基于DSP的PID温度控制系统研.doc
《基于DSP的PID温度控制系统研.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于DSP的PID温度控制系统研.doc（49页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
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，在更换传感器时无须进行标定和校准，可做到“即插即用（Plug&Play）”，这样就极大地方便了用户。
（6）温度控制器单片测温控制系统
单片系统（SystemOnChip）是21世纪一项高新科技产品。
它是在芯片上集成一个系统或子系统，其集成度将高达108—109元件/片，这将给IC产业及IC应用带来划时代的进步。
半导体工业协会（SIA）对单片系统集成所作的预测见表1-1[3]。
表1-1单片系统集成电路的发展预测表
年份
2001
2002
2007
2010
最小线宽/um
0.18
0.13
0.1
0.07
包含晶体管数量/片
1.3×108
2.5×108
5×108
9×108
成本/（晶体管/毫美分）
0.2
0.1
0.05
0.02
芯片尺寸/mm2
750
900
1100
1400
电源电压/V
1.8
1.5
1.2
0.9
芯片I/O数
2000
2600
3600
4800
根据以上众多信息，我们可以断定温度控制器正朝着从模拟式向数字式、电子式由集成化向智能化、网络化的方向发展。
本次研究基于DSP的温度控制系统是相当有意义的，具有一定的实用价值。
1.3论文研究的主要内容
本论文所要研究的主要内容，就是如何将现今社会正在迅速发展并已得到广泛应用的DSP技术应用于温度控制系统中。
本课题所做的工作就是将DSP[4]技术应用在温度控制统中的温度数据信号采集及数据处理部分，并控制加热器以达到温度控制。
采用TMS320VC5402数字信号处理器，增量式PID算法[11]，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[12]。
论文详细阐述了DSP进行温度信号采集和处理的系统设计与实现。
利用这个系统，可以实现温度的控制功能。
整个系统的设计包括：
硬件电路的设计、DSP系统的软件编程。
1.4论文结构
第一部分：
阐述研究本系统的目的和意义；
第二部分：
系统的总体结构分析以及DSP芯片的选择；
第三部分：
系统硬件电路的设计，包括传感器的选型、主控制器的选择、信号调理电路及输出控制回路等；
第四部分：
DSP温度信号采集及数据处理软件的设计；
第五部分：
结论。
2系统的总体设计思路
2.1系统功能及总体结构
2.1.1系统功能分析
无论要控制温度的对象是什么，都应该能获得所需要的温度数据信号，并传达给DSP进行处理，最后控制温度执行器达到温度的控制。
本课题研究的是一个基于DSP的温度控制系统。
对它的设计是围绕着DPS来进行的。
经过上述分析可知本系统要求实现以下三种功能：
·准确同步采集温度数据信号；
·对信号的处理传送给DSP；
·DSP控制温度执行器。
2.1.2系统总体构思
根据系统要求实现的功能进行分析可知：
本测试系统实质上就是一个高速度的信号采集和数据处理系统。
整个系统应该由两部分构成：
·硬件部分；
·软件部分。
控制系统的工作思路是：
首先，系统工作，传感器开始采集温度模拟信号。
然后，模拟信号转换成为数字信号，传送到指定的数据存储区中，由DSP芯片进行数据处理。
最后，处理过的数据和信号进行温度执行器的控制，最终已达到控制对象的温度控制。
2.2数字信号处理器的选择
2.2.1数字信号处理器概述
数字信号处理（DSP，digitalsignalprocessing）是从20世纪60年代以来，随着信息科学和计算机科学的高速发展而迅速发展起来的一门新兴科学。
而数字信号处理器（DSPs，digitalsignalprocessors）是20世纪70年代末，80年代初开始发展起来的[5]。
1978年，AMI公司生产的S2811和1979年美国Intel公司生产的商用可编程器件2920是最早期的DSP处理器。
1980年，日本的NEC公司推出了第一个具有硬件乘法器的DSP处理器——μPD7720。
1981年贝尔实验室推出了DPSI与μPD7720，它们都是16位字长，具有片内乘法器和存储器的DSP处理器。
日本东芝公司1982年首次推出了浮点DSP芯片，而AT&T公司1984年推出的DSP32是较早的具备较高性能的浮点DSP处理器（M.J.Koskelo，2000；魏晓云等，2003）。
1982年德州仪器[6]（TI,TexasInstruments）公司的TMS320系列DSP处理器的问世是DSP应用历史上的一个里程碑，从此DSP进入高速发展的阶段。
DSP处理器在数字信号处理中展示了独特的优点，它的发展大致经历了三个阶段：
第一阶段是以TMS320C10/C2X为代表的16位定点DSP，它们的指令周期只有100ns～200ns。
它们的升级代替品是更为先进的ADSP21XX（AD公司）、TMS320C25/C5X/C2XX/C54X等型号；TI公司目前正在推出的低功耗芯片TMS320C55X，提供了相当于目前DSP六分之一的功耗和五倍的性能，特别适用于便携设备中。
第二阶段推出的是32位浮点DSP芯片，目前代表产品有ADSP21020、TMS320C3X等型号，运算能力大大提高，适用于数据动态范围很大的场合。
近几年出现了性能更高的第三代DSP，包括并行DSP和超高性能DSP，如TMS320C4X、ADSP2106X和1997年TI推出的C6XDSP（C62X——32位定点DSP和C67X——32位浮点DSP）。
（RussellTessier，2001）
数字信号处理系统具有精度高、可靠性强、集成度高、接口方便、灵活性好、保密性好以及能够时分复用等优点（张雄伟等，2003），无论是在性能上、成本上，还是经济效益上，在很多场合与模拟系统比起来都有明显的优势（FrantzGene，2000）[7]。
DSP强调处理的实时性。
数字信号处理不仅具有高速运算和控制能力，而且根据实时数字信号处理的特点，在处理器结构、指令系统、指令流程上都做了很大的改动。
主要有以下方面[8]：
·采用哈佛结构或改进的哈佛结构。
这种结构的最大特点就是使DSP芯片具有独立的数据存储空间和程序存储空间，CPU可以同时进行数据访问与指令读写，提高了数据吞吐率，因此比冯·诺依曼结构有更高的指令执行速度；
·针对数字信号处理中大量用到的乘累加操作的特点，配有独立的硬件乘法器和加法器，可以在一个指令周期内完成乘累加运算；
·指令系统采用流水线操作，一个任务被分解为若干个子任务，它们可以在执行时相互重叠，减少了每条指令的执行时间；
·DSP处理器的片内外两级存储结构使指令系统更加优化；
·采用特殊的DSP专用指令可以充分发挥DSP算法及各系列特殊设计的功能；
·快速的指令周期在对采样速率要求较高的实时信号处理场合可以发挥其强大的效用（苏涛，2002）。
由此可见，DSP处理器较其他微处理器的最大优点就在于它运行速度快。
应用DSP处理器的场合一般都是数据处理量较大的或要求信号处理实时性强的场合。
因此，在选择DSP芯片时，首先考虑的因素是DSP芯片的运算速度能否满足系统大运算量的要求，其次是DSP芯片的价格、硬件资源、运算精度、开发工具、功耗等其它因素（朱铭锆，2003）。
2.2.2DSP芯片的选择
DSP处理器按照工作的数据格式分类，可以分为定点DSP芯片（数据以定点格式工作）和浮点DSP芯片（数据以浮点格式工作）。
定点DSP芯片结构比浮点DSP芯片要简单、乘法——累加（MAC）运算速度快，但是运算精度低、动态范围小，因为其字长有限。
而浮点DSP芯片相较之下动态范围大，运算精度高，在对性能要求高的实时信号处理中有广泛的应用。
其缺点是芯片功耗大、价格高（王念旭，2002）。
考虑在本系统中虽然在滤波算法以及数据处理算法中都有浮点运算，但是运算并不复杂，利用定点DSP芯片中的Q表示方法进行数的定标运算完全可以达到目的，因此决定选用低功耗、低价位的定点DSP芯片作为本系统的核心部分[9]。
DSP芯片的发展迅速，在发明后不到30年的时间已经有20多个厂商推出了上百种型号的产品。
其中比较典型的定点DSP芯片有Motorola公司的MC5600X系列，AT&T公司的DSP32、DSP32C等。
应用最为广泛的DSP芯品是TI公司生产的TMS320系列，占市场份额50%以上，其次是AD公司的ADSP——21XX系列定点DSP芯片（苏涛，2002）。
与TI公司的产品相比，AD公司的芯片有自己的特点，如系统时钟一般不经过分频直接使用，串行口带有硬件压扩等（刘长军等，2002）。
TI公司几乎每一个系列产品都包括定点DSP芯片。
C2000系列芯片较适合应用于控制场合；TMS320C62XX系列、TMS320C64XX系列芯片是TI公司的最新一代产品，芯片的超高性能决定了其价值不菲，而本系统所要完成的任务并不需要如此高配置的芯片。
TI公司开发的新一代C5000系列DSP芯片TMS320C54X和TMS320C55X都拥有较好的性价比，并且在管脚和编程语言上兼容性好（BierJeff，2004）。
无论从硬件资源还是价格方面考虑都属最优选择。
不过，TMS320C55X系列的DSP芯片在市场上并不容易购得，相比之下，获取TMS320C54X系列的芯片的技术资料渠道广泛，在市场上也比较容易购买到，因此决定采用TI公司的TMS320C54X系列芯片中的一款应用于本系统中。
表2-1中比较了现在使用较为广泛的几种TI公司生产的定点TMS320C54X系列芯片的各种主要参数。
表2-1几种TMS320C54X系列的DSP芯片性能比较
比较项目
TMS320VC5402
TMS320VC5409
TMS320VC5410
TMS320VC5416
时钟周期（ns）
运算能力（MIPS）
RAM（Word）
ROM（Word）
DAT（ADDR）/PRO（Word）
DMA通道
McBSP
并口
10
100
16K
4K
64K/1M
6
2
HPI—8
5.66
10
100
32K
16K
64K/8M
6
3
HPI—8/16
11.95
8.33
120
64K
16K
64K/8M
6
3
HPI—8/16
15.34
6.25
160
128K
16K
64K/8M
6
3
HPI—8/16
29.87
可以看出，几种DSP芯片都有较高的性价比以及较低的功率，其性能都可以满足系统的要求。
比较之后发现，这一系列的产品都具有大致相似的功能，运算能力都不差，主要差别只是在于每个芯片的片内外存储器的容量不同，运算能力也有一些差别。
尤其是近年来新推出的TMS320VC5416芯片，运算能力已经可以达到160MIPS，而且具有相当大的程序空间和数据空间。
不过，TMS320VC5416芯片的价格较贵，几乎是TMS320VC5402[10]芯片的5.28倍。
而TMS320VC5409芯片虽然性价比相对较高，但是却不容易在市场购得。
几种芯片相比较，TMS320VC5402芯片的价格最低，单指令周期最高可达10ns，运算能力为100MIPS。
由于本系统的程序并不复杂，除了采集信号时需要数据的实时操作，之后完全可以通过分批调用外部数据空间中的数据来进行程序的操作，因此，只要系统适当的扩展一定的外部存储空间，片内16K的RAM和4K的ROM足够满足本系统的功能要求。
而且，TMS320VC5402芯片在正常工作时功耗只有60～70mW。
软件可编程锁相环在CPU不工作时，可以降低时钟频率，从而可降低功耗，而正常工作时，又可很快提升时钟频率；软件可以利用空闲指令（IDLE1、IDLE2、IDLE3）将TMS320VC5402置于省电模式；片内的软等待状态发生器和DMA通道等外设，为硬件调试和软件编程带来了极大的便利。
综
升级会员 