基于DSP的加速度計溫度控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

1 引言

近年來，數(shù)字信號處理器(DSP)得到了高速發(fā)展，性價比不斷提高,廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域,例如通信、語音處理、圖像處理、模式識別及工業(yè)控制等方面，并且日益顯示出巨大的優(yōu)越性。數(shù)字信號處理器利用專門或者通用的數(shù)字信號處理電路，以數(shù)字計算的方法對信號進(jìn)行處理，具有處理速度快、靈活、精確、抗干擾能力強(qiáng)、體積小以及可靠性高的特點(diǎn)，可滿足對信號快速、精確、實(shí)時處理及控制的要求。文中以T1MS320F240型DSP為核心,設(shè)計了高精度的慣性導(dǎo)航加速計溫度控制系統(tǒng)。

2 TMS320F240系列的基本特征

TMS320F240將DSP的高速運(yùn)算能力和高效控制能力集于一體,其主要特點(diǎn)如下：

(1)核心CPU包括32位的中央算術(shù)邏輯單元(CALU)、32位累加器、16位×16位并行乘法器、3個定標(biāo)移位寄存器和8個16位輔助寄存器,指令周期為50 ns(20 MI／s)，多數(shù)指令為單周期指令；
(2)片內(nèi)帶有544 Bxl6位的數(shù)據(jù)／程序RAM和16 KBxl6位的掩模ROM或Flash EEPRClM,外部存儲器接口具有16位地址總線和16位數(shù)據(jù)總線,224 KBxl6位的最大可尋址寄存器空間：
(3)雙10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)雙路信號同時采樣，轉(zhuǎn)換時間可以根據(jù)需要編程設(shè)置．最短轉(zhuǎn)換時間為6．1 IJ,s；
(4)6個外部中斷，包括電源驅(qū)動保護(hù)中斷、復(fù)位、非屏蔽中斷NMI和3個可屏蔽中斷。

3 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于DSP設(shè)計的溫度控制器利用DSP強(qiáng)大的高速運(yùn)算能力，以及其片內(nèi)集成的豐富的控制外圍部件和電路,從而簡化了電路的硬件設(shè)計,可以實(shí)現(xiàn)各種控制算法和控制策略,并通過異步串行通信接口來讀取用戶所需要的數(shù)據(jù),便于用戶分析實(shí)驗結(jié)果。此外，還具有脫離DSP的高溫硬件保護(hù)功能．可消除由于DSP系統(tǒng)意外失控所造成的系統(tǒng)超溫危險，提高了溫度控制系統(tǒng)工作的可靠性和使用安全性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3．1 信號采集及放大電路

信號采集電路是溫度控制系統(tǒng)的重要組成部分．其對溫度測量的精確性直接影響整個溫度控制系統(tǒng)的精度。故本系統(tǒng)選用性能穩(wěn)定的PT1000鉑熱電阻傳感器作為測量溫度信號的敏感元件。其阻值隨溫度的變化為：0℃時阻值為1 000Ω，溫度系數(shù)為3．84Ω℃。線性度小于0．5％。信號采集電路采用對稱的差動式電橋測量溫度信號，鉑熱電阻器Rt和精密電阻器R1、R2及R3組成測量電橋。X檢測為硬件保護(hù)電路的輸入信號，溫度信號采集及放大電路如圖2所示。

為了提高系統(tǒng)的采集精度，電橋采用美國模擬器件公司的高精度基準(zhǔn)電壓源AD586供電，并在其電橋前加一限流電阻RO使流過鉑熱電阻器Rt的電流小于10 mA。以盡量減小鉑熱電阻器在工作時產(chǎn)生的自身熱效應(yīng)對溫度采集的影響。當(dāng)溫度發(fā)生變化時，鉑熱電阻器Rt的阻值也隨之變化，電橋輸出信號經(jīng)運(yùn)算放大器放大并經(jīng)過相應(yīng)的偏置處理后。使其電壓滿足DSP片內(nèi)AID轉(zhuǎn)換器的電壓輸入范圍0 V一5 V，以進(jìn)行AID轉(zhuǎn)換。

3．2 外部存儲器擴(kuò)展

在溫度控制過程中，需要采集和處理大量的數(shù)據(jù)。TMS320F240固有的片上數(shù)據(jù)存儲器空間顯然不夠．而且。在調(diào)試系統(tǒng)時如果有外部存儲器，只需將程序通過仿真接口下載到外部存儲器中而不需要再燒寫到片內(nèi)的Rash中。這樣給程序調(diào)試帶來了方便．因此選用ISSI公司生產(chǎn)的IS61C6416型靜態(tài)存儲器來擴(kuò)展外部存儲器。

IS61C6416是采用CMOS工藝制成的64 Kxl6bit靜態(tài)存儲器．采用44引腳貼片式封裝，5．0 V供電．輸入輸出電平與TTL電平相兼容，并具有高速的讀寫訪問時間和低功耗工作方式。表1為IS61C6416的工作方式真值表。

IS61C6416與TMS320F240的接口電路非常簡單．其16條數(shù)據(jù)線和16條地址線直接與TMS320F240相連接即可。由表1可知， IS61C6416的工作方式由5條控制信號線控制，其中使能引腳和讀寫選擇引腳與DSP相連以控制其讀寫操作，由于TMS320F240系列DSP為 16位微處理器，其數(shù)據(jù)的讀寫不用分開來進(jìn)行，故高位字節(jié)和低位字節(jié)使能引腳直接接地。

3．3 串行通信接口設(shè)計

TMS320F240的串行通信接口(SCI)為其內(nèi)部的可編程異步串行通信模塊，它是標(biāo)準(zhǔn)的異步串行數(shù)字通信接口，可以實(shí)現(xiàn)半雙工或者雙工通信及多機(jī)之間的通信。SCI模塊是8位片內(nèi)外設(shè)，通過DSP的16位外部數(shù)據(jù)總線的低8位與外部設(shè)備通信，有獨(dú)立的發(fā)送器和接收器。發(fā)送器和接收器均是雙緩沖的．并且都有獨(dú)立的使能位和中斷位。通信傳輸速率即波特率可以通過SCI的2個16位的波特率選擇寄存器編程來確定。

SCI串行通信總線接口電路如圖3所示．其接口電路比較簡單，主要由Maxim公司的MAX232A和一些外圍元件構(gòu)成。SCIRXD和SCITXD分別接DSP控制器SCI串行通信模塊的輸出、輸入引腳．RXD和TXD分別接電路板上RS一232標(biāo)準(zhǔn)接口的2端和3端，電阻器R2、R3和電容器C6、 C7作為抗干擾元件。利用此串行通信總線可以實(shí)現(xiàn)基于DSP的溫度控制系統(tǒng)與計算機(jī)之間的異步數(shù)據(jù)通信，可以使計算機(jī)實(shí)時地讀?。篋SP存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)，便于調(diào)試系統(tǒng)和分析實(shí)驗結(jié)果。