(tǒng)的給定值r與實(shí)際輸出值y構(gòu)成的限制偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D），通過線性組合構(gòu)成限制量，所以簡稱PID限制器。連續(xù)限制系統(tǒng)中的模擬PID限制規(guī)律為：（4-2）式中是限制器的輸出，是系統(tǒng)給定量與輸出量的偏差，是比例系數(shù)，是積分時間常數(shù)，是微分時間常數(shù)。其相應(yīng)傳遞函數(shù)為：（4-3）注：各符號含義如下：-限制器的輸出值。-限制器輸入與設(shè)定值之間的誤差。-積分時間常數(shù)。-微分時間常數(shù)。-調(diào)整周期。對于增量式算法，可以選擇的功能有：比例調(diào)整器、積分調(diào)整器和微分調(diào)整器的作用：1）比例調(diào)整器：比例調(diào)整器對偏差是即時反應(yīng)的，偏差一旦出現(xiàn)，調(diào)整器馬上產(chǎn)生限制作用，使輸出量朝著減小偏差的方向變更，限制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)。比例調(diào)整器雖然簡潔快速，但對于系統(tǒng)響應(yīng)為有限值的限制對象存在靜差。加大比例系數(shù)可以減小靜差，但是，過大時，會使系統(tǒng)的動態(tài)質(zhì)量變壞，引起輸出量振蕩，甚至導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。2）比例積分調(diào)整器：為了消退在比例調(diào)整中的殘余靜差，可在比例調(diào)整的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)整。積分調(diào)整具有累積成分，只要偏差不為零，它將通過累積作用影響限制量，從而減小偏差，直到偏差為零。假如積分時間常數(shù)大，積分作用弱，反之為強(qiáng)。增大將減慢消退靜差的過程，但可減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性。引入積分詞節(jié)的代價是降低系統(tǒng)的快速性。3）比例積分微分調(diào)整器：為了加快限制過程，有必要在偏差出現(xiàn)或變更的瞬間，按偏差變更的趨向進(jìn)行限制，使偏差殲滅在萌芽狀態(tài)，這就是微分調(diào)整的原理。微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。由于計算機(jī)系統(tǒng)是一種采樣限制系統(tǒng)，只能依據(jù)采樣時刻的偏差值計算限制量，因此，利用外接矩形法進(jìn)行數(shù)值積分，一階后向差分進(jìn)行數(shù)值微分，當(dāng)采樣周期為T時，（4-4）假如采樣周期足夠小，這種離散靠近相當(dāng)精確。上式中為全量輸出，它對應(yīng)于被控對象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)第i次采樣時刻應(yīng)達(dá)到的位置，因此，上式稱為PID位置型限制算式?？梢钥闯?，按上式計算時，輸出值與過去全部狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)須要的不是限制量的肯定數(shù)值，而是其增量時，可導(dǎo)出下面的公式：（4-5）或（4-6）式5稱為增量型PID限制算式；式6稱為遞推型PID限制算式；增量型限制算式具有以下優(yōu)點(diǎn)：計算機(jī)只輸出限制增量，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變更部分，因而誤動作影響?。辉趇時刻的輸出，只需用到此時刻的偏差，以及前一時刻，前兩時刻的偏差、，和前一次的輸出值，這大大節(jié)約了內(nèi)存和計算時間；在進(jìn)行手動—自動切換時，限制量沖擊小，能夠較平滑地過渡；4.2.2PID在水溫中的限制圖4-2為典型的二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線。通常采納系統(tǒng)偏差與其變更率的乘積e×de/dt作為特征量，反映系統(tǒng)誤差的變更趨勢，在AB段，或CD段等，e×de／dt＞0，說明誤差正在增大；在BC段，或DE段等，e×de／dt＜0，表示誤差正在減小。在PID限制中利用該特征變量，可以使積分作用更加符合人的限制特征。事實(shí)上，限制系統(tǒng)中引入積分作用是削減系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的重要途徑，但這種積分限制作用也存在以下缺點(diǎn)：其一，積分限制作用針對性不強(qiáng)，甚至有時不符合限制系統(tǒng)的客觀須要；其二，只要有誤差存在就始終不斷進(jìn)行積分，導(dǎo)致“積分飽和”，降低系統(tǒng)的快速性；其三，積分參數(shù)不易選擇，而選擇不當(dāng)往往導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。人的記憶功能一般來說具有某種選擇性，而常規(guī)PID限制的積分作用對誤差信號的記憶中也包括了對限制不利的信息，缺乏智能性。圖2—3中，在AB段或CD段等，e×de／dt＞0，說明誤差正在增大，可考慮限制器實(shí)施PID作用，以使誤差肯定值朝減小方向變更，快速減小誤差的肯定值。在BC或DE段，e×de／dt＜0，說明誤差肯定值正在減小，可將PID限制器中積分作用去掉，停止積分，以利于系統(tǒng)借助于慣性向穩(wěn)態(tài)過渡。在時刻a，c，e，雖然e＝0，但de／dt≠0，說明系統(tǒng)誤差在某一時刻雖為零，但很快將變?yōu)椴黄胶鉅顟B(tài)，此時若停止積分作用，則調(diào)整器限制作用減弱，不利于系統(tǒng)剛好消退誤差。在f到g時刻，e×de／dt＝0，但｜e｜≠0，說明這段時間里系統(tǒng)偏差固定不變，也必需加上積分作用，盡快消退偏差。當(dāng)e＝e×de／dt＝0，分別積分作用。另外，水溫系統(tǒng)由于慣性大、拖延時間長，限制器輸出指令u（t）會常常處于飽和點(diǎn)。實(shí)際水溫信號低于設(shè)定值時，限制器輸出指令u（t）要求增加輸出量，由于拖延等因素的存在，往往使u（t）出現(xiàn)100％飽和。當(dāng)實(shí)際水溫信號回升時，指令u（t）仍在100％，只有當(dāng)實(shí)際水溫信號超過設(shè)定值時，輸出才從100％起先下降，由于存在慣性，水溫仍舊上升；要使輸出指令u（t）退出飽和點(diǎn)，經(jīng)驗(yàn)若干時間,水溫才起先下降，一旦低于設(shè)定值，又起先一個新的動作周期，使水溫在較大范圍內(nèi)波動。解決方法是在線監(jiān)測偏差變更率de／dt，依據(jù)de／dt的符號，在一個有限域內(nèi)確定設(shè)定值的跟蹤方向。調(diào)整系統(tǒng)在水溫狀態(tài)變更后，即發(fā)生限制作用，不完全依據(jù)設(shè)定值與被調(diào)量的偏差e來確定u（t）的增或減，就會取得一種較為合理的超前限制效果。例如，當(dāng)de／dt＞0時，設(shè)定值切換到有限域的下限，再加上PID，使u（t）盡快減小；反之，de／dt＜0時，設(shè)定值切換到上限，u（t）盡快增大。圖4-2典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線4.2.3數(shù)字PID限制器的參數(shù)整定在實(shí)際限制系統(tǒng)中，限制算式一旦確定，比例、積分和微分參數(shù)的整定就成為重要的工作。限制效果的好壞在很大程度上取決于這些參數(shù)選擇得是否得當(dāng)。關(guān)于PID限制參數(shù)整定方法有很多,主要有簡易工程整定法、頻率特性法、跟軌跡法和最優(yōu)化方法等，后三種方法屬于理論設(shè)計，要求已知被控對象的精確的數(shù)學(xué)模型，這在工業(yè)過程限制中較難作到。通常首先要對工業(yè)對象的動態(tài)特性作某種簡潔假設(shè)。因此，由這些整定方法得到的參數(shù)值在運(yùn)用時不肯定是最佳的，往往只作為參考值。在實(shí)時限制中，還要在這些值旁邊探究，找出好用中有效的最佳值。下面介紹幾種PID參數(shù)的工程整定法。PID參數(shù)整定的理論方法湊試法確定PID調(diào)整參數(shù)人們通過對PID限制理論的相識和長期人工操作閱歷的總結(jié)，可知PID參數(shù)應(yīng)依據(jù)以下幾點(diǎn)來適應(yīng)系統(tǒng)的動態(tài)過程。在偏差比較大時，為使盡快消退偏差，提高響應(yīng)速度，同時為了避開系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)超調(diào)，Kp取大值，KI取零；在偏差比較小時，為接著減小偏差，并防止超調(diào)過大、產(chǎn)生振蕩、穩(wěn)定性變壞，Kp值要減小，KI取小值；在偏差很小時，為消退靜差，克服超調(diào)，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，Kp值接著減小，KI值不變或稍取大。當(dāng)偏差與偏差變更率同號時，被控量是朝偏離既定值方向變更。因此，當(dāng)被控量接近定值時，反號的比例作用阻礙積分作用，避開積分超調(diào)及隨之而來的振蕩，有利于限制；而當(dāng)被控量遠(yuǎn)未接近各定值并向定值變更時，則由于這兩項(xiàng)反向，將會減慢限制過程。在偏差比較大時，偏差變更率與偏差異號時，Kp值取零或負(fù)值，以加快限制的動態(tài)過程。偏差變更率的大小表明偏差變更的速率，偏差變更率EC越大，Kp取值越小，KI取值越大，反之亦然。同時，要結(jié)合偏差大小來考慮。微分作用可改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，阻擋偏差的變更，有助于減小超調(diào)量δp，消退振蕩，縮短調(diào)整時間ts，允許加大Kp，使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高限制精度，達(dá)到滿足的限制效果。所以，在e比較大時，KD取零，實(shí)際為PI限制；在e比較小時，KD取一正值，實(shí)行PID限制。值得一提的是，PID三個參數(shù)可以相互補(bǔ)償，即某一個參數(shù)的減小可由其他參數(shù)增大或減小來補(bǔ)償。因此用不同的整定參數(shù)完全可以得到相同的限制效果，這也確定了PID限制器參數(shù)選取的非唯一性。另外，對無自平衡實(shí)力的對象，則不應(yīng)包含積分環(huán)節(jié)，即只可用比例或比例微分限制器。在實(shí)時限制過程中，只要被控對象的主要性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求，就可以選定相應(yīng)的限制器參數(shù)為最終參數(shù)。目前，工程上仍廣泛運(yùn)用試驗(yàn)方法和閱歷方法來整定PID的調(diào)整參數(shù)，稱為PID參數(shù)的工程整定方法。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于整定參數(shù)不必依靠被控對象的數(shù)學(xué)模型。簡易工程整定法是由經(jīng)典的頻率法簡化而來的，雖然粗糙一點(diǎn)，但是簡潔易行，適于現(xiàn)場的實(shí)時限制應(yīng)用。如擴(kuò)充臨界比例度法、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法。4.2.4PID限制算法應(yīng)留意的幾個問題任何一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)都存在一個線性工作區(qū)。在此線性區(qū)內(nèi)，它可以線性地跟蹤限制信號，而當(dāng)限制信號過大，超過這個線性區(qū)，就進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū)，其特性將變成非線性特性。同時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)還存在著肯定的阻尼和慣性，對限制信號的響應(yīng)速度受到了限制。因此，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性也存在一個線性工作區(qū)。限制信號的變更率過大也會使執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入非線性區(qū)。前述標(biāo)準(zhǔn)PID位置式算法中積分項(xiàng)限制作用過大將出現(xiàn)積分飽和，增量式算法中微分項(xiàng)和比例項(xiàng)限制作用過大將出現(xiàn)微分飽和，都會使執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入非線性區(qū)，從而使系統(tǒng)出現(xiàn)過大的超調(diào)和持續(xù)振蕩，動態(tài)品質(zhì)變壞。為了克服以上兩種飽和現(xiàn)象，避開系統(tǒng)的過大超調(diào)，使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)指標(biāo)，必需使PID限制器輸出的限制信號受到約束，即對標(biāo)準(zhǔn)的PID限制算法進(jìn)行改進(jìn)，并主要是對積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的改進(jìn)。

5系統(tǒng)的軟件設(shè)計想要依據(jù)我們的想法來完成系統(tǒng)的功能，僅有肯定的硬件資源是不夠的，還須要對DSP進(jìn)行軟件設(shè)置。程序的設(shè)計和調(diào)試是在CCS（代碼設(shè)計編譯器，CodeComposerStudio）軟件上完成的。CCS是一種能夠依據(jù)規(guī)則自動編譯標(biāo)準(zhǔn)代碼以完成例如編譯、下載以及運(yùn)行程序等功能的集成化軟件(TrimbornMichael)。由于本系統(tǒng)中須要DSP處理的事務(wù)比較繁雜，因此軟件采納了模塊化設(shè)計方法，即將整個軟件部分分成多個子塊，每一塊進(jìn)行單獨(dú)的編程、測試，然后再把各個模塊連接起來，進(jìn)行總體調(diào)試。程序的編寫采納了匯編語言與C語言[18]的混合編程。實(shí)踐證明，該方法行之有效，明顯的提高了軟件的設(shè)計效率。在對TMS320VC5402芯片進(jìn)行編寫程序的過程中，有一點(diǎn)是須要特別留意的，那就是：TMS320VC5402芯片是定點(diǎn)DSP芯片，其操作數(shù)一般采納整形數(shù)來表示，它是利用數(shù)的定標(biāo)即Q值來確定其數(shù)據(jù)值的，并且其精度與數(shù)值范圍是成反比關(guān)系的。浮點(diǎn)數(shù)與定點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)化關(guān)系如式4-1、4-2所示。浮點(diǎn)數(shù)（）轉(zhuǎn)化為定點(diǎn)數(shù)（）：（5-1）定點(diǎn)數(shù)（）轉(zhuǎn)化為浮點(diǎn)數(shù)（）：（5-2）因此，在設(shè)計軟件的過程中，要依據(jù)預(yù)料的數(shù)據(jù)范圍來預(yù)先設(shè)定好數(shù)的定標(biāo)值以防數(shù)據(jù)計算錯誤。5.1設(shè)計工具--CCS簡介CCS是一種針對TMS320系列DSP的集成開發(fā)環(huán)境,在Windows操作系統(tǒng)下，采納圖形接口界面，供應(yīng)有環(huán)境配置、源文件編輯、程序調(diào)試、跟蹤和分析等工具。CCS有兩種工作模式，即軟件仿真器模式：可以脫離DSP芯片，在PC機(jī)上模擬DSP的指令集和工作機(jī)制，主要用于前期算法實(shí)現(xiàn)和調(diào)試。硬件在線編程模式：可以實(shí)時運(yùn)行在DSP芯片上,與硬件開發(fā)板相結(jié)合在線編程和調(diào)試應(yīng)用程序。CCS操作界面如下圖：圖5-1CCS開發(fā)環(huán)境5.1.1CCS的主要組成①TMS320C54x集成代碼產(chǎn)生工具；②CCS集成開發(fā)環(huán)境；③DSP/BIOS實(shí)時內(nèi)核插件及其應(yīng)用程序接口API；④實(shí)時數(shù)據(jù)交換的RTDX插件以及相應(yīng)的程序接口API；⑤由TI公司以外的第三方供應(yīng)的各種應(yīng)用模塊插件。圖5-2DSP開發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5.1.2CCS的主功能CCS的功能特別強(qiáng)大，它集成了代碼的編輯、編譯、鏈接和調(diào)試等諸多功能，而且支持C/C++和匯編的混合編程，其主要功能如下：①具有集成可視化代碼編輯界面，用戶可通過其界面干脆編寫C、匯編、d文件等；②含有集成代碼生成工具，包括匯編器、優(yōu)化C編譯器、鏈接器等，將代碼的編輯、編譯、鏈接和調(diào)試等諸多功能集成到一個軟件環(huán)境中；③高性能編輯器支持匯編文件的動態(tài)語法加亮顯示，運(yùn)用戶很簡潔閱讀代碼，發(fā)覺語法錯誤；④工程項(xiàng)目管理工具可對用戶程序?qū)嵭许?xiàng)目管理。在生成目標(biāo)程序和程序庫的過程中，建立不同程序的跟蹤信息，通過跟蹤信息對不同的程序進(jìn)行分類管理；⑤基本調(diào)試工具具有裝入執(zhí)行代碼、查看寄存器、存儲器、反匯編、變量窗口等功能，并支持C源代碼級調(diào)試；⑥斷點(diǎn)工具，能在調(diào)試程序的過程中，完成硬件斷點(diǎn)、軟件斷點(diǎn)和條件斷點(diǎn)的設(shè)置；⑦探測點(diǎn)工具，可用于算法的仿真，數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)視等；⑧分析工具，包括模擬器和仿真器分析，可用于模擬和監(jiān)視硬件的功能、評價代碼執(zhí)行的時鐘；⑨數(shù)據(jù)的圖形顯示工具，可以將運(yùn)算結(jié)果用圖形顯示,包括顯示時域/頻域波形、眼圖、星座圖、圖像等，并能進(jìn)行自動刷新；⑩供應(yīng)GEL工具。利用GEL擴(kuò)展語言，用戶可以編寫自己的限制面板/菜單，設(shè)置GEL菜單選項(xiàng)，便利直觀地修變更量，配置參數(shù)等；5.2DSP內(nèi)存單元的安排在編制DSP程序時，須要設(shè)定一些變量和堆棧，這會占用一部分內(nèi)存單元。另外，DSP上電后要將程序從外部存儲器加載到內(nèi)部RAM中，數(shù)據(jù)空間與程序空間共同處在DSP內(nèi)部RAM中。為了避開數(shù)據(jù)存儲區(qū)的沖突，首先須要對DSP內(nèi)部的RAM進(jìn)行規(guī)劃和安排。TMS320VC5402的內(nèi)部有一個16K×16bit的雙口RAM。在本系統(tǒng)中，確定將后面一部分作為程序單元，前面一部分作為數(shù)據(jù)單元。RAM存儲區(qū)各單元安排如下：中斷向量表：0xFF80～0xFFFF程序單元：0x2000～0x3FFF數(shù)據(jù)單元：0x0100～0x1FFF具體設(shè)置TMS320VC5402內(nèi)存單元安排的D程序編寫及注釋如下：-stack0x100MEMORY*定義系統(tǒng)的存儲器空間*/{PAGE0:PROG:origin=2b00h,length=1500hPAGE1:DATA:origin=0200h,length=1d00h}SECTIONS/*告知鏈接器如何將輸入段結(jié)合成輸出段，并告知鏈接器將*//*輸出段放在存儲器的何處*/{.text>PROGPAGE0.cinit>PROGPAGE0.switch>PROGPAGE0vect>3f80hPAGE0.data>DATAPAGE1.bss>DATAPAGE1.const>DATAPAGE1.sysmem>DATAPAGE1.stack>DATAPAGE1}5.3主限制程序軟件程序要使DSP芯片能夠指揮各部分電路有序的完成信號的采集、數(shù)據(jù)的處理以及數(shù)據(jù)通信工作。主限制程序的功能就是調(diào)用各個子程序模塊來實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。程序流程圖如圖5-1所示。voidmain(void){ cpu_init(); a0=Kp×(1.0+T/Ti+Td/T); a1=Kp×(1.0+2.0×Td/T); a2=Kp×Td/T; e0=e1=e2=y0=y1=y2=0; pw=2×10000×0.9;//0.1 nw=2×10000×0.1;//0.9 for(i=0;i<Len1;i++) {temp1[i]=0;} for(i=0;i<Len2;i++) {temp2[i]=0;} flagc=flagt=0; i=j=m=n=feedback=0; TIMER1=TIMER2=0; set_int(); for(;;) { /* if(flagt==1){asm("ssbxxf");} else{asm("rsbxxf");}*/ pw=pw+20000×deta;//10000 nw=nw-20000×deta;//10000 if(pw>=20000)pw=20000; if(nw>=20000)nw=20000; if(pw<=0)pw=0; if(nw<=0)nw=0; TEMPcontrol(); /* if(m>=1800){ pw=10000×1.0; nw=10000×0; } */ }}起先起先采集溫度數(shù)據(jù)Cpu起先工作Set_int起先工作PID運(yùn)算TEMPcontrol起先工作中斷vect等待加熱加熱完畢結(jié)束圖5-3主限制程序流程圖5.4系統(tǒng)的初始化系統(tǒng)的正常運(yùn)行須要首先將系統(tǒng)各模塊進(jìn)行初始化[19]。本系統(tǒng)的初始化包括以下幾個方面：·設(shè)定DSP芯片的工作時鐘。在本系統(tǒng)中，DSP芯片采納PLL模式（TranThanh,2004），外部時鐘輸入為10MHz，讓DSP芯片工作頻率為十倍輸入時鐘即10×10MHz=100MHz，DSP內(nèi)部時鐘配置為：CLKMD=0x9007（清源科技，2003）。·設(shè)置定時器中斷系數(shù)。因?yàn)橐獙Ω鱾€通道的同一時間信號進(jìn)行比較，所以對于時間的限制要求比較嚴(yán)格。定時器中斷時間由式5-3計算：TINTrate=（5-3）式中，tc(C)為CPU的時鐘周期，PRD為定時器周期值，TDDR為定時器分頻系數(shù)。對定時器的設(shè)置程序片段如下：voidset_int(){ asm("ssbxintm"); TCR0=0x0b1b; PRD0=0x9c3f;//0x4e1f; IMR=IMR|0x000c; IFR=IFR; TCR0=0x0b29; asm("rsbxintm");}在本系統(tǒng)中，這些寄存器的均被映射在DSP芯片內(nèi)的存儲器映射寄存器中。它們的地址分別是：RBR——port0008；THR——port0008；IER——port0009；IIR——port000a；FCR——port000a；LCR——port000b；MCR——port000c；LSR——port000d；MSR——port000e；SCR——port000f；DLL——port0008；DLM——port0009。表5-1ST16C550CQ芯片內(nèi)部寄存器寄存器DLABA2A1A0地址操作接收緩沖寄存器RHR發(fā)送緩沖寄存器THR中斷使能寄存器IER中斷標(biāo)記寄存器ISRFIFO限制寄存器FCR線路限制寄存器LCRMODEM限制寄存器MCR線路狀態(tài)寄存器LSRMODEM狀態(tài)寄存器MSR暫存寄存器SPR低位除數(shù)寄存器DLL高位除數(shù)寄存器DLM000XXXXXXX1100000011110000011100110000100101010100H00H01H02H02H03H04H05H06H07H00H01H只讀只寫讀/寫只讀只讀讀/寫讀/寫讀/寫讀/寫讀/寫讀/寫讀/寫具體設(shè)置程序段如下：#defineIMR*(pmem+0x0000)#defineIFR*(pmem+0x0001)#definePMST*(pmem+0x001D)#defineSWCR*(pmem+0x002B)#defineSWWSR*(pmem+0x0028)#defineAL*(pmem+0x0008)#defineCLKMD0x0058/*clockmodereg*//*timer0*/#defineTIM0*(pmem+0x0024)/*timer0register*/#definePRD0*(pmem+0x0025)/*timer0periodregister*/#defineTCR0*(pmem+0x0026)/*timer0controlregister*/voidcpu_init(){ *(unsignedint*)CLKMD=0x0;//switchtoDIVmodeclkout=1/2clkinwhile(((*(unsignedint*)CLKMD)&01)!=0);*(unsignedint*)CLKMD=0x27ff;//switchtoPLL PMST=0x3FA0; SWWSR=0x7fff; SWCR=0x0000; IMR=0; IFR=IFR;}5.5數(shù)據(jù)采集子程序在本系統(tǒng)中，由于每一次的數(shù)據(jù)采集是通過定時器1中斷的產(chǎn)生而進(jìn)行的，所以，數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)置為定時器1中斷子程序。程序片段如下：interruptvoidint1(){ data[cnt]=port8001; data[cnt]&=0x00FF; cnt++; if(cnt>=10){ cnt=0; }}5.6數(shù)據(jù)處理子程序進(jìn)行PID算法的實(shí)現(xiàn)，程序如下：interruptvoidtint0(){ TIMER1++; TIMER2++; if(TIMER1==50×5)/*1s=(1)PRD0=0x4e1f;(2)#0xf007,CLKMD(10MHz)(3)TIMER1==50)*/ { TIMER1=0; sort(data,10); average=sum_ave(&data[2],6); feedback=average; temp1[m]=feedback; m++; y2=y1; y1=y0; y0=feedback; e0=r-y0; e1=r-y1; e2=r-y2; duty=1.0/(2×(a0+a2)); deta=0.5×(a0×e0-a1×e1+a2×e2)×duty;//duty; } if(TIMER2==1500×5)/*30s*/ { if(n<Len2) { temp2[n]=feedback; feedback=TIMER2=0; n++; } } feedback=0;}5.7溫度限制執(zhí)行程序程序片段如下：voidTEMPcontrol(){ asm("ssbxxf"); for(i=0;i<pw;i++) { j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0; j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0; j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0; j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0; j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0; j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;