基于DSP的PID温度控制系统研

摘要数字信号处理器DSP是一种独特的微处理器，它的强大数据处理实力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。本课题采纳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限制。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，限制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。本设计对于温度限制的实现、应用与提高系统限制要求、精度、速度、能耗有肯定的实际意义。关键字：PID，DSP，TMS320VC5402，温度限制

ABSTRACTTheDSP(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TOC\o"1-2"\h\u10895摘要 I279171绪论 129641.1本课题探讨意义 11711.2国内外探讨动态和趋势 2264471.3论文探讨的主要内容 4311951.4论文结构 4261772系统的总体设计思路 637432.1系统功能及总体结构 6327082.2数字信号处理器的选择 653193系统的硬件电路设计 14263343.1硬件开发软件简介 1476553.2系统硬件结构 1537913.3电源模块和复位电路的设计 16246353.4模拟信号采集及A/D转换电路 1733213.5DSP的外部存储器扩展 21152093.6温度限制模块 2128284PID算法 24246974.1对象分析 24214124.2PID算法概述 2478115系统的软件设计 3052995.1设计工具--CCS简介 3086795.2DSP内存单元的安排 3237015.3主限制程序 3387015.4系统的初始化 35232285.5数据采集子程序 3765695.6数据处理子程序 3860975.7温度限制执行程序 39187486试验过程与数据 40233676.1.PID参数的确定 40298136.2.数据采集 40134187结论 429656致谢 43826参考文献 44826附录硬件电路实物图 451绪论1.1本课题探讨意义在化工、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，须要精确地加以限制。除了这些部门之外，温度限制系统还广泛应用于其他领域，是用途很广的一类工业限制系统。温度限制系统常用来保持温度恒定或者使温度依据某种规定的程序变更。温度限制器发展初期是机械式广泛用于工农业生产、科学探讨和生活等领域，数量日渐上升[1]。近百年来，温度限制器的发展大致经验了以下阶段：(1)模拟、集成机械式温度限制器；(2)电子式智能温度限制温度限制器，这类温度限制器采纳双金属片或充气膜盒感测室内温度，运用波段开关干脆调整风速。双金属片温度限制器现基本已淘汰，只运用在一些要求不高较低档场合；充气膜盒温度限制器当前较流行，但总体来讲机械式温度限制器缺点特别明显：（1）．机械式温度限制器外观陈旧呆板。（2）．机械式温度限制器控温精度差。（3）．简洁打火（干脆切换强电）。（4）．极易在一个微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、信息采集限制在任何行业都是不行逆转的潮流，电子式温度限制器全面取代机械式温度限制器将在将来很短时间内实现，有人会问：“市场为什么目前看来机械式温度限制器比电子式牢靠？”，只是因你运用的电子温度限制器没作好，一个设计精湛考虑周全的智能电子温度限制器肯定比机械式温度限制器牢靠。温度限制器属于信息技术的前言尖端产品，目前，国际上新型温度限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在运用便利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起先发觉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，并探究浮点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困难指令程序，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。它的强大数据处理实力和高运行速度，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技术带来了确定数字技术将来的突破性应用。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、限制外设，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本身是一个特别高端的技术，强调算法和软件创新，具有更强的数据处理实力实现优化算法、更低的系统成本等优点。随着中国渐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。其中温度是一个特别重要的过程变量，因为它干脆影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流淌等物理和化学过程。温度限制不好就可能引起生产平安，产品质量和产量等一系列问题。尽管温度限制很重要，但是要限制好温度常常会遇到意想不到的困难。人为地通过开关限制温度在很多的场合明显是不相宜，甚至是不允许的，所以这就要求我们开发并运用一种能通过自行限制的；可以依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、有高度危急性的、精度要求极高的场合的自动限制系统-PID限制无疑是最适合的，这正是PID限制系统存在的理由和意义。也是此次探讨的意义之一。正是因为种种因素，本课题打算探讨实现基于DSP的温度限制系统。本课题采纳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国内外探讨动态和趋势在20世纪90年头中期最早推出的智能温度限制器，采纳的是8位A/D转换器，其测温精度较低，辨别力只能达到2°°C。为了提高多通道智能温控器的转换速率，也有的芯片采纳高速逐次靠近式A/D转换器。进入21世纪后，智能温度限制器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高牢靠性及平安性、开发虚拟温度限制器和网络温度限制器、研制单片测温控温系统等高科技的方向快速发展。(1)提高温度限制器测温精度和辨别力在20世纪90年头中期最早推出的智能温度限制器，采纳的是8位A/D转换器，其测温精度较低，辨别力只能达到2°°C。为了提高多通道智能温控器的转换速率，也有的芯片采纳高速逐次靠近式A/D转换器。(2)增加温度限制器测试功能新型智能温度限制器的测试功能也在不断增加。例如，采纳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，智能温度限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建了良好条件。智能温度限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，操作特别简便。对某些智能温度限制器而言，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，辨别力及最大转换时间。(3)温度限制器总线技术的标准化与规范化目前，智能温度限制器的温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采纳的总线主要有单线(1-Wire)总线、I2C总线、SMBus总线和spI总线。采纳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)温度限制器牢靠性及平安性设计传统的A/D转换器大多采纳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实力比较差。新型智能温度限制器普遍采纳了高性能的Σ－Δ式A／Ｄ转换器，它能以很高的采样速率和很低的采样辨别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，来提高有效辨别力。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；由于采纳了数字反馈方式，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。这种智能温度限制器兼有抑制串模干扰实力强、辨别力高、线性度好、成本低等优点。(5)虚拟温度限制器和网络温度限制器虚拟温度限制器是基于温度限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限制器的标定及校准，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。运用时，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。网络温度限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限制器。它通过数字传感器首先将被测温度转换成数字量，再送给微限制器作数据处理。最终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)”，这样就极大地便利了用户。(6)温度限制器单片测温限制系统单片系统(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料见表1-1[3]。表1-1单片系统集成电路的发展预料表年份2001200220072010最小线宽/um0.180.130.10.07包含晶体管数量/片1.3×1082.5×1085×1089×108成本/(晶体管/毫美分)0.20.10.050.02芯片尺寸/mm275090011001400电源电压/V1.81.51.20.9芯片I/O数2000260036004800依据以上众多信息，我们可以断定温度限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。本次探讨基于DSP的温度限制系统是相当有意义的，具有肯定的好用价值。1.3论文探讨的主要内容本论文所要探讨的主要内容，就是如何将现今社会正在快速发展并已得到广泛应用的DSP技术应用于温度限制系统中。本课题所做的工作就是将DSP[4]技术应用在温度限制统中的温度数据信号采集及数据处理部分，并限制加热器以达到温度限制。采纳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限制。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，限制XF输出的脉宽[12]。论文具体阐述了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，可以实现温度的限制功能。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：阐述探讨本系统的目的和意义；其次部分：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、主限制器的选择、信号调理电路及输出限制回路等；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限制温度的对象是什么，都应当能获得所须要的温度数据信号，并传达给DSP进行处理，最终限制温度执行器达到温度的限制。本课题探讨的是一个基于DSP的温度限制系统。对它的设计是围围着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：·精确同步采集温度数据信号；·对信号的处理传送给DSP；·DSP限制温度执行器。2.1.2系统总体构思依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。整个系统应当由两部分构成：·硬件部分；·软件部分。限制系统的工作思路是：首先，系统工作，传感器起先采集温度模拟信号。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。最终，处理过的数据和信号进行温度执行器的限制，最终已达到限制对象的温度限制。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年头以来，随着信息科学和计算机科学的高速发展而快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年头末，80年头初起先发展起来的[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年贝尔试验室推出了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，从今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，它的发展大致经验了三个阶段：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，供应了相当于目前DSP六分之一的功耗和五倍的性能，特殊适用于便携设备中。其次阶段推出的是32位浮点DSP芯片，目前代表产品有ADSP21020、TMS320C3X等型号，运算实力大大提高，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、牢靠性强、集成度高、接口便利、敏捷性好、保密性好以及能够时分复用等优点（张宏伟等，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限制实力，而且依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]：·采纳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；·指令系统采纳流水线操作，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，削减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；·采纳特殊的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处理器依据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芯片要简洁、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，但是运算并不困难，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，因此确定选用低功耗、低价位的定点DSP芯片作为本系统的核心部分[9]。DSP芯片的发展快速，在独创后不到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干脆运用，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限制场合；TMS320C62XX系列、TMS320C64XX系列芯片是TI公司的最新一代产品，芯片的超高性能确定了其价值不菲，而本系统所要完成的任务并不须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芯片在市场上并不简洁购得，相比之下，获得TMS320C54X系列的芯片的技术资料渠道广泛，在市场上也比较简洁购买到，因此确定采纳TI公司的TMS320C54X系列芯片中的一款应用于本系统中。表2-1中比较了现在运用较为广泛的几种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TMS320VC5402TMS320VC5409TMS320VC5410TMS320VC5416时钟周期（ns）运算实力（MIPS）RAM（Word）ROM（Word）DAT（ADDR）/PRO（Word）DMA通道McBSP并口1010016K4K64K/1M62HPI—85.661010032K16K64K/8M63HPI—8/1611.958.3312064K16K64K/8M63HPI—8/1615.346.25160128K16K64K/8M63HPI—8/1629.87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。比较之后发觉，这一系列的产品都具有大致相像的功能，运算实力都不差，主要差别只是在于每个芯片的片内外存储器的容量不同，运算实力也有一些差别。尤其是近年来新推出的TMS320VC5416芯片，运算实力已经可以达到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，但是却不简洁在市场购得。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，运算实力为100MIPS。由于本系统的程序并不困难，除了采集信号时须要数据的实时操作，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肯定的外部存储空间，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。综上缘由，最终选择TMS320VC5402型DSP芯片作为本系统的CPU。2.2.3TMS320VC5402介绍（1）概述TMS320VC5402DSP具有很高操作敏捷性和速度。它具有先进的修正哈弗结构（一条程序总线、三条数据总线和四条地址总线）、特地硬件逻辑的CPU、片内存储器、片内外设和专用的指令集、将VC5402DSP的CPU和片内存储器与外设配置组合在一起的螺旋结构。使得它可以满足电子市场众多领域的应用要求。VC5402DSP具有以下优点：增加的哈弗结构。具有一条程序总线、三条数据总线和四条地址总线，是系统的性能大大增加。具有高度平行和带有特地硬件逻辑的先进CPU设计。为快速算法二设计的高度专用的指令系统以及优化的高级语言开发系统。模块化结构设计。高性能和低功耗的先进IC工艺技术。新的静电设计结构而获得的低功耗和增加的抗辐射实力。（2）特点VC5402DSP是为实现低功耗、高性能而特地设计的定点DSP芯片，其主要特点包括：1）CPU采纳先进的多总线结构（一条程序总线、三条数据总线和四条地址总线）。40位算术逻辑单元（ALU),包括一个40位的桶式移位器和两个独立的40位累加器。17位×17位并行乘法器和一个40位专用的加法器，用于非流水线的单周期乘法/累加（MAC）操作。比较、选择、存储单元（CSSU），用于维特比算子的加法/比较选择。指数编译器E，用来在一个单周期内计算一个40位累加器中数值的指数。两个地址产生器，包括八个协助寄存器和两个协助寄存器算术单元。2）存储器192K字×16位可寻址的存储器空间（64K字的程序空间、64K字的数据空间和64K字的I/O），对于VC5402可以扩展程序空间位8M字。片内配置见表2-2表2-2VC5402DSP的内部配置（单位：K字）芯片程序ROM程序/数据ROMDARAMSARAMC540244160指令集单指令重复和块重复操作。用于程序和数据管理的块存储器移动指令。32位长操作数指令。2或3哥操作数同时读的指令。具有并行存储和并行加载的算术指令。条件存储指令。从中断快速返回片内外设软件可编程的等待状态发生器可编程的存储器转换。具有内部振荡器或外部时钟源的片内锁相环（PLL）时钟发生器。当时用外部时钟源时，可以从表2-3中的选项中选择倍频值，每种器件只能从表中的某一个选项中选择时钟PLL倍频，而不能同时从两个选项中选择。表2-3运用外部时钟时的可选PLL倍频值选项1选项2选项31.01.52.03.01.04.04.55.0软件可编程PLL外部总线关限制刻禁止外部数据总线、地址总线和限制信号。具有总线保持器特性的数据总线。可编程的定时器。端口，见表2-4所示

表2-4VC5402DSP的端口配置数量芯片主机端口接口串行接口数量同步缓冲多通道缓冲时分复用VC540210020周期VC5402DSP具有25/20/15/12.5/10/6.25ns单周期、定点指令执行周期，具体可参考相关的器件手册。电源可用IDLE1、IDLE2和IDLE3指令来限制功耗，以工作在节电方式。限制可以禁止CLKOUT信号。仿真标准VC5402DSP的仿真标准符合IEEE1149.1标准。图2-1TMS320VC5402的典型结构框图内部硬件结构C5402DSP的内部硬件结构包括如下功能单元：中心处理单元（CPU）。可以进行高速并行运算和逻辑处理。内部总线结构。有八条16位总线，包括四条程序/数据总线和四条地址总线，因此，可以在每个指令周期内产生两个数据存储地址，大大提高了并行数据处理速度。特殊功能寄存器。共有26个特殊功能寄存器，用于对片内个功能模块进行限制、访问和其他管理。这些寄存器位于一个具有特殊功能的CPU映射存储区内。数据存储RAM。片内的数据存储空间RAM分成两类：一类是每个指令周期内可以进行两次存取操作的双访问RAM(DARAM)；另一类是每个指令周期只能进行一次存取操作的单访问(SARAM)。程序存储器ROM。片内程序存储器有片内ROM、双访问RAM(DARAM)、单访问RAM(SARAM)、双访问和单访问可共享的RAM（可通过软件配置为程序存储空间）。程序空间不仅定义在ROM上，也可以定义在RAM中。当须要高速运行的程序时，可以应用自动加载的方法，讲程序载入片内RAM，提高运行效率，降低对外部ROM的速度要求。I/O端口。只有两个通用I/O,即EQ\*jc2\*"Font:宋体"\*hps12\o\ad(\s\up11(———),BIO)和XF。为了访问更过的通用I/O,可以对主机通信并行接口和同步串行接口进行配置，以用作通用I/O。另外，还可以扩展外部I/O，可以访问64K字的I/O，外部I/O必需运用缓冲或锁存电路，协作外部I/O读写限制时序构成外部I/O的限制电路。主机通信接口（HPI)。HPI供应与主机处理器接口的并行接口。通过片内存储器实现DSP和主处理器之间的信息交换。串行接口。DSP的串行接口随期间的不同而不同，可分为四种：同步串行接口、带缓冲的同步接口（BSP）、多通道带缓冲的串行接口（McBSP）和时分复用（TDM）串行接口。定时器。DSP具有一个带4位预定标器的16位定时电路。定时器可以由特地的状态位编程实现停止、重启动、复位和静止。定时器计数器每次减到0，则产生一个定时中断。在每个CLKOUT周期，定时器计数器削减1。中断系统。DSP的中断可以由硬件驱动（硬件中断）或软件驱动（软件中断）。当中断产生后，DSP会挂起它的主程序，而执行中断服务程序（ISR）。一般的，中断由须要取数据或给数据的硬件器产生（例如ADC、DAC和其他处理器）。（4）CPU模式选择CPU通常状况下可以依据用户需求工作在不同的模式下，主要用MP/的电平来确定。当MP/为高电平常，DSP工作在微处理器模式，当MP/为低电平常。DSP工作在为计算机方式。在不同模式下存储器映射表有所不同。具体信息请查阅相应的数据手册。

3系统的硬件电路设计3.1硬件开发软件简介3.1.1Protel99组成1）原理图设计系统原理图设计系统是用于原理图设计的Advanced

Schematic系统。这部分包括用于设计原理图的原理图编辑器Sch以及用于修改、生成零件的零件库编辑器SchLib。2）印刷电路板设计系统印刷电路板设计系统是用于电路板设计的Advanced

PCB。这部分包括用于设计电路板的电路板编辑器PCB以及用于修改、生成零件封装的零件封装编辑器PCBLib。3）信号模拟仿真系统信号模拟仿真系统是用于原理图上进行信号模拟仿真的系统。4）可编程逻辑设计系统

Protel99内置编辑器可编程逻辑设计系统是基于CUPL的集成于原理图设计系统的PLD设计系统。这部分包括用于显示、编辑文本的文本编辑器Text和用于显示、编辑电子表格的电子表格编辑器Spread。3.1.2Protel99的主要特性如下：Protel99系统针对Windows

NT4/9X作了纯32位代码优化，使得Protel99设计系统运行稳定而且高效。SmartTool（智能工具）技术将全部的设计工具集成在单一的设计环境中。SmartDoc（智能文档）技术将全部的设计数据文件储存在单一的设计数据库中，用设计管理器来统一管理。设计数据库以.ddb为后缀方式，在设计管理器中统一管理。

运用设计管理器统一管理的文档是在Protel99中新提出来的，以前版本中没有。SmartTeam（智能工作组）技术能让多个设计者通过网络平安地对同一设计进行单独设计，再通过工作组管理功能将各个部分集成到设计管理器中。PCB自动布线规则条件的复合选项极大的便利了布线规则的设计。用在线规则检查功能支持集成的规则驱动PCB布线。继承的PCB自动布线系统最新的运用了人工智能技术，如人工神经网络、模糊专家系统、模糊理论和模糊神经网络等技术，即使对于很困难的电路板其布线结果也能达到专家级的水平。对印刷电路板设计时的自动布局采纳两种不同的布局方式，即Cluster

Placer（组群式）和基于统计方式（Statistical

Placer）。

在以前版本中只供应了基于统计方式的布局。Protel99新增加了自动布局规则设计功能，Placement标签页是在Protel99中新增加的，用来设置自动布局规则。增加的交互式布局和布线模式，包括“Push-and-shove”（推挤）。电路板信号完整性规则设计和检查功能可以检测出潜在的阻抗匹配、信号传播延时和信号过载等问题。Signal

Integrity标签页也是在Protel99中新增加的，用来进行信号完整性的有关规则设计。零件封装类生成器的引入改进了零件封装的管理功能。广泛的集成向导功能引导设计人员完成困难的工作。原理图到印刷电路板的更新功能加强了Sch和PCB之间的联系。完全支持制版输出和电路板数控加工代码文件生成。可以通过Protel

Library

Development

Center升级广泛的器件库。可以用标准或者用户自定义模板来生成新的原理图文件。集成的原理图设计系统收集了超过60000元器件。通过完整的SPICE

3f5仿真系统可以在原理图中干脆进行信号仿真。可以选择超过60中工业标准计算机电路板布线模板或者用户可以自己生成一个电路板模板。Protel99开放的文档功能使得用户通过API调用方式进行三次开发。集成的（Macro）宏编程功能支持运用Client

Basic编程语言。3.2系统硬件结构在系统的硬件电路结构中，DSP芯片TMS320VC5402是整个系统的核心，它担当着信号的采集，数据的算法实现，数据上传，以及对系统各部分模块的工作状况进行协调和限制的作用。系统硬件主要由6大部分组成：1）执行机构—晶闸管，2）温度采集处理器，3）DSP处理器，4）被控对象—电热杯，5）显示器，6）串行通信，系统的硬件总体框图如下图所示。显示显示电热杯温度采集处理电路DSP晶闸管串行通信图3-1系统的硬件总体框图下面，将具体讲解并描述各部分的硬件电路设计。3.3电源模块和复位电路的设计3.3.1电源模块的设计系统中的各器件对于各自的供电电源有着不同的须要，单是TMS320VC5402芯片的电源电压就有3.3V和1.8V两种：3.3V电压供I/O接口运用；1.8V电源主要供应器件（包括CPU和其他全部的外设逻辑）的内部电压（清源科技，2003）。总结后发觉，系统须要同时存在1.8V、3.3V以及5V几种供电电压。而且，5V电压还分为数字5V以及模拟±5V电压，3.3V电压也分为模拟和数字两种。本系统主电源采纳+5V单电源供电，利用73HD735芯片来产生3.3V与1.8V电源。电源模块的电路如图3-2所示。图3-2电源模块原理图3.3.2电源监测和复位电路的设计系统要求同时存在几种供电电源，尤其是电路的核心器件TMS320VC5402芯片自己就须要1.8V和3.3V两种电源，因此任何一个电源的不稳定都将影响系统的运行状态甚至造成系统损坏。为了有效爱护电路，采纳TPS3307—18芯片来监督系统各电源电压。TPS3307系列芯片是特地为DSP等多电压要求芯片所设计的低功耗供电电压状态监测芯片。TPS3307——18芯片可以同时监测3.3V/1.8V/可调电压三个独立的大于1.25V的系统供电电压。当系统中任何一个供电电压超过正常电压允许范围时，TPS3307——18芯片的引脚变为高电平，引脚变为低电平，直到供电电压复原正常才复原默认状态。为确保目标系统正确复位，每次复位引脚被激活后，TPS3307——18芯片还供应200ms的延时时间保持复位引脚的状态不变[13]。本系统的复位电路原理图如图3-3所示：引脚连接到DSP芯片的脚，一旦电压不稳定就会促使DSP芯片复位，这样，TPS3307——18芯片就可以有效爱护DSP芯片不会因为电压不稳定而被损坏。另外，TPS3307——18芯片的引脚连接到A/D芯片的引脚和串并转换芯片SST16C550的引脚上，这样，在DSP芯片复位的同时，也会复位SST16C550芯片，并将A/D芯片调整成掉电模式，这就禁止了系统其它主要模块的工作，使得整个系统全部复位。图3-3复位电路原理图图3-3复位电路原理图TPS3307—18芯片也可以手动调整复位。手动调整方法为：当按键S1按下时，引脚变为低电平，激活引脚和引脚有效，强制系统复位。3.4模拟信号采集及A/D转换电路图3-4数据信号采集、处理框图3.4.1模拟信号采集图3-5传感器采集温度数据图3-6信号放大处理3.4.2模/数转电路的设计模数转换[14]芯片选用AD7822[15]，单极性输入，采样辨别率8BIT，并行输出；內含取样保持电路，以及可选择运用內部或外部参考电压源，具有转换后自动Power-Down的模式，电流消耗可降低至5μA以下。转换时间最大为420ns，SNR可达48dB，INL及DNL都在±0.75LSB以內。可应用在数据采样、DSP系统及移动通信等场合。在本试验系统中，参考电压源+2.5V,偏置电压输入引脚Vmid=+2.5V。模拟输入信号经过运放处理后输入AD7822。3.4.3ADS7822的功能特点ADS7822是美国BB公司推出的一种高性能12位A/D转换器,他具有如下特点:1)采样速率可达75kHz;2)单电源供电,可以在2.0～5.0V的电源电压下工作,范围广;3)微功耗:采样速率75kHz时为0.54mW;7.5kHz时为0.06mW;掉电模式时,最大电流为3μA;4)体积小,有8脚DIP,SOIC及MSOP封装;5)模拟信号可单端或差分输入;6)采纳串行方式和与CPU相连。下图所示为ADS7822的引脚排列图。图3-7ADS7822引脚排列图因此,低电压、微功耗、结构简洁和体积小的特点使其特殊适用于电池供电和其他须要微功耗的工作系统,如便携式智能仪器、远程数据采集、隔离数据采集、传感器接口单元等。下表对各引脚的功能进行了描述。

表3-1ADS7822引脚功能描述引脚符号功能描述12345678Vref+In-InGNDEQ\*jc2\*"Font:TimesNewRoman"\*hps6\o\ad(\s\up6(——),CS)/SHDNDoutDCLOCK+VCC参考电压输入端。模拟信号输入同相端。模拟信号输入反相端,与地或远端传感信号参考点相连。电源地。片选端。低电平常片选有效;高电平常芯片工作在掉电模式。串行数据输出端。串行输出数据由12位组成。转换时,数据在DCLOCK的下降沿有效,在CS下降沿后的其次个时钟脉冲允许串行数据输出,经一个无效位后输出的是12位有效数据。数据时钟端。同步串行数据发送并确定转换速率。供电电源端。表3-2AD7822编码表引脚说明VinVref/2VrefVref+Verf/2D7~D0000000001000000011111111系统模/数转换原理图见3-8所示。图3-8模/数转换电路原理图图3-9电平转换电路原理图3.5DSP的外部存储器扩展图3-10外扩RAM的接口电路原理图3.6温度限制模块系统采纳双向可控硅，可在任何一个方向导通，是一种志向的沟通开光限制器。温度限制的可控硅限制电路如下：4321脚和5脚不接可控硅驱动4321脚和5脚不接可控硅驱动图3-11温度限制模块原理图3.6.1MOC3021的功能特点特征：良好的稳定性-低等级IR二极管高阻抗电压-最小电压有效值5300VAC试验室（UL）认证-#E90700文件模块化峰值电压-400VVED认证（#94766文件）图3-12MOC3021引脚排列3.6.2BT137的功能特点图3-13BT137表3-3BT137引脚说明引脚描述123tab主极1主极2门极主极2

4PID算法4.1对象分析对于水温是一个非线性对象，具有大惯性的特点，在低温段惯性大，在高温段惯性小。由于水温限制系统又为大滞后的系统，一般可认为其具有以下的传递函数形式：G(s)=(K/(Ts+1))e―τs(4-1)脉宽调制（PWM）[17]是一种调制或变更某个方波的简洁方法。它通过在一个固定周期内变更方波的占空比来进行调制，方波占空比基本形式是随输入信号变更的。4.2PID算法概述PID限制器（按闭环系统误差的比例、积分和微分进行限制的调整器）自30年头末期出现以来，在工业限制领域得到了很大的发展和广泛的应用。它的结构简洁，参数易图4-1模拟PID限制于调整，在长期应用中已积累了丰富的阅历。特殊是在工业过程限制中，由于被限制对象的精确的数学模型难以建立，系统的参数常常发生变更，运用限制理论分析综合不仅要耗费很大代价，而且难以得到预期的限制效果。在应用计算机实现限制的系统中，PID很简洁通过编制计算机语言实现[16]。由于软件系统的敏捷性，PID算法可以得到修正和完善，从而使数字PID具有很大的敏捷性和适用性。实现PID限制的计算机限制系统如图4-1所示，其中数字PID限制器是由软件编程在计算机内部实现的。PID有几个重要的功能：供应反馈限制；通过积分作用可以消退稳态误差；通过微分作用预料将来。具体分析如下：比例调整作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调整马上产生调整作用用以削减偏差。比例作用大，可以加快调整，削减误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调整作用：是使系统消退稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调整就进行，直至无差，积分调整停止，积分调整输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调整可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调整规律结合，组成PI调整器或PID调整器。但误差较大时，系统简洁出现积分饱和，从而导致系统出现很大的超调量甚至出现失控现象。微分调整作用：微分作用反映系统偏差信号的变更率，具有预见性，能预见偏差变更的趋势，因此能产生超前的限制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调整作用消退。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适状况下，可以削减超调，削减调整时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调整，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变更率，而当输入没有变更时，微分作用输出为零。微分作用不能单独运用，须要与另外两种调整规律相结合，组成PD或PID限制器。4.2.1增量式PID算法PID限制器是一种线性调整器，这种调整器是将系统的给定值r与实际输出值y构成的限制偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D），通过线性组合构成限制量，所以简称PID限制器。连续限制系统中的模拟PID限制规律为：（4-2）式中是限制器的输出，是系统给定量与输出量的偏差，是比例系数，是积分时间常数，是微分时间常数。其相应传递函数为：（4-3）注：各符号含义如下：-限制器的输出值。-限制器输入与设定值之间的误差。-积分时间常数。-微分时间常数。-调整周期。对于增量式算法，可以选择的功能有：比例调整器、积分调整器和微分调整器的作用：1）比例调整器：比例调整器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调整器马上产生限制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变更，限制作用的强弱取决于比例系数。比例调整器虽然简洁快速，但对于系统响应为有限值的限制对象存在静差。加大比例系数可以减小静差，但是，过大时，会使系统的动态质量变坏，引起输出量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。2）比例积分调整器：为了消退在比例调整中的残余静差，可在比例调整的基础上加入积分调整。积分调整具有累积成分，只要偏差不为零，它将通过累积作用影响限制量，从而减小偏差，直到偏差为零。假如积分时间常数大，积分作用弱，反之为强。增大将减慢消退静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。引入积分词节的代价是降低系统的快速性。3）比例积分微分调整器：为了加快限制过程，有必要在偏差出现或变更的瞬间，按偏差变更的趋向进行限制，使偏差歼灭在萌芽状态，这就是微分调整的原理。微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。由于计算机系统是一种采样限制系统，只能依据采样时刻的偏差值计算限制量，因此，利用外接矩形法进行数值积分，一阶后向差分进行数值微分，当采样周期为T时，（4-4）假如采样周期足够小，这种离散靠近相当精确。上式中为全量输出，它对应于被控对象的执行机构第i次采样时刻应达到的位置，因此，上式称为PID位置型限制算式。可以看出，按上式计算时，输出值与过去全部状态有关。当执行机构须要的不是限制量的肯定数值，而是其增量时，可导出下面的公式：（4-5）或（4-6）式5称为增量型PID限制算式；式6称为递推型PID限制算式；增量型限制算式具有以下优点：计算机只输出限制增量，即执行机构位置的变更部分，因而误动作影响小；在i时刻的输出，只需用到此时刻的偏差，以及前一时刻，前两时刻的偏差、，和前一次的输出值，这大大节约了内存和计算时间；在进行手动—自动切换时，限制量冲击小，能够较平滑地过渡；4.2.2PID在水温中的限制图4-2为典型的二阶系统单位阶跃响应曲线。通常采纳系统偏差与其变更率的乘积e×de/dt作为特征量，反映系统误差的变更趋势，在AB段，或CD段等，e×de／dt＞0，说明误差正在增大；在BC段，或DE段等，e×de／dt＜0，表示误差正在减小。在PID限制中利用该特征变量，可以使积分作用更加符合人的限制特征。事实上，限制系统中引入积分作用是削减系统稳态误差的重要途径，但这种积分限制作用也存在以下缺点：其一，积分限制作用针对性不强，甚至有时不符合限制系统的客观须要；其二，只要有误差存在就始终不断进行积分，导致“积分饱和”，降低系统的快速性；其三，积分参数不易选择，而选择不当往往导致系统出现振荡。人的记忆功能一般来说具有某种选择性，而常规PID限制的积分作用对误差信号的记忆中也包括了对限制不利的信息，缺乏智能性。图2—3中，在AB段或CD段等，e×de／dt＞0，说明误差正在增大，可考虑限制器实施PID作用，以使误差肯定值朝减小方向变更，快速减小误差的肯定值。在BC或DE段，e×de／dt＜0，说明误差肯定值正在减小，可将PID限制器中积分作用去掉，停止积分，以利于系统借助于惯性向稳态过渡。在时刻a，c，e，虽然e＝0，但de／dt≠0，说明系统误差在某一时刻虽为零，但很快将变为不平衡状态，此时若停止积分作用，则调整器限制作用减弱，不利于系统刚好消退误差。在f到g时刻，e×de／dt＝0，但｜e｜≠0，说明这段时间里系统偏差固定不变，也必需加上积分作用，尽快消退偏差。当e＝e×de／dt＝0，分别积分作用。另外，水温系统由于惯性大、拖延时间长，限制器输出指令u（t）会常常处于饱和点。实际水温信号低于设定值时，限制器输出指令u（t）要求增加输出量，由于拖延等因素的存在，往往使u（t）出现100％饱和。当实际水温信号回升时，指令u（t）仍在100％，只有当实际水温信号超过设定值时，输出才从100％起先下降，由于存在惯性，水温仍旧上升；要使输出指令u（t）退出饱和点，经验若干时间,水温才起先下降，一旦低于设定值，又起先一个新的动作周期，使水温在较大范围内波动。解决方法是在线监测偏差变更率de／dt，依据de／dt的符号，在一个有限域内确定设定值的跟踪方向。调整系统在水温状态变更后，即发生限制作用，不完全依据设定值与被调量的偏差e来确定u（t）的增或减，就会取得一种较为合理的超前限制效果。例如，当de／dt＞0时，设定值切换到有限域的下限，再加上PID，使u（t）尽快减小；反之，de／dt＜0时，设定值切换到上限，u（t）尽快增大。图4-2典型二阶系统单位阶跃响应曲线4.2.3数字PID限制器的参数整定在实际限制系统中，限制算式一旦确定，比例、积分和微分参数的整定就成为重要的工作。限制效果的好坏在很大程度上取决于这些参数选择得是否得当。关于PID限制参数整定方法有很多,主要有简易工程整定法、频率特性法、跟轨迹法和最优化方法等，后三种方法属于理论设计，要求已知被控对象的精确的数学模型，这在工业过程限制中较难作到。通常首先要对工业对象的动态特性作某种简洁假设。因此，由这些整定方法得到的参数值在运用时不肯定是最佳的，往往只作为参考值。在实时限制中，还要在这些值旁边探究，找出好用中有效的最佳值。下面介绍几种PID参数的工程整定法。PID参数整定的理论方法凑试法确定PID调整参数人们通过对PID限制理论的相识和长期人工操作阅历的总结，可知PID参数应依据以下几点来适应系统的动态过程。在偏差比较大时，为使尽快消退偏差，提高响应速度，同时为了避开系统响应出现超调，Kp取大值，KI取零；在偏差比较小时，为接着减小偏差，并防止超调过大、产生振荡、稳定性变坏，Kp值要减小，KI取小值；在偏差很小时，为消退静差，克服超调，使系统尽快稳定，Kp值接着减小，KI值不变或稍取大。当偏差与偏差变更率同号时，被控量是朝偏离既定值方向变更。因此，当被控量接近定值时，反号的比例作用阻碍积分作用，避开积分超调及随之而来的振荡，有利于限制；而当被控量远未接近各定值并向定值变更时，则由于这两项反向，将会减慢限制过程。在偏差比较大时，偏差变更率与偏差异号时，Kp值取零或负值，以加快限制的动态过程。偏差变更率的大小表明偏差变更的速率，偏差变更率EC越大，Kp取值越小，KI取值越大，反之亦然。同时，要结合偏差大小来考虑。微分作用可改善系统的动态特性，阻挡偏差的变更，有助于减小超调量δp，消退振荡，缩短调整时间ts，允许加大Kp，使系统稳态误差减小，提高限制精度，达到满足的限制效果。所以，在e比较大时，KD取零，实际为PI限制；在e比较小时，KD取一正值，实行PID限制。值得一提的是，PID三个参数可以相互补偿，即某一个参数的减小可由其他参数增大或减小来补偿。因此用不同的整定参数完全可以得到相同的限制效果，这也确定了PID限制器参数选取的非唯一性。另外，对无自平衡实力的对象，则不应包含积分环节，即只可用比例或比例微分限制器。在实时限制过程中，只要被控对象的主要性能指标达到了设计要求，就可以选定相应的限制器参数为最终参数。目前，工程上仍广泛运用试验方法和阅历方法来整定PID的调整参数，称为PID参数的工程整定方法。这种方法的最大优点在于整定参数不必依靠被控对象的数学模型。简易工程整定法是由经典的频率法简化而来的，虽然粗糙一点，但是简洁易行，适于现场的实时限制应用。如扩充临界比例度法、扩充响应曲线法。4.2.4PID限制算法应留意的几个问题任何一种执行机构都存在一个线性工作区。在此线性区内，它可以线性地跟踪限制信号，而当限制信号过大，超过这个线性区，就进入饱和区或截止区，其特性将变成非线性特性。同时，执行机构还存在着肯定的阻尼和惯性，对限制信号的响应速度受到了限制。因此，执行机构的动态特性也存在一个线性工作区。限制信号的变更率过大也会使执行机构进入非线性区。前述标准PID位置式算法中积分项限制作用过大将出现积分饱和，增量式算法中微分项和比例项限制作用过大将出现微分饱和，都会使执行机构进入非线性区，从而使系统出现过大的超调和持续振荡，动态品质变坏。为了克服以上两种饱和现象，避开系统的过大超调，使系统具有较好的动态指标，必需使PID限制器输出的限制信号受到约束，即对标准的PID限制算法进行改进，并主要是对积分项和微分项的改进。

5系统的软件设计想要依据我们的想法来完成系统的功能，仅有肯定的硬件资源是不够的，还须要对DSP进行软件设置。程序的设计和调试是在CCS（代码设计编译器，CodeComposerStudio）软件上完成的。CCS是一种能够依据规则自动编译标准代码以完成例如编译、下载以及运行程序等功能的集成化软件(TrimbornMichael)。由于本系统中须要DSP处理的事务比较繁杂，因此软件采纳了模块化设计方法，即将整个软件部分分成多个子块，每一块进行单独的编程、测试，然后再把各个模块连接起来，进行总体调试。程序的编写采纳了汇编语言与C语言[18]的混合编程。实践证明，该方法行之有效，明显的提高了软件的设计效率。在对TMS320VC5402芯片进行编写程序的过程中，有一点是须要特别留意的，那就是：TMS320VC5402芯片是定点DSP芯片，其操作数一般采纳整形数来表示，它是利用数的定标即Q值来确定其数据值的，并且其精度与数值范围是成反比关系的。浮点数与定点数的转化关系如式4-1、4-2所示。浮点数（）转化为定点数（）：（5-1）定点数（）转化为浮点数（）：（5-2）因此，在设计软件的过程中，要依据预料的数据范围来预先设定好数的定标值以防数据计算错误。5.1设计工具--CCS简介CCS是一种针对TMS320系列DSP的集成开发环境,在Windows操作系统下，采纳图形接口界面，供应有环境配置、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等工具。CCS有两种工作模式，即软件仿真器模式：可以脱离DSP芯片，在PC机上模拟DSP的指令集和工作机制，主要用于前期算法实现和调试。硬件在线编程模式：可以实时运行在DSP芯片上,与硬件开发板相结合在线编程和调试应用程序。CCS操作界面如下图：图5-1CCS开发环境5.1.1CCS的主要组成①TMS320C54x集成代码产生工具；②CCS集成开发环境；③DSP/BIOS实时内核插件及其应用程序接口API；④实时数据交换的RTDX插件以及相应的程序接口API；⑤由TI公司以外的第三方供应的各种应用模块插件。图5-2DSP开发系统结构图5.1.2CCS的主功能CCS的功能特别强大，它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能，而且支持C/C++和汇编的混合编程，其主要功能如下：①具有集成可视化代码编辑界面，用户可通过其界面干脆编写C、汇编、d文件等；②含有集成代码生成工具，包括汇编器、优化C编译器、链接器等，将代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能集成到一个软件环境中；③高性能编辑器支持汇编文件的动态语法加亮显示，运用户很简洁阅读代码，发觉语法错误；④工程项目管理工具可对用户程序实行项目管理。在生成目标程序和程序库的过程中，建立不同程序的跟踪信息，通过跟踪信息对不同的程序进行分类管理；⑤基本调试工具具有装入执行代码、查看寄存器、存储器、反汇编、变量窗口等功能，并支持C源代码级调试；⑥断点工具，能在调试程序的过程中，完成硬件断点、软件断点和条件断点的设置；⑦探测点工具，可用于算法的仿真，数据的实时监视等；⑧分析工具，包括模拟器和仿真器分析，可用于模拟和监视硬件的功能、评价代码执行的时钟；⑨数据的图形显示工具，可以将运算结果用图形显示,包括显示时域/频域波形、眼图、星座图、图像等，并能进行自动刷新；⑩供应GEL工具。利用GEL扩展语言，用户可以编写自己的限制面板/菜单，设置GEL菜单选项，便利直观地修变更量，配置参数等；5.2DSP内存单元的安排在编制DSP程序时，须要设定一些变量和堆栈，这会占用一部分内存单元。另外，DSP上电后要将程序从外部存储器加载到内部RAM中，数据空间与程序空间共同处在DSP内部RAM中。为了避开数据存储区的冲突，首先须要对DSP内部的RAM进行规划和安排。TMS320VC5402的内部有一个16K×16bit的双口RAM。在本系统中，确定将后面一部分作为程序单元，前面一部分作为数据单元。RAM存储区各单元安排如下：中断向量表：0xFF80～0xFFFF程序单元：0x2000～0x3FFF数据单元：0x0100～0x1FFF具体设置TMS320VC5402内存单元安排的D程序编写及注释如下：-stack0x100MEMORY*定义系统的存储器空间*/{PAGE0:PROG:origin=2b00h,length=1500hPAGE1:DATA:origin=0200h,length=1d00h}SECTIONS/*告知链接器如何将输入段结合成输出段，并告知链接器将*//*输出段放在存储器的何处*/{.text>PROGPAGE0.cinit>PROGPAGE0.switch>PROGPAGE0vect>3f80hPAGE0.data>DATAPAGE1.bss>DATAPAGE1.const>DATAPAGE1.sysmem>DATAPAGE1.stack>DATAPAGE1}5.3主限制程序软件程序要使DSP芯片能够指挥各部分电路有序的完成信号的采集、数据的处理以及数据通信工作。主限制程序的功能就是调用各个子程序模块来实现整个系统的各项功能。程序流程图如图5-1所示。voidmain(void){ cpu_init(); a0=Kp×(1.0+T/Ti+Td/T); a1=Kp×(1.0+2.0×Td/T); a2=Kp×Td/T; e0=e1=e2=y0=y1=y2=0; pw=2×10000×0.9;//0.1 nw=2×10000×0.1;//0.9 for(i=0;i<Len1;i++) {temp1[i]=0;} for(i=0;i<Len2;i++) {temp2[i]=0;} flagc=flagt=0; i=j=m=n=feedback=0; TIMER1=TIMER2=0; set_int(); for(;;) { /* if(flagt==1){asm("ssbxxf");} else{asm("rsbxxf");}*/ pw=pw+20000×deta;//10000 nw=nw-20000×deta;//10000 if(pw>=20000)pw=20000; if(nw>=20000)nw=20000; if(pw<=0)pw=0; if(nw<=0)nw=0; TEMPcontrol(); /* if(m>=1800){ pw=10000×1.0; nw=10000×0; } */ }}起先起先采集温度数据Cpu起先工作Set_int起先工作PID运算TEMPcontrol起先工作中断vect等待加热加热完毕结束图5-3主限制程序流程图5.4系统的初始化系统的正常运行须要首先将系统各模块进行初始化[19]。本系统的初始化包括以下几个方面：·设定DSP芯片的工作时钟。在本系统中，DSP芯片采纳PLL模式（TranThanh,2004），外部时钟输入为10MHz，让DSP芯片工作频率为十倍输入时钟即10×10MHz=100MHz，DSP内部时钟配置为：CLKMD=0x9007（清源科技，2003）。·设置定时器中断系数。因为要对各个通道的同一时间信号进行比较，所以对于时间的限制要求比较严格。定时器中断时间由式5-3计算：TINTrate=（5-3）式中，tc(C)为CPU的时钟周期，PRD为定时器周期值，TDDR为定时器分频系数。对定时器的设置程序片段如下：voidset_int(){ asm("ssbxintm"); TCR0=0x0b1b; PRD0=0x9c3f;//0x4e1f; IMR=IMR|0x000c; IFR=IFR; TCR0=0x0b29; asm("rsbxintm");}在本系统中，这些寄存器的均被映射在DSP芯片内的存储器映射寄存器中。它们的地址分别是：RBR——port0008；THR——port0008；IER——port0009；IIR——port000a；FCR——port000a；LCR——port000b；MCR——port000c；LSR——port000d；MSR——port000e；SCR——port000f；DLL——port0008；DLM——port0009。表5-1ST16C550CQ芯片内部寄存器寄存器DLABA2A1A0地址操作接收缓冲寄存器RHR发送缓冲寄存器THR中断使能寄存器IER中断标记寄存器ISRFIFO限制寄存器FCR线路限制寄存器LCRMODEM限制寄存器MCR线路状态寄存器LSRMODEM状态寄存器MSR暂存寄存器SPR低位除数寄存器DLL高位除数寄存器DLM000XXXXXXX1100000011110000011100110000100101010100H00H01H02H02H03H04H05H06H07H00H01H只读只写读/写只读只读读/写读/写读/写读/写读/写读/写读/写具体设置程序段如下：#defineIMR*(pmem+0x0000)#defineIFR*(pmem+0x0001)#definePMST*(pmem+0x001D)#defineSWCR*(pmem+0x002B)#defineSWWSR*(pmem+0x0028)#defineAL*(pmem+0x0008)#defineCLKMD0x0058/*clockmodereg*//*timer0*/#defineTIM0*(pmem+0x0024)/*timer0register*/#definePRD0*(pmem+0x0025)/*timer0periodregister*/#defineTCR0*(pmem+0x0026)/*timer0controlregister*/voidcpu_init(){ *(unsignedint*)CLKMD=0x0;//switchtoDIVmodeclkout=1/2clkinwhile(((*(unsignedint*)CLKMD)&01)!=0);*(unsignedint*)CLKMD=0x27ff;//switchtoPLL PMST=0x3FA0; SWWSR=0x7fff; SWCR=0x0000; IMR=0; IFR=IFR;}5.5数据采集子程序在本系统中，由于每一次的数据采集是通过定时器1中断的产生而进行的，所以，数据采集子程序设置为定时器1中断子程序。程序片段如下：interruptvoidint1(){ data[cnt]=port8001; data[cnt]&=0x00FF; cnt++; if(cnt>=10){ cnt=0; }}5.6数据处理子程序进行PID算法的实现，程序如下：interruptvoidtint0(){ TIMER1++; TIMER2++; if(TIMER1==50×5)/*1s=(1)PRD0=0x4e1f;(2)#0xf007,CLKMD(10MHz)(3)TIMER1==50)*/ { TIMER1=0; sort(data,10); average=sum_ave(&data[2],6); feedback=average; temp1[m]=feedback; m++; y2=y1; y1=y0; y0=feedback; e0=r-y0; e1=r-y1; e2=r-y2; duty=1.0/(2×(a0+a2)); deta=0.5×(a0×e0-a1×e1+a2×e2)×duty;//duty; } if(TIMER2==1500×5)/*30s*/ { if(n<Len2) { temp2[n]=feedback; feedback=TIMER2=0; n++; } } feedback=0;}5.7温度限制执行程序程序片段如下：voidTEMPcontrol(){ asm("ssbxxf"); for(i=0;i<pw;i++) { j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0; j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0; j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0; j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0; j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0; j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;j=0;