基于DSP的加速度計溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

摘 要：文中采用 Texas Instrument(TI)公司的TMS320F240型DSP作為溫度控制系統(tǒng)的核心,完成系統(tǒng)4路溫度信號的采集、放大，數(shù)據(jù)送入DSP處理后輸出4路PWM控制信號，經(jīng)光電隔離和功率放大后控制加熱片的工作，從而實現(xiàn)加速度計溫度控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制,滿足系統(tǒng)的精度要求。
關(guān)鍵詞：加速度計；溫度控制；DSP；設(shè)計

1 引言
近年來，數(shù)字信號處理器(DSP)得到了高速發(fā)展，性價比不斷提高,廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域,例如通信、語音處理、圖像處理、模式識別及工業(yè)控制等方面，并且日益顯示出巨大的優(yōu)越性。數(shù)字信號處理器利用專門或者通用的數(shù)字信號處理電路，以數(shù)字計算的方法對信號進(jìn)行處理，具有處理速度快、靈活、精確、抗干擾能力強、體積小以及可靠性高的特點，可滿足對信號快速、精確、實時處理及控制的要求。文中以T1MS320F240型DSP為核心,設(shè)計了高精度的慣性導(dǎo)航加速計溫度控制系統(tǒng)。

2 TMS320F240系列的基本特征
TMS320F240將DSP的高速運算能力和高效控制能力集于一體,其主要特點如下：
(1)核心CPU包括32位的中央算術(shù)邏輯單元(CALU)、32位累加器、16位16位并行乘法器、3個定標(biāo)移位寄存器和8個16位輔助寄存器,指令周期為50 ns(20 MI／s)，多數(shù)指令為單周期指令；
(2)片內(nèi)帶有544 Bxl6位的數(shù)據(jù)／程序RAM和16 KBxl6位的掩模ROM或Flash EEPRClM,外部存儲器接口具有16位地址總線和16位數(shù)據(jù)總線,224 KBxl6位的最大可尋址寄存器空間：
(3)雙10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)雙路信號同時采樣，轉(zhuǎn)換時間可以根據(jù)需要編程設(shè)置．最短轉(zhuǎn)換時間為6．1 IJ,s；
(4)6個外部中斷，包括電源驅(qū)動保護(hù)中斷、復(fù)位、非屏蔽中斷NMI和3個可屏蔽中斷。

3 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
基于DSP設(shè)計的溫度控制器利用DSP強大的高速運算能力，以及其片內(nèi)集成的豐富的控制外圍部件和電路,從而簡化了電路的硬件設(shè)計,可以實現(xiàn)各種控制算法和控制策略,并通過異步串行通信接口來讀取用戶所需要的數(shù)據(jù),便于用戶分析實驗結(jié)果。此外，還具有脫離DSP的高溫硬件保護(hù)功能．可消除由于DSP系統(tǒng)意外失控所造成的系統(tǒng)超溫危險，提高了溫度控制系統(tǒng)工作的可靠性和使用安全性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3．1 信號采集及放大電路
信號采集電路是溫度控制系統(tǒng)的重要組成部分．其對溫度測量的精確性直接影響整個溫度控制系統(tǒng)的精度。故本系統(tǒng)選用性能穩(wěn)定的PT1000鉑熱電阻傳感器作為測量溫度信號的敏感元件。其阻值隨溫度的變化為：0℃時阻值為1 000Ω，溫度系數(shù)為3．84Ω℃。線性度小于0．5％。信號采集電路采用對稱的差動式電橋測量溫度信號，鉑熱電阻器Rt和精密電阻器R1、R2及R3組成測量電橋。X檢測為硬件保護(hù)電路的輸入信號，溫度信號采集及放大電路如圖2所示。

為了提高系統(tǒng)的采集精度，電橋采用美國模擬器件公司的高精度基準(zhǔn)電壓源AD586供電，并在其電橋前加一限流電阻RO使流過鉑熱電阻器Rt的電流小于10 mA。以盡量減小鉑熱電阻器在工作時產(chǎn)生的自身熱效應(yīng)對溫度采集的影響。當(dāng)溫度發(fā)生變化時，鉑熱電阻器Rt的阻值也隨之變化，電橋輸出信號經(jīng)運算放大器放大并經(jīng)過相應(yīng)的偏置處理后。使其電壓滿足DSP片內(nèi)AID轉(zhuǎn)換器的電壓輸入范圍0 V一5 V，以進(jìn)行AID轉(zhuǎn)換。

3．2 外部存儲器擴展
在溫度控制過程中，需要采集和處理大量的數(shù)據(jù)。TMS320F240固有的片上數(shù)據(jù)存儲器空間顯然不夠．而且。在調(diào)試系統(tǒng)時如果有外部存儲器，只需將程序通過仿真接口下載到外部存儲器中而不需要再燒寫到片內(nèi)的Rash中。這樣給程序調(diào)試帶來了方便．因此選用ISSI公司生產(chǎn)的IS61C6416型靜態(tài)存儲器來擴展外部存儲器。

IS61C6416是采用CMOS工藝制成的64 Kxl6bit靜態(tài)存儲器．采用44引腳貼片式封裝，5．0 V供電．輸入輸出電平與TTL電平相兼容，并具有高速的讀寫訪問時間和低功耗工作方式。表1為IS61C6416的工作方式真值表。

IS61C6416與TMS320F240的接口電路非常簡單．其16條數(shù)據(jù)線和16條地址線直接與TMS320F240相連接即可。由表1可知，IS61C6416的工作方式由5條控制信號線控制，其中使能引腳和讀寫選擇引腳與DSP相連以控制其讀寫操作，由于TMS320F240系列DSP為16位微處理器，其數(shù)據(jù)的讀寫不用分開來進(jìn)行，故高位字節(jié)和低位字節(jié)使能引腳直接接地。

3．3 串行通信接口設(shè)計
TMS320F240的串行通信接口(SCI)為其內(nèi)部的可編程異步串行通信模塊，它是標(biāo)準(zhǔn)的異步串行數(shù)字通信接口，可以實現(xiàn)半雙工或者雙工通信及多機之間的通信。SCI模塊是8位片內(nèi)外設(shè)，通過DSP的16位外部數(shù)據(jù)總線的低8位與外部設(shè)備通信，有獨立的發(fā)送器和接收器。發(fā)送器和接收器均是雙緩沖的．并且都有獨立的使能位和中斷位。通信傳輸速率即波特率可以通過SCI的2個16位的波特率選擇寄存器編程來確定。

SCI串行通信總線接口電路如圖3所示．其接口電路比較簡單，主要由Maxim公司的MAX232A和一些外圍元件構(gòu)成。SCIRXD和SCITXD分別接DSP控制器SCI串行通信模塊的輸出、輸入引腳．RXD和TXD分別接電路板上RS一232標(biāo)準(zhǔn)接口的2端和3端，電阻器R2、R3和電容器C6、C7作為抗干擾元件。利用此串行通信總線可以實現(xiàn)基于DSP的溫度控制系統(tǒng)與計算機之間的異步數(shù)據(jù)通信，可以使計算機實時地讀?。篋SP存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)，便于調(diào)試系統(tǒng)和分析實驗結(jié)果。

3．4 高溫保護(hù)電路
通常情況下加速計的工作溫度不能超過90℃．溫度過高會燒壞加速計而使整個溫控系統(tǒng)不能正常工作。為了避免系統(tǒng)電路出現(xiàn)異常而導(dǎo)致加速度計溫度過高，筆者設(shè)計了脫離DSP的高溫硬件保護(hù)電路，其保護(hù)溫度點為85℃，電路如圖4所示。

此電路的工作原理是：當(dāng)3個加速計的溫度沒有超過保護(hù)溫度點時，X、Y、Z檢測的電壓信號大于-4．5 V，穩(wěn)壓管K1、K2、K3未被反向擊穿，保護(hù)電路不工作，因而整個溫度控制系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。反之，當(dāng)其中任何1個加速計的溫度超過高溫保護(hù)溫度點85℃時．將有1路檢測的電壓信號小于或等于-4．5 V，與其相對應(yīng)的1個穩(wěn)壓二極管反向擊穿，致使三極管Q1不導(dǎo)通，6N137型光電耦合器的輸入為高電平，輸出為低電平，三極管02不導(dǎo)通，而后級的4個三極管Q3、Q4、05及06均導(dǎo)通，使后級4路功率放大電路不工作．切斷4個加熱片的電源，從而對加速計起到保護(hù)作用。

3．5 光電隔離及功率放大
加速計的溫度信號經(jīng)采集電路采集放大后．直接送人DSP的MD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換．轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號經(jīng)。DSP運算后，從DSP的PWM／CMP引腳輸出PWM脈寬調(diào)制信號。此控制信號經(jīng)6N137型光電耦合器隔離后，控制功率放大電路的工作．從而控制加熱片的工作狀態(tài)。功率放大電路由開關(guān)管Ql和Q2構(gòu)成，其放大倍數(shù)約為2 OOO。X為保護(hù)電路的輸出信號。電路如圖5所示。

3．6 JTAG標(biāo)準(zhǔn)仿真接口設(shè)計
與所有的微處理器一樣，DSP的開發(fā)同樣也需要一套完整的軟硬件開發(fā)工具。筆者選用北京聞亭公司研制的TDS510型uSB接口仿真器．其仿真信號線采用JAG標(biāo)準(zhǔn)。IEEEl149．1，采用14線標(biāo)準(zhǔn)仿真接頭。此。DSP目標(biāo)系統(tǒng)與仿真器的距離小于152-4 mm(6英寸)，故用無緩沖的簡單連接。其中，EMU0和EMU1必須接1只上拉電阻器(一般為4．7kΩ)，使信號上升時間小于10μs。

仿真器只參與數(shù)據(jù)的傳輸，即將目標(biāo)代碼通過J|I'AG接口從計算機下載到目標(biāo)系統(tǒng)的存儲器中，而仿真是在DSP內(nèi)完成的，因此，JTAG標(biāo)準(zhǔn)仿真接口是仿真器與DSP目標(biāo)系統(tǒng)之間必須的通信接口，為DSP目標(biāo)系統(tǒng)的仿真和調(diào)試帶來了方便。在系統(tǒng)調(diào)試階段，可以通過此仿真接口將編譯后的程序代碼下載到外部擴展的程序存儲器，在線調(diào)試用戶程序，查看內(nèi)存、CPU寄存器、各種圖表等內(nèi)容。系統(tǒng)調(diào)試成功后可以利用燒寫程序通過此仿真接口將調(diào)試好的程序燒到DSP的Flash中，使DSP目標(biāo)系統(tǒng)成為可以獨立運行的系統(tǒng)，使：DSP的開發(fā)更為方便。

4 實驗測試
采用上述基于DSP的溫度控制系統(tǒng)，配合石英撓性加速度計組件以及加熱片，利用聞亭公司的2000系列DS／，仿真調(diào)試軟件CC'C2000，采用增量式比例、積分、微分(PID)控制算法，通過仿真接口對系統(tǒng)進(jìn)行了大量的仿真實驗，實驗證明基于DSP的加速度計溫度控制系統(tǒng)能夠較好地實現(xiàn)控制效果。

5 結(jié)束語
基于DSP的溫度控制系統(tǒng)以高速DSP為核心，輔以相應(yīng)的外圍電路，可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制，目前已用于某導(dǎo)航測試系統(tǒng)中。實際應(yīng)用表明，該控制系統(tǒng)具有良好的控制性能，可滿足系統(tǒng)的精度要求，具有一定的應(yīng)用價值。