基于DSP的加速度計(jì)溫度控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

1 引言

近年來，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)得到了高速發(fā)展，性價(jià)比不斷提高,廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,例如通信、語音處理、圖像處理、模式識(shí)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(hào)處理器利用專門或者通用的數(shù)字信號(hào)處理電路，以數(shù)字計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，具有處理速度快、靈活、精確、抗干擾能力強(qiáng)、體積小以及可靠性高的特點(diǎn)，可滿足對(duì)信號(hào)快速、精確、實(shí)時(shí)處理及控制的要求。文中以T1MS320F240型DSP為核心,設(shè)計(jì)了高精度的慣性導(dǎo)航加速計(jì)溫度控制系統(tǒng)。

2 TMS320F240系列的基本特征

TMS320F240將DSP的高速運(yùn)算能力和高效控制能力集于一體,其主要特點(diǎn)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(gè)定標(biāo)移位寄存器和8個(gè)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)雙路信號(hào)同時(shí)采樣，轉(zhuǎn)換時(shí)間可以根據(jù)需要編程設(shè)置．最短轉(zhuǎn)換時(shí)間為6．1 IJ,s；
(4)6個(gè)外部中斷，包括電源驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷、復(fù)位、非屏蔽中斷NMI和3個(gè)可屏蔽中斷。

3 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于DSP設(shè)計(jì)的溫度控制器利用DSP強(qiáng)大的高速運(yùn)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(jì),可以實(shí)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(shí)驗(yàn)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(xiǎn)，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(hào)采集及放大電路

信號(hào)采集電路是溫度控制系統(tǒng)的重要組成部分．其對(duì)溫度測量的精確性直接影響整個(gè)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(hào)的敏感元件。其阻值隨溫度的變化為：0℃時(shí)阻值為1 000Ω，溫度系數(shù)為3．84Ω℃。線性度小于0．5％。信號(hào)采集電路采用對(duì)稱的差動(dòng)式電橋測量溫度信號(hào)，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(hào)，溫度信號(hào)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(shí)產(chǎn)生的自身熱效應(yīng)對(duì)溫度采集的影響。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，鉑熱電阻器Rt的阻值也隨之變化，電橋輸出信號(hào)經(jīng)運(yùn)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(chǔ)器擴(kuò)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(chǔ)器空間顯然不夠．而且。在調(diào)試系統(tǒng)時(shí)如果有外部存儲(chǔ)器，只需將程序通過仿真接口下載到外部存儲(chǔ)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(chǔ)器來擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器。

IS61C6416是采用CMOS工藝制成的64 Kxl6bit靜態(tài)存儲(chǔ)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(shí)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(hào)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(jì)

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(shí)現(xiàn)半雙工或者雙工通信及多機(jī)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(dú)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(dú)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(gè)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(shí)現(xiàn)基于DSP的溫度控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間的異步數(shù)據(jù)通信，可以使計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)地讀取：DSP存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)，便于調(diào)試系統(tǒng)和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。