基于DSP的PID温度控制系统研.doc

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基于DSP的PID温度控制系统研 44

摘要

数字信号处理器DSP是一种独特的微处理器，它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。

本课题采用TMS320VC5402数字信号处理器，增量式PID算法，通过修改输出脉冲的占空比，即以PWM方式实现对电热炉的温度控制。

温度反馈信号通过AD采样，经PID算法处理，和设定初始温度值比较，控制XF输出的脉宽。

测试结果表明，该系统有过渡时间短、超调量小和稳定误差小的特点。

本设计对于温度控制的实现、应用与提高系统控制要求、精度、速度、能耗有一定的实际意义。

关键字：

PID，DSP，TMS320VC5402，温度控制

ABSTRACT

TheDSP（digitalsignalprocessor）isakindofuniquemicroprocessors,itspowerfuldataprocessingandhighspeedisthemostadmirablecharacteristics.ThispaperusingdigitalsignalprocessorTMS320VC5402,whichadoptedPIDalgorithm,throughmodifydutycycleoftheoutputpulse,whichmeanstorealizePWMelectrothermalfurnacetemperaturecontrol.Temperaturefeedbacksignalsthroughsampling,theADPIDalgorithm,andsettheinitialvalue,controltheXFoutputpulsewidth.Testresultsshowthatthesystemhasashorttransitiontime,smallovershootandstabilitycharacteristicoflowerror.

Thedesignfortemperaturecontroloftheimplementation,applicationrequirementsandimprovesystemcontrol,precision,speed,powerconsumptionhassomepracticalsignificance.

Keywords:

PID,DSP,TMS320VC5402,temperaturecontrol

目录

摘要 I

1绪论 1

1.1本课题研究意义 1

1.2国内外研究动态和趋势 2

1.3论文研究的主要内容 4

1.4论文结构 4

2系统的总体设计思路 6

2.1系统功能及总体结构 6

2.2数字信号处理器的选择 6

3系统的硬件电路设计 14

3.1硬件开发软件简介 14

3.2系统硬件结构 15

3.3电源模块和复位电路的设计 16

3.4模拟信号采集及A/D转换电路 17

3.5DSP的外部存储器扩展 21

3.6温度控制模块 21

4PID算法 24

4.1对象分析 24

4.2PID算法概述 24

5系统的软件设计 30

5.1设计工具--CCS简介 30

5.2DSP内存单元的分配 32

5.3主控制程序 33

5.4系统的初始化 35

5.5数据采集子程序 37

5.6数据处理子程序 38

5.7温度控制执行程序 39

6实验过程与数据 40

6.1.PID参数的确定 40

6.2.数据采集 40

7结论 42

致谢 43

参考文献 44

附录硬件电路实物图 45

1绪论

1.1本课题研究意义

在化工、石油、冶金等生产过程的物理过程和化学反应中，温度往往是一个很重要的量，需要准确地加以控制。

除了这些部门之外，温度控制系统还广泛应用于其他领域，是用途很广的一类工业控制系统。

温度控制系统常用来保持温度恒定或者使温度按照某种规定的程序变化。

温度控制器发展初期是机械式广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量日渐上升[1]。

近百年来，温度控制器的发展大致经历了以下阶段：

（1）模拟、集成机械式温度控制器；

（2）电子式智能温度控制温度控制器，这类温度控制器采用双金属片或充气膜盒感测室内温度，使用波段开关直接调整风速。

双金属片温度控制器现基本已淘汰，只使用在一些要求不高较低档场合；充气膜盒温度控制器当前较流行，但总体来讲机械式温度控制器缺点十分明显：

（1）．机械式温度控制器外观陈旧呆板。

（2）．机械式温度控制器控温精度差。

（3）．容易打火（直接切换强电）。

（4）．极易在一个极小温差范围内频繁开关水阀（风阀）。

（5）．功能比较单一[2]。

在当今电子信息时代，电子自动化、信息采集控制在任何行业都是不可逆转的潮流，电子式温度控制器全面取代机械式温度控制器将在未来很短时间内实现，有人会问：

“市场为什么目前看来机械式温度控制器比电子式可靠？

”，只是因你使用的电子温度控制器没作好，一个设计精湛考虑周全的智能电子温度控制器绝对比机械式温度控制器可靠。

温度控制器属于信息技术的前言尖端产品，目前，国际上新型温度控制器正从模拟式向数字式、电子式由集成化向智能化、网络化的方向发展。

最近几年，高密度集成与支持改善使两种DSP在使用方便性与成本上都较为接近。

目前，器件类型的选择越来越取决于应用数据集是否要求浮点格式的更多计算功能。

相比较而言，浮点是最佳的选择。

因此，设计大规模量产信号处理应用的开发人员现在开始发现浮点格式更多的内在价值。

他们将视线投向传统定点DSP，DSP能够实现更快速而简便的开发，因此对开发成本比单位制造成本重要的小规模应用而言，更开发模式之外的领域，并探索浮点DSP所带来的设计机遇。

DSP是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。

其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。

它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。

它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。

自从德州仪器（TI）在1982年推出通用可编程DSP芯片以来，DSP技术带来了决定数字技术未来的突破性应用。

DSP芯片的特点是既有传统的单片机的编程有效性，又有大量单片机的外设，有大量的中断处理、控制外设，通信外设上的支持和在片闪存，最重要的一点是它有很强的计算速度。

因为DSP本身是一个非常高端的技术，强调算法和软件创新，具有更强的数据处理能力实现优化算法、更低的系统成本等优点。

随着中国逐渐变成世界性的电子工厂，扩展DSP的应用领域、开发DSP的新产品将是一个前所未有的市场空间。

温度、压力，流量和液位是四种最常见的过程变量。

其中温度是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。

温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。

尽管温度控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。

人为地通过开关控制温度在很多的场合明显是不适宜，甚至是不允许的，所以这就要求我们开发并使用一种能通过自行控制的；可以根据反馈的信息和数据来自动调整的；可以在人无法进行正常工作、有高度危险性的、精度要求极高的场合的自动控制系统-PID控制无疑是最适合的，这正是PID控制系统存在的理由和意义。

也是此次研究的意义之一。

正是因为种种因素，本课题准备研究实现基于DSP的温度控制系统。

本课题采用TMS320VC5402数字信号处理器。

该系列具有高性能、多种片内外设、选择多样、封装小、省点等优点，电源可降至0.9V，速度可达600MIPS，为16位定点，功耗0.32mW/MIPS。

1.2国内外研究动态和趋势

在20世纪90年代中期最早推出的智能温度控制器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到2°C。

目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9-12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5-0.0625°C。

为了提高多通道智能温控器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。

进入21世纪后，智能温度控制器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟温度控制器和网络温度控制器、研制单片测温控温系统等高科技的方向迅速发展。

（1）提高温度控制器测温精度和分辨力

在20世纪90年代中期最早推出的智能温度控制器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到2°C。

目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9-12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5-0.0625°C。

为了提高多通道智能温控器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。

（2）增加温度控制器测试功能

新型智能温度控制器的测试功能也在不断增强。

例如，采用DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。

DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的E2PROM存储器，可存储用户的短信息。

另外，智能温度控制器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。

智能温度控制器都具有多种工作模式可供选择，主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式，有的还增加了低温极限扩展模式，操作非常简便。

对某些智能温度控制器而言，主机（外部微处理器或单片机）还可通过相应的寄存器来设定其A/D转换速率，分辨力及最大转换时间。

（3）温度控制器总线技术的标准化与规范化

目前，智能温度控制器的温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线（1-Wire）总线、I2C总线、SMBus总线和spI总线。

采用的温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。

（4）温度控制器可靠性及安全性设计

传统的A/D转换器大多采用积分式或逐次比较式转换技术，其噪声容限低，抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差。

新型智能温度控制器普遍采用了高性能的Σ－Δ式A／Ｄ转换器，它能以很高的采样速率和很低的采样分辨力将模拟信号转换成数字信号，再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，来提高有效分辨力。

Σ－Δ式A／D转换器不仅能滤除量化噪声，而且对外围元件的精度要求低；由于采用了数字反馈方式，因此比较器的失调电压及零点漂移都不会影响温度的转换精度。

这种智能温度控制器兼有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。

（5）虚拟温度控制器和网络温度控制器

虚拟温度控制器是基于温度控制器硬件和计算机平台、并通过软件开发而成的。

利用软件可完成温度控制器的标定及校准，以实现最佳性能指标。

最近，美国Ｂ＆Ｋ公司已开发出一种基于软件设置的TEDS型虚拟传感器，其主要特点是每只传感器都有唯一的产品序列号并且附带一张软盘，软盘上存储着对该传感器进行标定的有关数据。

使用时，传感器通过数据采集器接至计算机，首先从计算机输入该传感器的产品序列号，再从软盘上读出有关数据，然后自动完成对传感器的检查、传感器参数的读取、传感器设置和记录工作。

网络温度控制器是包含数字传感器、网络接口和处理单元的新一代智能温度控制器。

它通过数字传感器首先将被测温度转换成数字量，再送给微控制器作数据处理。

最后将测量结果传输给网络，以便实现各传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间的数据交换及资源共享，在更换传感器时