毕业设计247以DSP为主控制器对电阻炉的温度进行监测和控制.docx
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毕业设计247以DSP为主控制器对电阻炉的温度进行监测和控制
目录
第一章绪论
在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。
例如：
在冶金工业、化工生产、电力工程、机械制造和食品加工等领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行监测和控制，采用数字量对它们进行控制，控制方便、简单、灵活，而且可以提高被控温度的指标，从而提高产品的质量和数量。
因此，随着计算机技术的发展，数字控制异军突起，发展迅速。
依靠一定的硬件基础，针对特定的控制目的，实现一个高可靠性，高效率的计算机应用系统，是现代工业和社会发展的迫切需要。
当代计算机技术的快速发展，微电子技术的推动，使这一需求得以实现。
单片机，数字信号处理器（DSP）等，都是这个大家庭中的一员。
和单片机相比，DSP不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。
基于这些优点，我们采用DSP来对它们进行控制，因此，DSP对温度的控制是一个工业生产中经常会遇到的问题。
我们通常所说的DSP有两个含义：
其一是DigitalSignalProcessing的简称，是指数字信号处理技术，它不仅涉及许多学科，还广泛应用于多种领域。
特别在20世纪60年代，随着计算机和信息技术的迅猛发展，进一步推动了数字信号处理技术的理论和应用领域的发展；DSP的第二个含义是DigitalSignalProcessor的简称，即数字信号处理器（也称为DSP芯片），它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度远远超过通用微处理器。
它是一种适合于数字信号处理的高性能微处理器。
数字信号处理器已成为数字信号处理技术和实际应用之间的桥梁，并进一步促进了数字信号处理技术的发展，也极大地拓展了数字信号处理技术的应用领域。
DSP芯片，即数字信号处理器，是一种特别适合于数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是快速地实现各种数字信号处理算法。
根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下特点：
（1）在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法运算。
（2）程序和数据存储空间分开，可以同时访问指令和数据。
（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线进行访问。
（4）具有低开销或无开销执行循环及跳转操作的硬件支持。
（5）快速的中断处理和硬件I/O支持。
（6）在单周期内操作的多个硬件地址产生器。
（7）可以并执行多个操作。
（8）支持流水线操作，不同操作阶段可以重叠执行。
自1982年美国德州仪器（TI）公司推出通用可编程DSP芯片以来，DSP技术取得了突飞猛进的发展。
在DSP技术与DSP芯片的相互帮助下，在计算机与微电子技术飞速发展的基础上，DSP芯片性能已得到了极大的提高。
作为实现数字信号处理的硬件核心，DSP的应用领域取得了不断的拓展。
DSP芯片已经深入到我们的工作与生活中，无论是在计算机外设、通信、工业控制、航空航天、精密仪器，还是在家用电器，如CD机、变频空调器、MP3播放器、数码相机等设备中，都有DSP芯片的身影。
第二章方案论证
设计要求：
以DSP为主控制器，对电阻炉的温度进行监测和控制。
技术参数：
测温范围：
0℃～1000℃；
测温精度：
1℃；
保温精度：
1.5℃。
纵观设计题目要求，电阻炉温度控制是采集模拟量——温度，然后对温度进行控制。
控制的方法很多：
（1）以模拟电路硬接线方式建立的控制系统。
（2）以微处理器为核心的控制系统。
（3）用可编程DSP控制器为核心构成的控制系统。
2．1模拟控制系统
模拟控制系统一般采用运算放大器等分立元件以硬接线方式构成，但这种系统很难应用于一些功能要求比较高的场合。
2．2以微处理器为核心的控制系统
这里的微处理器实际上是指以MCS-51、MCS-96等为代表的8位或16位单片机。
以微处理器为控制器，所构成的控制系统有如下优点：
（1）使电路更简单。
模拟电路为了实现逻辑控制需要许多分立电子元件，从而使电路变得复杂。
采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可采用软件实现。
（2）可以实现较复杂的控制算法。
微处理器具有更强的逻辑功能，运算速度快、精度高、具有较大容量的存储器（128KBRAM，8051有4KBROM，8751有4KBEPROM，8031无ROM或EPROM。
使用时往往外括ROM），因此有能力实现较复杂的控制算法。
（3）灵活性和适应性强。
微处理器的控制方式主要由软件来实现，若需要修改，一般不必修改控制系统的硬件电路，只对软件修改即可。
（4）无零点漂移，控制精度高。
（5）可提供人机界面，实现多机联网工作。
在一些性能要求不是很高的场合，现在普遍采用单片机作为控制器。
然而，由于微处理器一般采用冯——诺依曼总线结构，处理器的速度有限，处理能力也有限；另外单片机系统比较复杂，软件编程的难度较大。
同时，一般单片机的集成度较低，片上不具备控制系统所需要的专用外设，如PWM产生电路等。
因此，基于微处理器构成的系统仍然需要较多的元器件，这增加了系统电路板的复杂性，降低了系统的可靠性，也难以实现先进控制算法，如预测控制、模糊控制等。
由于技术的发展，新的单片机无论从制造工艺上，还是性能、功能上都有了极大的改进。
新单片机（如C8051Fxxx系列、AVR系列等）的工作频率一般在20MHz以上，采用流水线技术，片内集成大量存储单元和功能外设，有的单片机内部甚至集成了DSP核，这些措施都使单片机的性能得到了很大提高，可以较好地满足高性能控制系统的需要。
然而。
与同样性能的DSP控制器相比，这些微处理器的价格往往比较昂贵。
2．3以可编程DSP控制器为核心构成的控制系统
为满足世界范围内控制系统的需要，TI公司推出了TMS320x24x系列DSP控制器。
x24x系列DSP控制器将一个高性能的DSP核，大容量的片上存储器（片内的数据和程序存储器可达上百千字）和专用的运动控制外设电路（PWM产生电路、可编程死区、SSVPWM产生电路、捕获单元等）以及其他功能的外设电路（16通道A/D转换单元、串行通信接口、CAN控制器模块等）集成在单芯片上，保持了传统微处理器可编程、集成度高、灵活性/适应性好、升级方便等优点；同时，其内部的DSP核可提供更高的运算速度、运算精度和处理大量数据运算的能力。
x24x系列DSP控制器采用改进的哈佛结构，分别用独立的总线来访问程序和数据存储空间，配合片内的硬件乘法器，指令的流水线操作和优化的指令集。
DSP控制器的控制算法如Kalman滤波、模糊控制、神经元控制等。
基于DSP控制器构成的控制系统实际上是一个单片系统，因为整个控制所需的各种功能都可由DSP控制器来实现。
因此，可大幅度缩小目标系统的体积，减小外部元器件的个数，增加系统的可靠性。
另外，由于各种功能都通过软件编程来实现，因此，目标系统升级容易，扩展性、维护性都很好。
同时，DSP控制器的高性能使最终系统既可满足要求比较低的系统，更可以满足对系统性能和精度要求较高的场合的需要。
通过上面各种方法的比较，我们选择可编程DSP控制器为主控制器来组成控制系统。
2．4 DSP芯片型号的选择
设计DSP应用系统，选择DSP芯片是非常重要的一个环节。
只有选定了DSP芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。
总的来说，DSP芯片的选择应根据应用系统的实际需要而确定。
随着应用市场和设计目标的不同，选择DSP芯片的侧重点也各不相同。
一般来说，在选择芯片时应考虑以下因素：
（1）运算速度。
当数字信号处理算法确定以后，其运算量和完成时间也就大体定了，由此可以估算DSP芯片运算速度的下限。
在选择DSP芯片时，各个芯片运算速度的衡量可参考DSP的各种性能指标。
（2）运算精度。
一般情况下，浮点DSP芯片的运算精度要高于定点DSP的运算进度，但是功耗和价格也随之上升。
一般定点DSP芯片的字长为16位、24位或32位，浮点芯片的字长为32位。
累加器一般都为32位或40位。
虽然适当的设计算法可以提高、保证运算精度，但是会相应增加程序的复杂度和运算量。
所以，运算精度要求是一个折衷的问题。
（3）片内硬件资源。
通过对算法程序和应用目标的仔细分析可以大体上判断对DSP芯片片内资源的要求。
几个重要的考虑因素是片内RAM和ROM的数量、可否外扩存储器、总线接口/中断/串行口等是否够用、是否具有A/D转换等。
用户可以参考芯片制造商推荐的DSP芯片典型应用来考虑此项要求。
（4）功耗。
一般来说，个人数字产品、便携设备和户外设备等对功耗有特殊要求，因此这也是一个该考虑的问题。
（5）开发调试工具。
完善、方便的开发工具和相关支持软件是开发大型、复杂DSP系统的必备条件，对缩短产品的开发周期有重要作用。
（6）价格。
包括DSP芯片的价格和开发工具的价格。
如果采用价格昂贵的DSP芯片，即使性能再高，其应用范围也肯定会受到一定的限制。
因此，要根据实际系统的应用情况，确定一个价格适中的DSP芯片。
当然，由于DSP芯片发展迅速，芯片价格往往下降较快，在开发阶段选用某种价格稍贵的DSP芯片，等到系统开发完毕，其价格可能已经下降一半甚至更多。
（7）其他。
包括DSP芯片的封装形式、供货周期、生命周期等。
在上述因素中，一般而言，定点DSP芯片的价格比较便宜，功耗较低，但运算精度稍低。
而浮点DSP芯片的优点是运算精度高，且C语言编程调试方便，但价格稍贵，功耗也较大。
根据实际需要我们选择了定点型的DSP芯片。
第三章硬件设计
3．1 系统概述
根据设计要求设计基本硬件框图如下：
图3.1硬件框图
这里热电偶传来的带有温度信号的毫伏级电压经变送器送至DSP中进行A/D转换，转换后的信号经与给定信号比较，计算其偏差，计算机对偏差按一定的控制规律（改进PID）进行计算，再将计算后的控制量通过控制可控硅在控制周期内的过零触发脉冲个数，也就是控制电阻炉的平均功率的大小来达到控制温度的目的。
3．2TMS320F240简介
TMS320F24X系列是美国TI公司推出的高性能16位定点DSP，专门为电机控制和其它数字控制系统而设计的新一代数字信号处理器。
它不仅拥有数字信号处理器的一般特点，还增加了片内外设，有强大的处理能力。
TMS320F240是其中典型的一种。
如图3.2。
图3.2TMS320F240
TMS320F240主要由CPU、存储器和片上外设三部分组成，其主要特点如下：
（1）采用改进型哈佛结构，具有分离的程序总线和数据总线，使用四级流水线作业，并且允许数据在程序存储空间和数据存储空间之间传输，从而提高了运行速度和编程的灵活性。
（2）指令执行速度为20MIPS，几乎所有的指令都可以在50ns的单周期内执行完毕。
（3）CPU内含有32位中央算术逻辑单元、32位累加器、16位×16位并行硬件
乘法器，并带有32位结果寄存器、3个定标移位器和8个辅助寄存器。
（4）片内有16K字的FlashEEPROM，544字的DARAM，存储器最大可寻址空间为224K字（64K字程序空间，64K字数据空间，64K字I/O空间，32K字全局空间）。
且带有软件等待状态产生器的外部存储器接口，可实现与各种类型外部存储器的接口。
（5）双10位A/D转换器，共16位输入通道，转换时间为6μs。
（6）片上还集成了事件管理器（含有3个定时/计数器，4个捕获单元等）、28个可编程复用I/O引脚、锁相环时钟发生器、具有实时中断的看门狗电路、串行通讯接口、串行外设接口等功能外设[10]。
3．3 前向通道的设计
前向通道是指TMS320F240对被控参数的输入通道，包括温度检测元件、A/D转换等。
在工业控制中，由于被控对象的参数常常是非物理量（如温度、压力、湿度等），因此如何把它们变为电量并经过A/D变换而输入到TMS320F240中是每个应用工作者必须考虑的问题。
3．3．1温度检测和变送器
温度检测元件和变送器的类型选择和被控温度及精度等级有关。
温度测量仪表按照测量方式人为地分为接触式与非接触式两类。
所谓接触式即两个物体接触后，在足够长的时间内达到热平衡（动态平衡），此时两个物体温度相等；非接触式即选为标准并当作温度计使用的物体与被测物体相互不接触，利用物体的热辐射（或其它特性），通过对辐射能量（或亮度）的检测实现测温。
常用工业温度计可分为：
接触式——热膨胀温度计（常用范围：
-200℃——620℃），热电阻温度计（常用范围：
-258℃——900℃），热电偶温度计（常用范围：
-200℃——1800℃）；非接触式——热辐射温度计（常用范围一般非常高）[7]。
根据温度需要，所以选择接触式温度计中的热电偶。
同时热电偶测量温度范围广，可靠性高，自身能产生电压，不需要外加激励电源，使用方便。
由测温范围：
0℃——1000℃，测温精度：
1℃，我们选择华宇仪表线缆厂的铂铑10——铂，代号WRP，分度号S，测温范围：
长期0℃——1300℃，短期0℃——1600℃，一级允差1℃。
而且它具有耐高温，精度高，物理、化学性能好，热电势稳定性好，高温下抗氧化性能好的优点。
同理，根据被控温度和精度等级选择变送器。
由于被测的温度量经过温度检测元件——热电偶的捕捉和转换，其输出信号幅度（如电流和电压等）往往很小，无法进行A/D转换。
因此，温度检测元件输出接变送器。
我们选择的是北京商瑞亨利自动化控制设备有限责任公司的S4——TT——T温度（热电偶）变送器。
这类变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：
毫伏变送器用于把热电偶输出的0mV～9.659mV变换成0mA～10mA范围内的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出0mA～10mA的电流变换成0V～5V范围内的电压。
3．3．2 ADC（模拟/数字转换器）
TMS320F240内部集成了两个10位的A/D转换器，并带有内部采样保持电路。
共有16路模拟输入通道，每8个通道经过一个8选1多路选择器和一个采样保持器（前向通道中采样保持器的作用主要有两点：
一是能保证输入模拟量在A/D转换期间保持不变，以提高A/D转换的精度；二是使某一时刻各个检测点上的模拟量同时保持下来，供控制器分时加以检测和处理，以确保检测到的数字量具有时间上的一致性。
当然，对于缓慢变化的模拟量如温度，采样保持器可以不用。
但对于快速变化的模拟量，只有使用采样保持器才能确保检测精度。
）到10位的ADC，ADC的转换结果保存到两级先进先出的（FIFO）寄存器。
每个ADC的转换时间大约6μs（不同DSP会略有不同，准确数据见各芯片的datasheet）。
A/D转换的模拟参考电压VREFHI和VREFLO由外部电源提供，可以接0～5V的任何电压。
VCCA和VSSA应该分别连到5V电源和模拟地。
1．ADC引脚说明
ADC模块有21个引脚可以与外部电路连接。
其中ADCIN0～ADCIN15为16路模拟输入，VREFHI和VREFLO为模拟参考电压输入引脚，VCCA和VSSA为模拟电源引脚，另一引脚步为ADCSOC外部启动ADC转换引脚。
ADCIN0～ADCIN7属于第一个ADC，ADCIN8～ADCIN15属于第二个ADC，其中ADCIN0、ADCIN1、ADCIN8和ADCIN9四个引脚与数字I/O（IOPA0、1、3、2）多路复用，通过学习编程可设定这4个引脚为数字I/O引脚。
这4个引脚的精度低于专用的模拟输入引脚ADCIN2～ADCIN7和ADCIN10～ADCIN15。
外部启动引脚ADCSOC也与I/O（IOPC0）多路复用。
这里，我们用ADCIN7和ADCIN15为温度检测电路的模拟量输入端。
2．ADC操作模式
ADC模块的功能如下：
（1）可以同时采样和转换2路模拟输入（每个ADC单元各一个）。
（2）每个ADC都可以进行单独或连续的采样/保持和转换操作。
（3）两个ADC可以由软件指令、器件ADCSOC引脚电平跳变、每个通用定时器的下溢、周期匹配和比较匹配事件和捕获单元4个来启动ADC操作。
（4）ADC控制寄存器的某些位是具有映象寄存器的双级缓冲位，对这些位的写不影响正在进行的转换，因为新写入的值是先进入映象寄存器而不是直接进入工作寄存器，当前的转换开关结束后，ADC会自动地将映象寄存器内容载入工作寄存器，下一个转换就由新的配置来决定。
（5）转换结束后，中断标志被置位。
如果中断未被屏蔽且使能，则将产生一个中断请求。
（6）如果第3次转换完成时，CPU还没有读FIFO，那么第1次转换的结束将会丢失。
3．模拟信号采样/转换
每个ADC在1个A/D转换预定标时钟周期内完成输入的采样，在5个A/D转换预定标时钟周期内完成转换，所以每个采样/转换需要6个ADC时钟周期。
ADC模块结构要求采样/转换时间要大于等于6μs以保证正确转换。
因此，对所有系统时钟频率，都必须有6个ADC时钟周期大于等于6μs，ADC提供了一个预定标功能，来保证无论DSP时钟如何变化都不得可以确保ADC最佳性能。
这样一来，通过学习选择合适的预定标就可以满足上述要求。
预定标值由下式决定：
SYSCLK时钟周期TSYSCLK×预定标值×6≥6μs
预定标值由ADC控制寄存器ADCTRL2的其中三位决定，在编程时，应根据系统时钟周期的取值和上式的关系确定预定标值。
4．数字量输出
ADC的10位数字量结束由下面公式近似给出，进行结果验证。
数字量结果=1023×（输入模拟电压-VREFLO）/（VREFHI-VREFLO）
每个ADC包含一个2级FIFO数字输出寄存器，该寄存器包含一个模拟输入转换后的10位数字量结果，存放在寄存器的高10位，读FIFO时，低6位D5～D0始终为零。
FIFO是只读寄存器，复位时被清零。
5．双10位A/D转换器编程
每个DSP的单元模块都有多种功能或多种工作方式，它的功能实现是由相关的寄存器和引脚完成。
寄存器分为控制类寄存器、状态寄存器和数据寄存器。
每个模块在工作以前，由控制类寄存器对模块进行初始化编程，设置其功能或工作方式等。
因此，对于各类寄存器的地址以及格式的了解至关重要的。
ADC模块共有4个寄存器，其地址映射在数据存储器空间的7030H～703FH之间。
（1）ADC控制寄存器1（ADCTRL1）——地址7032H
D15：
S。
仅用于仿真期间。
D15=0当D14=0时，立即停止；
D15=1仿真器停止之前，完成本次转换。
D14：
F。
仅用于仿真期间。
D14=0操作由位D15确定；
D14=1仿真器停止时，ADC继续运行。
D13：
ADCIMSTRAT。
ADC立即开始转换。
D13=0无动作；
D13=1立即开始转换。
D12：
ADC2EN。
ADC2的禁止/使能位，该位是映象的。
可以在转换进行过程中写入，不影响本次转换，写入本位的信息在下一次转换时才生效。
D12=0ADC2禁止（不进行采样、保持和转换，ADCFIFO内容不变）；
D12=1ADC被使能。
D11：
ADC1EN，ADC1的禁止/使能位，作用与ADC2EN一样。
D10：
ADCCONRUN。
将ADC连续转换设置位。
D10=0无操作；
D10=1连续转换。
D9：
ADCINTEN。
ADC中断允许位。
如果该位被置位，则当ADCINTFLAG=1时，将产生一次中断。
D8：
ADCINTFLAG。
ADC中断标志位。
如果该位为1，表示有中断发生。
向该位写清除本位。
D7：
ADCEOC。
转换结束标志。
D7=0转换结束
D7=1转换正在进行。
D6～D4：
ADC2CHSEL。
ADC2通道选择。
D6～D4=000～111依次选择通道8～通道15。
D3～D1：
ADC1CHSEL。
ADC1通道选择。
D3～D1=000～111依次选择通道0～通道7。
D0：
ADCSOC。
转换启动位。
D0=0无动作；
D0=1启动转换。
注意：
ADC1或ADC2进行A/D转换以前，必须被使能。
（2）ADC控制寄存器2（ADCTRL2）——地址7034H
ADC控制寄存器2选择ADC输入时钟预定标、转换模式、仿真操作及ADCFIFO寄存器的状态。
D15～D11、D8、D5：
保留。
读操作不确定，写无效。
D10：
ADCEVSOC。
事件管理模块启动转换使能位。
ADC的转换操作可以由事件管理比较匹配信号同步。
该位为映象位，可以在任何时候写入，对下次转换有效。
D10=0禁止事件管理模块启动转换；
D10=1允许事件管理模块启动转换。
D9：
ADCEXTSOC。
外部信号（即ADCSOC引脚）启动转换使能位。
ADC转换可以由外部信号的上升沿启动，该位为映象位。
D9=0禁止外部ADCSOC引脚启动转换；
D9=1允许ADCSOC启动转换。
D7～D6：
ADCFIFO1。
表明ADC1数据寄存器FIFO的状态，在进行任何操作前可以存储两个转换结果，但如果第三次转换结束，那么最早一次的结果将丢失。
D7～D6为映象位。
00——FIFO空；
01——FIFO有一个数据；
10——FIFO有两个数据；
11——FIFO有两个数据，而且之前的数据至少丢失一个。
D4～D3：
ADCFIFO2。
表明ADC2数据寄存器FIFO的状态。
与ADCFIFO1类似。
D2～D0：
ADCPSCALE。
A/D转换输入时钟预定标因子。
（3）A/D转换数字输出寄存器
每个ADC包含一个2级FIFO数字输出寄存器，这为从数字寄存器中读出数据之前转换两次提供了灵活性。
该寄存器包含一个模拟输入转换后的10位数字结果，存放在寄存器的高10位，即10位A/D转换结果D9～D0，依次存放在FIFO的高10位D15～D6中，读FIFO时，低6位D5～D0始终为零。
FIFO是只读寄存器，复位时被清零。
ADCFIFO1地址为7036H，ADCFIFO2地址为7038H[2]。
前向通道电路原理图如下:
图3.3
其工作原理为热电偶将检测到的温度信号经变送器转换后，送入DSP的ADCIN0中进行A/D转换，转换后的信号再进行下一步处理。
3．4 TMS320F240的通用定时器
3．4．1中断系统
中断系统是现代计算机发展中的一项重要技术，几乎所有的微处理器都具有中断功能，DSP也不例外。
中断保证了CPU在运行中高效实时地处理外围设备的各种服务请求，软件中断也给用户开发系统带来方便。
中断使DSP控制器的CPU具有对外界异步事件的处理能力，通常DSP工作在包含多个外界异步事件的环境中，当这些事件发生时，CPU执行这些事件所要求的处理任务，中断就是要求DSP控制器的CPU暂停当前正在进行的工作，转而去处理这些外界事件，等处理完以后，再回到原来被中断的地方，继续CPU原先的工作。
显然，服务一个由外界异步事件引起的中断包括保存CPU的当前处理数据（也称保护现场），完成特定的中断任务，恢复各寄存器中的数据和现场，返回继续执行原先的工作。
中断能够充分发挥处理器的使用效率和实时能力。
输入输出设备通过中断方式同CPU通信，报告其完成CPU所要求的数据传输情况和问题，使CPU能立即运行中断处理程序，同时，还免除了CPU不断地查询和等待。
早期的CPU为了关注各种输入／输出设备的I/O状态，需要耗费大量时间轮询以获得这些信息，现在只需要由I/O通道或直接存储器访问（DMA）技术代替了CPU来完成这些事情.
TMS320F240中共有六个中断源，所谓中断源，即：
产生异步事件、请求CPU中断的设备。
这些中断源可以是片内的如片上外设电路等，也可以是片外的，如芯片外接的其他处理器等。
每个中断产生后都到一个固定的地方去找处理这个中断的程序，当然在去之前首
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