基于數(shù)字PID增量控制的恒溫晶體振蕩器

摘要：針對晶體時鐘振蕩器輸出頻率易受外界溫度變化影響的特點，設(shè)計了以MSP430F4618單片機為控制核心的恒溫晶體振蕩器。將高精度負溫度系數(shù)熱敏電阻作為傳感器對晶體溫度進行采樣，并采用精密放大器IAN330芯片對晶體溫度變化差值信號進行轉(zhuǎn)換并輸出至控制核心。輸出的信號經(jīng)12位A／D轉(zhuǎn)換后進行數(shù)字PID增量控制運算得到控制量增量，再通過12位D／A轉(zhuǎn)換輸出至DRV593芯片驅(qū)動半導體制冷片(TEC)對晶體溫度進行控制，并循環(huán)該過程使晶體振蕩器的工作溫度保持穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：恒溫；晶體振蕩器；MSP430F4618；PID

0 引言
PID(Proportional Integral Differential)控制器是按給定量與輸出量偏差的比例、積分、微分進行控制的調(diào)節(jié)器，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制效果好、魯棒性強等優(yōu)勢，是目前自動化控制技術(shù)中最穩(wěn)定的控制方法，同時在許多工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用，單片機、DSP、FPGA等處理器易于實現(xiàn)數(shù)字PID控制算法，從而取代了傳統(tǒng)的模擬PID控制器，使系統(tǒng)電路更簡單、精度更高、通用性更強。由于軟件程序的靈活性，使數(shù)字PID控制算法也變得豐富多樣，可以根據(jù)實際系統(tǒng)的情況，選擇適合的數(shù)字PID控制算法，數(shù)字PID控制算法通常分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，前一種算法所得到的控制量為全量輸出，每次運算都會對誤差進行累加，從而引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降；而后者輸出的則是控制量的增量，減小了累積誤差及精度問題對輸出控制量的影響。
恒溫晶體振蕩器(Oven Controlled Crystal Oseillator，OCXO)簡稱恒溫晶振，它在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用有著重要的意義，傳統(tǒng)的恒溫晶體振蕩器采用恒溫槽使晶體溫度保持恒定，為了靈活的控制晶體的輸出頻率及達到更高的穩(wěn)定性能，設(shè)計了基于數(shù)字PID增量控制算法的恒溫晶體振蕩器，并采用了TEC制冷技術(shù)，使晶體溫度的控制更加靈敏、準確和高效。

1 系統(tǒng)工作原理
整個系統(tǒng)對晶體溫度控制的總流程如圖1所示。基于TI公司MSP430單片機的優(yōu)點，系統(tǒng)控制核心選用MSP430F4618單片機，信號采集轉(zhuǎn)換部分使用了高精度的負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)與INA330芯片對晶體溫度偏差進行采集轉(zhuǎn)換，INA330芯片是基于10 kΩ熱敏電阻的溫度控制器，專為光網(wǎng)絡(luò)及醫(yī)學分析應(yīng)用中進行熱電冷卻控制設(shè)計的精密放大器，它只采用了一個10 kΩ精密電阻器R2和10 kΩ熱敏電阻R1，為傳統(tǒng)的橋式電路提供了替代方案。

在INA330芯片的兩個輸入端V1和V2加上1 V的激勵電壓后，將在熱敏電阻R1和精密電阻器R2上產(chǎn)生I1和I2電流，芯片內(nèi)部電流輸送電路輸出電流Io=I1-I2，該電流流經(jīng)外部增益電阻器R3，任何加至R3另一端的偏置電壓都與輸出電壓相加，所以總的輸出電壓可以表示為：
V0=(I1-I2)×R3+Va (1)
該輸出電壓送至MSP430F4618處理器，通過芯片內(nèi)部集成的12位A／D轉(zhuǎn)換器，使輸入的偏差模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過數(shù)字PID增量控制算法得到控制量增量，經(jīng)處理器內(nèi)部集成的12位D／A芯片轉(zhuǎn)換輸出，控制DRV593輸出PWM波驅(qū)動TEC對晶體進行加熱或制冷，圖中虛線表示TEC到熱敏電阻形成一個閉環(huán)負反饋，兩者在機械位置上是同晶體安裝在一起的，在電氣連接上是相互隔離的。在實際應(yīng)用中，晶體的實際溫度可以通過設(shè)置Va大小來進行控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
在原理圖的設(shè)計中，根據(jù)設(shè)計的原理及所需要實現(xiàn)的功能模塊，參考文獻，將總的硬件電路劃分為電源模塊、LCD顯示模塊、控制核心模塊、TEC驅(qū)動模塊、INA330控制模塊，鑒于設(shè)計電路的復雜性，硬件設(shè)計采用層次電路繪制原理圖，這樣可以比較清晰和簡單地繪制原理圖，再檢查和核對各模塊就顯得有章可循，整個控制系統(tǒng)的頂層原理圖如圖2所示。

在具體的硬件電路中，INA330芯片與熱敏傳感器共同構(gòu)成了晶體溫度誤差信號的轉(zhuǎn)換電路，控制核心電路則是MSP430F4618單片機的最小系統(tǒng)，該最小系統(tǒng)電路包括復位電路、電源電路、JTAG仿真接口、時鐘電路，其中MSP430F4618單片機采用直流3．3 V供電，LCD顯示采用段式液晶對晶體溫度值進行實時顯示，DRV593芯片及其外圍電路構(gòu)成TEC驅(qū)動電路，通過設(shè)置DRV593芯片的負端電壓，可以調(diào)節(jié)TEC加熱或冷卻的閾值，向DRV593芯片正電壓端輸入控制信號，可以間接控制晶體溫度，在整個系統(tǒng)中，控制核心模塊與其他外部模塊間數(shù)?；蚰?shù)信號轉(zhuǎn)變的參考電壓均使用單片機內(nèi)部提供的參考電壓。