基于DSP的加速度计温度控制系统的硬件设计

　　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 TMS320F240 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 B×16 位的数据/程序 RAM 和16 KB×16 位的掩模 ROM或 Flash EEPROM, 外部存储器接口具有 16 位地址总线和 16 位数据总线,224 KB×16 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 μs;

　　(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 1 000 Ω, 温度系数为 3.84 Ω/℃, 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 R0 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 A/D 转换器的电压输入范围 0 V～5 V, 以进行 A/D 转换。