基于DSP高速测温仪控制系统设计论文.docx

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基于DSP高速测温仪控制系统设计论文

长春工业大学

毕业设计、毕业论文

题目基于DSP高速测温仪控制系统设计

学院人文信息学院

专业班级电气工程及其自动化070922班

指导教师张袅娜

姓名张家瑞

2011年6月3日

摘要

本文主要论述了DSP芯片在高速测温系统中的应用。

该测温仪具有对高速加热或降温过程进行高速测量的功能，测量的温度值经过FFT滤波处理后送显示或打印。

本文首先介绍了测温仪器的发展现状，并结合广泛的市场调研论证了在我国用DSP芯片研制高速测温仪的必要性和可行性。

接着在介绍了DSP芯片的发展与应用领域、DSP芯片的主要结构特点及分类的基础上，针对高速测温仪系统的特点进行DSP芯片的选型，并对所选芯片—TMS320F240的结构和特征进行了详细说明。

然后详细说明了测温仪所要实现的功能，在测温仪所要实现的功能的基础上对测温仪各部分硬件进行了设计与优化。

在硬件设计基础上，利用代码调试器完成了各部分的软件设计。

同时也解释了本系统其它部分芯片选择的原因。

在考虑到系统将要实现的功能和所选择的芯片之后，给出了系统各部分的简略框图。

然后详细说明了本系统的研制过程，包括硬件设计、软件设计、抗干扰设计、程序的编写等。

最后经过了硬件和软件调试，实现了预期的高速测温的功能。

而且展望了本仪器的应用前景及可以进一步完善的地方。

关键词：

DSP高速测温

Abstract

Thispapermainlydiscussesthehigh-speedDSPchipintheapplicationtemperaturemeasuringsystem.Thecolorimetertohigh-speedheatingorcoolingwiththefunctionofhighspeedmeasurementprocess,measurementofthetemperaturevaluethroughFFTfilteringprocessingsenddisplayorprintingafter.Thispaperfirstlyintroducesthedevelopmentstatusoftemperaturemeasurementinstrument,andcombinedwithextensivemarketresearchdemonstratestheDSPchipinourcountrydevelopedwithhigh-speedcolorimeternecessityandfeasibility.Theninintroducesthedevelopmentandapplicationofdigitalsignalprocessor（DSP）themainfield,DSPchipthestructuralcharacteristicsandclassification,basedonthecharacteristicsofhigh-speedhighlighted.itsystemontheselection,andDSPchipTMS320F240ofselectedchip--thestructureandfeaturesadetailedexplanation.Thendetailthecolorimetertoachievethefunction,inthecolorimetertoachievethefunctiononthebasisofthehardwareofvariouspartsarehighlighted.itoutthedesignandoptimization.Inthehardwaredesignbasis,usingcodedebuggercompletedeachpartofthesoftwaredesign.Thissystemwouldalsoexplainthereasonforthechoiceofotherpartsofachip.Consideringthesystemwillachievethefunctionandchoice,afterthechipallpartsofthesystemweregivenbrieflydiagram.

Thenexplainedtheprocessofdevelopmentofthesystem,includinghardwaredesign,softwaredesign,anti-interferencedesign,programcompilation,etc.

Eventually,afterhardwareandsoftwaredebugging,achievingthedesiredtemperaturefunctionofhighspeed.Andlooksforwardtotheapplicationprospectandtheinstrumentcanbefurtherperfectplace.

Keywords:

DSPhigh-speedtemperaturemeasurement

第1章概述

1.1设计目的

1通过程序设计更加了解了对DSP软件相关知识的学习与应用

2学习了编程语言并且能熟练掌握有关内容和应用

3能够把DSP和电路相结合分析

1.2温度测量技术的现状和展望

科学技术的发展已经与测量技术的发展紧密联系在了一起，科学技术为测量技术提供更多选择条件，温度测量是工业、农业、国防和科研等部门常用的测量项目。

它在工农业生产和现代科学研究及技术开发过程中也是一个非常重要的测量参数。

在生产和科学研究中，为了更够测量更精确的测量结果，需要用定值方式给物体冷热程度给与描述。

所以要建立适当的标尺来衡量物体的冷热程度，更便捷地描述物体各种性能随温度变化关系。

现在温度检测技术已经在科学发展中起到了非常重要作用。

温度测量首先是有温度传感器来实现的。

测量仪器由温度传感器和信号处理两部分组成。

温度测量的过程就是通过通过温度传感器将被测对象的温度值转换成其它形式的信号，传递给信号处理路进行信号处理转换成温度值显示出来。

温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数有：

膨胀、电阻。

电容、热电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪音等等。

随着生产的发展，目前全国通用的温度传感器及测量仪有如下几种：

1）热膨胀式温度计具有结构简单，制造和使用方便，价格低和精度高等优点。

缺点是不能远距离测温，结构易坏；

2）电阻温度计具有测量精度高，性能良好，灵敏度高，应用广，能够较远

距离测温，并能实现温度自动控制和记录等优点；

3）热电偶其特点是测量精度高，结构简单易懂，动态响应快，野远距离测量，测量范围广；

4）辐射式测温仪表其测量精度不如热电偶温度计高，测量误差大，测量范围大约在400℃~3200℃。

该仪表有全辐射高温计，单辐射高温计和比色温度计三种；

5）石英温度传感器测温仪其稳定性很好，灵敏度可达0.001℃以上，缺点是响应速度较慢，测温速度大约一秒一次，不适合快速测温；

工业中测温仪大部分采用单片机作微处理器。

普通的单片机指令周期为2us。

因为其内部不能满足某些特殊要求的高速测温。

有些单片机速度快却不能完成FFT等复杂滤波算法，不能高速测温。

也有采用工控机来进行高速测温，但是工控机受外界干扰严重不能实现现场测温，该一起不方便携带。

1.3DSP芯片的发展

数字信号处理器（DigitalSignalProcessing,简称DSP）是一门应用科学又应用在各种领域的新兴科学。

在20世纪以前虽然随着计算机和信息技术的发展的同时数字信号处理技术也得到很好发展，由于当时网络不发达数字信号处理理论没有广泛应用。

80年代初DSP产品推出以来，其发展迅速，生产厂家众多，产品种类繁多，工作速度不断提高，其主要应用实现数字信号处理算法。

DSP芯片有如下特点：

1）在一个指令周期内能完成一次乘法和一次加法；

2）程序和数据是单独存放的，可以同时访问指令和数据；

3）片内有RAM可通过数据总线同时访问两片；

4）具有跳转的硬件支持；

5）能很快进行中断处理和硬件I/O支持；

6）可以并行执行多个操作；

7）能流水操作；

目前市场最常见的DSP芯片有美国TI公司生产的TMS320系列，AD公司的ADSP

系列，MOTOROLA公司的DSP系列，日本NEC公司的PD系列及AT&T公司DSP系列等。

以上产品性能上差别不大，但是因为现实的一些原因，国内普遍使用是TI公司的TMS320系列，其次是AD公司的DSP系列，特别是TI公司由于发展迅速，种类多，芯片内部资源丰富、支持软件完善而领先其他系列产品，，市场占有率为45%，我们是奇偶选TMS320系列芯片。

以TMS320系列为例，从上市的短短十几年，TI公司已经生产除了第二代、第三代、第四代。

第五代DSP，直至第六代产品（TMS320C6X，C8X），产品不断更新完善，推出速度快，性价比高新一代产品，在TMS320系列产品中，C1X、C2X已属于淘汰产品，C5X也将被淘汰。

TMS320系列DSP产品发展以三个平台为基本的。

一个是DSP控制平台C2000（C20X,C24X）；另一个是有效性能平台C5000（C5X,C54X）；第三个是高性能平台C6000（C3X,C4X,C8X,C67X）。

从内部结构和资源分析，不同系列有不同的特点，以TMS320较新产品为例，C20X（C203，F206）有多达4.5K的片内程数据/程序RAM，支持同步，异步串口。

F206内部有32K的片内flash，能在线改写。

C20X主要面向计算机。

工业、电话等新的DSP应用。

C24X（F240,F241,F243）是DSP控制器，它除含有16K/8K片内flash外，还含有双10位A/D，12个PWM控制器，SCI/PCI接口和CAN总线，及3个简单比较单元，通常适合高速控制。

C54X集成了VITERBI操作对编码算法非常有用，还可实现多处理机间的通信，其具有三种节电模式，可2.7V和5V供电，C54X可用于电信应用，如数字移动通讯。

C3X是TMS320系列32位浮点，具有高度并行性，C3X的DMA控制器有自己的数据总线，可与CPU并行工作。

C3X可用于数字音频、三维图形、激光打印机、复印机、扫描仪、视频会议、工业自动化、马达控制和网络等。

C62X为32位定点DSP，具有高度并行性，芯片可达到每秒16亿次定点运算，其高性能将使它在通信，雷达信号处理，医疗成像等方面获得广泛应用。

DSP凭借出色的运行性能和独特的硬件结构，得到了很好的发展和广泛的应用。

DSP有很强的运算功能和高速的传输数据能力，能方便的处理一些实时信号；它采用内存映射方式管理I/O，能灵活方便扩充外围电路；DSP在制作上采用超大规

模集成电路生产技术，由3μMNOS改为现在的0.25μCMOS，将中央处理器、程序寄存器数据寄存器和乘法器、移位器、累加器、地址发生器集成在一个芯片上，芯片本身还有数据指针的逆寻址功能、指令的重叠运行、无消耗控制等等。

这些高性能在谱估计、数字滤波、数字压缩等方面得到了充分的体现。

1.4DSP芯片的选择

在DSP应用系统设计中，选择DSP芯片是重要的一个环节。

要先选定DSP芯片才能设计电路及系统的其他电路。

由于应用系统应用场合、应用目的不同对选择的DSP芯片也不同。

所以应考虑如下因素。

TI公司的产品中，TMS320C1X，C2X，C5X，C54X，C6X，C62X都属于定点DSP，而TMS320C3X，C4X，C8X和C67X则为浮点DSP。

这两者比较，第一，浮点DSP的运算精度高，动态范围广，而定点DSP动态范围较小，需要经常定值为运算时防止溢出和给编程造成不便；第二，浮点DSP的地址总线比定点宽，寻址空间大，有利于信号处理；第三，浮点DSP的结构较复杂，浮点DSP的总体运算能力较强，比较容易开发；除此之外，定点DSP具有较多外围电路接口，如主机接口、异步、同步接口等，更适合控制领域的应用。

DSP芯片的运算速度。

它是DSP芯片的一个最重要性能指标当DSP应用于高速测温时，运算速度是选择芯片的重要指标。

DSP芯片运算速度可以用指令周期、MAC时间、FFT执行时间、MIPS、MOPS、MFLOPS、BOPS性能指标来衡量。

DSP芯片的硬件资源。

不同DSP芯片的硬件资源也不同，如片内ROM、RAM数量，外部可扩展总线接口，I/O接口，程序和数据空间等。

在同一系列中DSP芯片中不同的DSP芯片都具有不同内部硬件资源，能够适应不同的需要。

DSP芯片的运算精度。

一般的定点DSP芯片的字长为16位，还有定点DSP芯片为24位的。

浮点芯片的字长一般为32位，累加器为40位。

DSP芯片的开发工具。

在DSP开发中，开发工具是必不可少的，在功能强大开发工具支持下，如C语言支持，开发时间大大缩短，DSP芯片开发工具包括软件和硬件的开发工具。

、

除了以上因素还要考虑DSP芯片封装的形式、供货情况、质量标准、生命周

期等。

当DSP系统要求是工业级或军用级标准必须注意所选芯片有没有工业级或军用级的同类产品。

第2章方案论证

本方案研制的是高速测温，我们选择两个不同点作为采样点，由两路传感器将采集的温度信号转变为电信号，通过放大镜放大成DSP能接受的信号，DSP内部的A/D转换器把模拟信号转换成数字AD值，DS18B20起到了热电偶的冷端补偿作用，在系统上电时测出温度值送到存储器中，然后DSP将总的AD值拟合成温度值，最后显示出来，工作人员可以根据需要测出随时温度，也可根据需要打印初温度—时间曲线。

该系统主要由单片机及外围器件构成。

主要有温度传感器、放大器、数据存储器、键盘、显示器、报警等组成。

该系统硬件框图如图1-1。

图2-1系统硬件框图

2.1单片机选择

单片机：

AT89C51单片机是ATMEL公司生产的高性能8位单片机，主要功能如下：

1）兼容MCS-51指令系统；

2）32个双向I/O口，两个16位可编程定时/计数器；

3）1个串行中断，两个外部中断源；

4）可直接驱动LED；

5）低功耗空闲和掉电模式；

6）4KB可反复擦写（>1000次）FLASIROM；

7）全静态操作O～24MHz；

8）128×8b内部RAM。

该款芯片的超低功耗和良好的性能价格比使其非常适合嵌入式产品应用。

TMS320F240为TI公司所出品的定点式数字信号处理器芯片，具有强大的外围，芯片内部采用了加强型哈佛架构（EnhancedHarvardArchitecture），由三个平行处理的总线─程序地址总线（PAB）、数据读出地址总线（DRAB）及数据写入地址总线（DWAB），使其能进入多个内存空间。

由于总线之操作各自独立，因此可同时进入程序及数据存储器空间，而两内存间的数据亦可互相交换，使得其具有快速的运算速度，几乎所有的指令皆可在50ns周期时间内执行完毕，内部的程控以管线式的方式操作（Pipelineoperation），且使用内存映像的方式，使其整体的效能可达到20MIPS，因此非常适用于实时运转控制，而对于速度较慢的外围亦提供了wait-states的功能。

TMS320F240单芯片硬件架构上的一些特性对于高速信号处理及数字控制上的应用是必须且重要的，其使用次微米CMOS技术制程使其功率散逸降至最低。

其与传统的微处理机单芯片相较之下其具有下列的优点：

1）执行速度快，整体效能佳，可达到真正的实时控制。

2）特殊的硬件及指令设计，适用于高性能的控制。

3）容易增加附属功能，很容易扩展外围。

4）具有实时中断的看门狗定时器模块，可*程序之运作。

5）使用4层的Pipeline的程序运作及设计有指令延迟之功能。

综上因素选用TMS20F240芯片为核心研制高速测温仪。

2.2温度传感器选择

温度传感器：

利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。

这些呈现规律性变化的物理性质主要有体。

温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。

按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

红外温度传感器：

红外辐射也称红外线，是指辐射波长大致为0.75-1000mm频谱范围内的电磁波。

红外辐射的物理本质是热辐射，当物体温度处于绝对零度以上时，其内部带电粒子的热运动就会向外发射出红外线。

物体的温度越高，辐射出来的红外线就会越多，红外辐射的能量也就越强。

红外温度计是基于物体红外辐射的能量大小及其波长的分布，与物体表面温度的对应关系，并通过对物体自身辐射的红外能量的测量，来准确地测定物体的表面温度。

与热电偶、热电阻等常规温度传感器相比，红外温度计具有测温范围宽、寿命长、性能可靠、反应极快和非接触性等诸多优点。

 另外，红外温度计还特别适合测量腐蚀性的介质和运动物体的温度，而且不会破坏到被测对象的温度场。

传感器DS18B20：

具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。

。

DS18B20的特性：

1）适应电压范围更宽，电压范围：

3.0～5.5V，寄生电源方式下可由数据线供。

2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。

4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

5）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃。

6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。

7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。

8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。

9）负压特性：

电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

综上因素选择DS18B20芯片为核心研制高速测温仪。

2.3存储器

存储器：

（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。

计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。

它根据控制器指定的位置存入和取出信息。

有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。

按用途存储器可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）,也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。

外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。

内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。

第3章系统的电路设计

3.1系统的电路设计

该温度仪的电路有如下几部分组成：

（1）存储器接口电路；

（2）复位和时钟电路；（3）显示器接口电路；（4）前向通道测量电路；（5）打印机接口电路；（6）电源等。

3.2时钟电路

给TMS20F240提供时钟有两种方法。

一种是将外部时钟源直接输入XTAL1/CLKIN引脚，XTAL2悬空，采用封装好的晶体振荡器。

另一种是利用DSP芯片内部提供的晶振电路，把一晶体连接在TMS320F240芯片的XTAL1和XTAL2之间可启动内部振荡器，如图3-1所示。

在实验中采用这种方法。

图3-1内部震荡电路

3.3复位电路

图3-2所示为手动复位电路。

刚通电时，TMS20F240处于复位状态，

图3-2手动复位电路

/RS为低使芯片复位。

为使芯片初始化正确，一般应保证/RS为低至少持续3个CLKOUT周期。

但是上电后，系统的晶体振荡器往往需要几百毫秒的稳定期，一般为100ms-200ms。

图3电路的复位时间主要由R和C确定。

用式3-1，设V1=1.5V为低电平与高电平的分界点，则:

（式3-1）

选择R=100，C=4.7，可得t1=l67ms，随后的施密特触发器保证了低电平的持续时间至少为167ms，才能满足复位要求。

在实际的DSP应用系统特别是产品化的DSP系统，可靠性是一个不容忽视的问题。

实际上DSP系统的时钟频率较高，在运行时极有可能发生干扰和被干扰的现象，严重时系统可能会出现死机现象，为了克服这些情况，不仅在软件上做保护措施，在硬件上采用具有监视功能的自动复位电路。

3.4向前通道测量电路

用DSP进行测温系统必须有被测电信号的输入通道，它用来采集重要的输入信息。

在测量系统中怎样能更准确获取被测信号是核心任务；在测控系统中，对被控现场的监视和对被控对象状态的检测是重要的环节。

要利用传感器将非电信号转换成电信号才能完成测量和控制任务，因为计算机只能识别和处理电量数字信号。

得到的模拟电信号，经过放大并通过A/D转换为数字量后才能由计算机进行有效的处理。

本方案中采用两路热电偶传感器采集两点的温度信号，放大器采用高速的LM358，可以两路同步采样，因为TMS320F240内部自带2个A/D,由于传感器的噪声大，工作环境比较恶劣，在传感器的输出端上会产生较大的干扰信号，当应用于低速测温，前向通道中可以采取硬件滤波措施，提高信噪比。

采集的信号经放大器放大后通过滤波将噪声和其它干扰信号滤去。

而在高速测温时，由于硬件滤波器的响应速度慢，因此不能在前向通道中采取硬件滤波，但可以将数据存储后通过软件滤波来处理。

因为TMS320F240内部自带ADC，，所以可以将两路电信号可以直接接入DSP。

3.4.1传感器的选择

为提高热电偶的响应速度，在此采用小直径0.5mm的镍铬一镍铝（硅）热电偶（K型）。

含铬18-20%的镍合金具有良好的抗氧化性能，在还原气氛中的稳定性也大大改善。

这种热电偶的抗氧化能力强，材料也不易变脆，热电动势稳定性好，适用于1300℃以下的温度测量，测温不确定度小于400℃时为±℃，大于400℃时为所测电动势的1%。

满足高速测温要求，而且这种热电偶成本低可以降低系统成本。

3.4.2放大倍数的确定

K型热电偶在1000℃时的热电势为41.269mV，而TMS320F240内的ADC满量程为5V。

放大器LM358采用单极性输入时的饱和输出电压为3.83V.故放大倍数为3830/41.269=92。

采用二级放大，第一级放大9倍，第二级放大10倍。

电路如图3-3.

图3-3放大电路图

3.4.3模数转换器

TMS320F240芯片的ADC模块含两个带采样保持电路的ADC。

芯片内共有16路模拟输入通道，每个ADC有8路模拟输入通道，通过1至8多路转换开关接入。

每个ADC完成转换的总时间为6.6μs。

而高速测温过程，如激光加热速率约为100000～1000000℃/s，温度变化1℃最长时间需100μs。

因此该ADC完全能满足实时高速测温的要求。

ADC模块有以下功