基于DSP的數(shù)字溫度傳感器控制系統(tǒng)

0 引言

20世紀(jì)60年代以來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processing，DSP)伴隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)得到飛速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。在溫度控制方面，尤其是固體激光器的溫度控制，受其工作環(huán)境和條件的影響，溫度的精度要求比較嚴(yán)格，之前國(guó)內(nèi)外關(guān)于溫度控制基本上都采用溫度敏感電阻來(lái)測(cè)量溫度，然后用風(fēng)冷或者水冷方式來(lái)達(dá)到溫度控制效果，精度不夠且體積大。本文基于DSP芯片TMS320F2812與數(shù)字溫度傳感器DSl8B20設(shè)計(jì)出一個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)，根據(jù)測(cè)量所得的溫度與設(shè)定的參量，并利用模糊PID算法計(jì)算出控制量，利用該控制量調(diào)節(jié)由DSP事件管理器產(chǎn)生PWM波的占空比，并作用于半導(dǎo)體制冷器，以達(dá)到溫度控制效果，實(shí)現(xiàn)控制精度高，體積小的溫度控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件組成

1．1 DSl8820功能結(jié)構(gòu)與使用

DSl8820是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳T0-92小體積封裝形式；溫度測(cè)量范圍為-55～+125℃；可編程為9～12位A／D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0．0625℃；CPU只需一根埠線就能與諸多DSl8B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。以上特點(diǎn)使DSl8B20非常適合用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)中。

DSl8B20的管腳排列如圖1所示。DQ為數(shù)字信號(hào)輸入／輸出端；GND為接地；VDD為外接供電電源輸入端(在寄生電源接線方式時(shí)接地)。DS-l8B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以O(shè)．0625℃／LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。例如+125℃的數(shù)字輸出為07DOH，+25．0625℃的數(shù)字輸出為0191H，-25．0625℃的數(shù)字輸出為FF6FH，-55℃的數(shù)字輸出為FC90H。

1．2 DSP介紹

這里所用DSP為T(mén)MS320，它是美國(guó)TI公司新推出的低價(jià)位、高性能的16位定點(diǎn)DSP，是專為控制應(yīng)用系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，其主頻可達(dá)150 MHz，本系統(tǒng)中所用晶振為45 MHz，片內(nèi)集成了外圍設(shè)備接口，主要起控制和計(jì)算作用。

1．3 半導(dǎo)體制冷器簡(jiǎn)介

半導(dǎo)體制冷器是根據(jù)帕爾貼效應(yīng)制成的，由兩種不同金屬組成一對(duì)熱電偶，當(dāng)熱電偶邁入直流電流后因直流電通入的方向不同，將在熱電偶結(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生吸熱和放熱現(xiàn)象。制冷器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

把一個(gè)N型和P型半導(dǎo)體的粒子用金屬連接片焊接成一個(gè)電偶對(duì)。當(dāng)直流電流從N極流向P極時(shí)，上端產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象，此端稱冷端，下端產(chǎn)生放熱現(xiàn)象，此端稱熱端，如果電流方向反過(guò)來(lái)，則冷熱端相互轉(zhuǎn)換。

1．4 硬件連接

DSl8B20與DSP連接主要有兩種方式：寄生電源方式和外部供電方式。本文采用外部供電方式，其中18B20的DQ口與F2812的GPIOA0口連接，具體連接如圖3所示。

2 溫度測(cè)量

要進(jìn)行溫度控制，首先要測(cè)量所控制目標(biāo)的溫度值，在本系統(tǒng)中，具體使用數(shù)字溫度傳感器DSl8B20與DSP結(jié)合，并利用CCS編寫(xiě)程序，本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)為CCS 2．2，前期安裝及芯片設(shè)置在此省略，程序流程如圖4所示。

DSl8B20的控制包括三種時(shí)序：復(fù)位、寫(xiě)時(shí)序、讀時(shí)序。

復(fù)位：主機(jī)總線在t0時(shí)刻發(fā)送一個(gè)復(fù)位脈沖(最短為480μs的低電平信號(hào))，接著在t1時(shí)刻釋放總線并進(jìn)入接收狀態(tài)；DS1820在檢測(cè)到總線的上升沿之后等待15～60μs，接著在t2時(shí)刻發(fā)出存在脈沖(低電平持續(xù)60～240μs)。

寫(xiě)時(shí)序：對(duì)于DSl8B20的寫(xiě)時(shí)序分為寫(xiě)O時(shí)序和寫(xiě)1時(shí)序兩個(gè)過(guò)程。寫(xiě)O時(shí)序和寫(xiě)1時(shí)序的要求不同，當(dāng)要寫(xiě)0時(shí)序時(shí)，總線要被拉低至少60 μs，保證DSl8B20能夠在15～45μs之間正確地采樣I／O總線上的“O”電平，當(dāng)要寫(xiě)1時(shí)序時(shí)，單總線被拉低之后，在15μs之內(nèi)就得釋放單總線。寫(xiě)數(shù)據(jù)持續(xù)時(shí)間應(yīng)大于60μs且小于120μs，兩次寫(xiě)操作時(shí)間間隔要大于1μs。

讀時(shí)序：對(duì)于DSl8B20的讀時(shí)序同樣分為讀0時(shí)序和讀1時(shí)序兩個(gè)過(guò)程。對(duì)于DSl8B20的讀時(shí)序是從DSP把單總線拉低之后，在15 s之內(nèi)就得釋放單總線，以便讓DSl8B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DSl8B20在完成一個(gè)讀時(shí)序過(guò)程，至少需要60μs才能完成。

需要注意的是，在程序編寫(xiě)時(shí)不管是復(fù)位，還是讀寫(xiě)，都要注意配置GPIOA0端口的狀態(tài)(輸入或輸出)，同時(shí)時(shí)序非常重要，本文中的延時(shí)都是經(jīng)過(guò)多次測(cè)試后總結(jié)出來(lái)的，根據(jù)DSP芯片的晶振不同，延時(shí)程序都會(huì)改變，否則DSl8B20不會(huì)正常工作。

3 溫度控制

3．1 脈寬調(diào)制PWM輸出

TMS320的事件管理模塊總共能輸出16路PWM信號(hào)，文中僅需要輸出一路占空比可調(diào)的PWM信號(hào)，并設(shè)計(jì)從PWMl引腳輸出該方波信號(hào)。文中選用通用定時(shí)器1(T1)作為時(shí)基；全比較單元1保存調(diào)制值；計(jì)數(shù)方式采用連續(xù)增計(jì)數(shù)模式。PWM占空比值與T1的三角波數(shù)據(jù)比較，輸出PWM信號(hào)控制半導(dǎo)體制冷片工作。各寄存器設(shè)置如下(高速外設(shè)時(shí)鐘為22．5 MHz)：

文中設(shè)計(jì)的PWM周期為 1．825 ms，TMS320F2812的計(jì)數(shù)器記數(shù)范圍為0～5DC。因此當(dāng)系統(tǒng)裝入CMPRl寄存器的值為0或5DCH時(shí)，輸出恒為高電平或低電平?，F(xiàn)以向CMPRl寫(xiě)入1 500為例，PWMl引腳的輸出周期為1．825 ms的方波。

3．2 溫度控制軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)前面敘述，用DSl8B20讀取溫度采樣值，再通過(guò)參數(shù)自整定的Fuzzy-PID算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：根據(jù)E和Ec的狀況，由模糊控制規(guī)律再通過(guò)模糊表推導(dǎo)出△KP，KI，KD，根據(jù)式(1)計(jì)算出KP，KI，KD的大小，再計(jì)算出U的初值和△U，由式(2)實(shí)時(shí)計(jì)算控制量U。通過(guò)參數(shù)轉(zhuǎn)換，將U轉(zhuǎn)換為PWM參數(shù)，修改EvaRegs．CMPRl的數(shù)值，改變PWM的占空比，從而控制TEC的制冷／制熱功率。

程序流程圖如圖5所示

3．3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

完成以上程序編寫(xiě)后，首先利用仿真器進(jìn)行溫度測(cè)量模擬，在標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)所得室溫為31．2℃時(shí)，在CCS軟件中利用快速觀測(cè)窗口檢測(cè)到的溫度值為31．187 5℃。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，在外界溫度為31℃，采用默認(rèn)設(shè)置(穩(wěn)定溫度為25℃)時(shí)，該溫度控制系統(tǒng)能使被控物體的溫度穩(wěn)定在25℃，溫度穩(wěn)定時(shí)間小于100s，精度可達(dá)到O．1℃以下，達(dá)到了工業(yè)控制要求。

4 結(jié)語(yǔ)

利用DSP的高速處理能力，結(jié)合DSl8B20精準(zhǔn)的溫度讀取能力，以及利用CCS開(kāi)發(fā)出溫度控制系統(tǒng)。該溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用了Fuzzy-PID算法。設(shè)計(jì)目標(biāo)是：在同樣的控制精度條件下，使系統(tǒng)的過(guò)渡時(shí)間及超調(diào)量盡可能減小，以改善控制效果。采用復(fù)合控制，使系統(tǒng)能有效抑制純滯后的影響，當(dāng)參數(shù)變化較大以及有干擾時(shí)，仍能取得較好的控制效果。