原创 基于DSP的加速度计温度控制系统的硬件设计

摘  要：文中采用 Texas Instrument(TI)公司的TMS320F240型DSP作为温度控制系统的核心,完成系统4路温度信号的采集、放大，数据送入DSP处理后输出4路PWM控制信号，经光电隔离和功率放大后控制加热片的工作，从而实现加速度计温度控制系统的闭环控制,满足系统的精度要求。
关键词：加速度计；温度控制；DSP；设计

1 引言
    近年来，数字信号处理器(DSP)得到了高速发展，性价比不断提高,广泛应用于各个领域,例如通信、语音处理、图像处理、模式识别及工业控制等方面，并且日益显示出巨大的优越性。数字信号处理器利用专门或者通用的数字信号处理电路，以数字计算的方法对信号进行处理，具有处理速度快、灵活、精确、抗干扰能力强、体积小以及可靠性高的特点，可满足对信号快速、精确、实时处理及控制的要求。文中以T1MS320F240型DSP为核心,设计了高精度的惯性导航加速计温度控制系统。

2 TMS320F240系列的基本特征
    TMS320F240将DSP的高速运算能力和高效控制能力集于一体,其主要特点如下：
    (1)核心CPU包括32位的中央算术逻辑单元(CALU)、32位累加器、16位×16位并行乘法器、3个定标移位寄存器和8个16位辅助寄存器,指令周期为50 ns(20 MI／s)，多数指令为单周期指令；
    (2)片内带有544 Bxl6位的数据／程序RAM和16 KBxl6位的掩模ROM或Flash EEPRClM,外部存储器接口具有16位地址总线和16位数据总线,224 KBxl6位的最大可寻址寄存器空间：
    (3)双10位模数转换器可实现双路信号同时采样，转换时间可以根据需要编程设置．最短转换时间为6．1 IJ,s；
    (4)6个外部中断，包括电源驱动保护中断、复位、非屏蔽中断NMI和3个可屏蔽中断。

3  温度控制系统硬件设计
    基于DSP设计的温度控制器利用DSP强大的高速运算能力，以及其片内集成的丰富的控制外围部件和电路,从而简化了电路的硬件设计,可以实现各种控制算法和控制策略,并通过异步串行通信接口来读取用户所需要的数据,便于用户分析实验结果。此外，还具有脱离DSP的高温硬件保护功能．可消除由于DSP系统意外失控所造成的系统超温危险，提高了温度控制系统工作的可靠性和使用安全性。系统结构如图1所示。

3．1 信号采集及放大电路
    信号采集电路是温度控制系统的重要组成部分．其对温度测量的精确性直接影响整个温度控制系统的精度。故本系统选用性能稳定的PT1000铂热电阻传感器作为测量温度信号的敏感元件。其阻值随温度的变化为：0℃时阻值为1 000Ω，温度系数为3．84Ω℃。线性度小于0．5％。信号采集电路采用对称的差动式电桥测量温度信号，铂热电阻器Rt和精密电阻器R1、R2及R3组成测量电桥。X检测为硬件保护电路的输入信号，温度信号采集及放大电路如图2所示。

    为了提高系统的采集精度，电桥采用美国模拟器件公司的高精度基准电压源AD586供电，并在其电桥前加一限流电阻RO使流过铂热电阻器Rt的电流小于10 mA。以尽量减小铂热电阻器在工作时产生的自身热效应对温度采集的影响。当温度发生变化时，铂热电阻器Rt的阻值也随之变化，电桥输出信号经运算放大器放大并经过相应的偏置处理后。使其电压满足DSP片内AID转换器的电压输入范围0 V一5 V，以进行AID转换。

3．2  外部存储器扩展
    在温度控制过程中，需要采集和处理大量的数据。TMS320F240固有的片上数据存储器空间显然不够．而且。在调试系统时如果有外部存储器，只需将程序通过仿真接口下载到外部存储器中而不需要再烧写到片内的Rash中。这样给程序调试带来了方便．因此选用ISSI公司生产的IS61C6416型静态存储器来扩展外部存储器。

    IS61C6416是采用CMOS工艺制成的64 Kxl6bit静态存储器．采用44引脚贴片式封装，5．0 V供电．输入输出电平与TTL电平相兼容，并具有高速的读写访问时间和低功耗工作方式。表1为IS61C6416的工作方式真值表。

    IS61C6416与TMS320F240的接口电路非常简单．其16条数据线和16条地址线直接与TMS320F240相连接即可。由表1可知，IS61C6416的工作方式由5条控制信号线控制，其中使能引脚和读写选择引脚与DSP相连以控制其读写操作，由于TMS320F240系列DSP为16位微处理器，其数据的读写不用分开来进行，故高位字节和低位字节使能引脚直接接地。

3．3  串行通信接口设计
    TMS320F240的串行通信接口(SCI)为其内部的可编程异步串行通信模块，它是标准的异步串行数字通信接口，可以实现半双工或者双工通信及多机之间的通信。SCI模块是8位片内外设，通过DSP的16位外部数据总线的低8位与外部设备通信，有独立的发送器和接收器。发送器和接收器均是双缓冲的．并且都有独立的使能位和中断位。通信传输速率即波特率可以通过SCI的2个16位的波特率选择寄存器编程来确定。

    SCI串行通信总线接口电路如图3所示．其接口电路比较简单，主要由Maxim公司的MAX232A和一些外围元件构成。SCIRXD和SCITXD分别接DSP控制器SCI串行通信模块的输出、输入引脚．RXD和TXD分别接电路板上RS一232标准接口的2端和3端，电阻器R2、R3和电容器C6、C7作为抗干扰元件。利用此串行通信总线可以实现基于DSP的温度控制系统与计算机之间的异步数据通信，可以使计算机实时地读取：DSP存储器内的数据，便于调试系统和分析实验结果。

3．4  高温保护电路
    通常情况下加速计的工作温度不能超过90℃．温度过高会烧坏加速计而使整个温控系统不能正常工作。为了避免系统电路出现异常而导致加速度计温度过高，笔者设计了脱离DSP的高温硬件保护电路，其保护温度点为85℃，电路如图4所示。

    此电路的工作原理是：当3个加速计的温度没有超过保护温度点时，X、Y、Z检测的电压信号大于-4．5 V，稳压管K1、K2、K3未被反向击穿，保护电路不工作，因而整个温度控制系统处于正常工作状态。反之，当其中任何1个加速计的温度超过高温保护温度点85℃时．将有1路检测的电压信号小于或等于-4．5 V，与其相对应的1个稳压二极管反向击穿，致使三极管Q1不导通，6N137型光电耦合器的输入为高电平，输出为低电平，三极管02不导通，而后级的4个三极管Q3、Q4、05及06均导通，使后级4路功率放大电路不工作．切断4个加热片的电源，从而对加速计起到保护作用。

3．5  光电隔离及功率放大
    加速计的温度信号经采集电路采集放大后．直接送人DSP的MD转换器进行A／D转换．转换后的数字信号经。DSP运算后，从DSP的PWM／CMP引脚输出PWM脉宽调制信号。此控制信号经6N137型光电耦合器隔离后，控制功率放大电路的工作．从而控制加热片的工作状态。功率放大电路由开关管Ql和Q2构成，其放大倍数约为2 OOO。X为保护电路的输出信号。电路如图5所示。

3．6 JTAG标准仿真接口设计
    与所有的微处理器一样，DSP的开发同样也需要一套完整的软硬件开发工具。笔者选用北京闻亭公司研制的TDS510型uSB接口仿真器．其仿真信号线采用JAG标准。IEEEl149．1，采用14线标准仿真接头。此。DSP目标系统与仿真器的距离小于152-4 mm(6英寸)，故用无缓冲的简单连接。其中，EMU0和EMU1必须接1只上拉电阻器(一般为4．7kΩ)，使信号上升时间小于10μs。

    仿真器只参与数据的传输，即将目标代码通过J|I'AG接口从计算机下载到目标系统的存储器中，而仿真是在DSP内完成的，因此，JTAG标准仿真接口是仿真器与DSP目标系统之间必须的通信接口，为DSP目标系统的仿真和调试带来了方便。在系统调试阶段，可以通过此仿真接口将编译后的程序代码下载到外部扩展的程序存储器，在线调试用户程序，查看内存、CPU寄存器、各种图表等内容。系统调试成功后可以利用烧写程序通过此仿真接口将调试好的程序烧到DSP的Flash中，使DSP目标系统成为可以独立运行的系统，使：DSP的开发更为方便。

4  实验测试
    采用上述基于DSP的温度控制系统，配合石英挠性加速度计组件以及加热片，利用闻亭公司的2000系列DS／，仿真调试软件CC'C2000，采用增量式比例、积分、微分(PID)控制算法，通过仿真接口对系统进行了大量的仿真实验，实验证明基于DSP的加速度计温度控制系统能够较好地实现控制效果。

5  结束语
    基于DSP的温度控制系统以高速DSP为核心，辅以相应的外围电路，可以实现复杂的控制，目前已用于某导航测试系统中。实际应用表明，该控制系统具有良好的控制性能，可满足系统的精度要求，具有一定的应用价值。