基于DSP的多路溫度采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

蔡永橋,王繼耕,周正權(quán)

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 油田建設(shè)工程分公司海管技術(shù)服務(wù)中心，天津300452)

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要參數(shù)[1]。傳統(tǒng)的方式是采用熱電偶或熱電阻[2]，但是由于模擬溫度傳感器輸出的是模擬信號(hào)，必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)獲得數(shù)字信號(hào)后才能與單片機(jī)等微處理器接口，使得硬件電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作成本較高[3]。本文采用LM35溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，LM35系列是精密集成電路溫度傳感器，其輸出電壓與攝氏溫度成線性正比。因此，LM35比按絕對(duì)溫標(biāo)校準(zhǔn)的線性溫度傳感器性能優(yōu)越得多。本文利用DSP內(nèi)部的12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）來實(shí)現(xiàn)LM35溫度傳感器的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換，不需要外擴(kuò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，LM35溫度傳感器輸出的電壓范圍在DSP模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍內(nèi)(0～3 V),不需要對(duì)LM35輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行處理,可直接與DSP的ADC接口連接，這樣降低了電路的復(fù)雜程度和制作成本,同時(shí)能實(shí)現(xiàn)多路溫度信號(hào)的采集,精確度和實(shí)時(shí)性都比較高，能用于大多數(shù)的工農(nóng)業(yè)溫度測(cè)量領(lǐng)域。

1 芯片介紹

TMS320F2812是TI公司生產(chǎn)的面向數(shù)字控制、運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的DSP芯片，它支持多項(xiàng)的高速實(shí)時(shí)算法，采用先進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，將程序和數(shù)據(jù)放在不同的存儲(chǔ)空間。TMS320F2812芯片采用了高性能的CMOS技術(shù)，CPU主頻高達(dá) 150 MHz，時(shí)鐘周期為 6.67 ns；采用低功耗設(shè)計(jì)，內(nèi)核電壓為1.8 V，數(shù)字I/O口引腳電壓為3.3 V[4-5]。同時(shí)TMS320F2812的片內(nèi)外設(shè)資源豐富，模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的ADC采樣模塊理論精度為12 bit，具有16路輸入通道、兩個(gè)采樣保持器，有單一或者級(jí)聯(lián)兩種轉(zhuǎn)換模式，最高的轉(zhuǎn)換速率為12.5 MS/s。

LM35系列是精密集成電路溫度傳感器，其輸出的電壓線性地與攝氏溫度成正比。LM35系列傳感器生產(chǎn)制作時(shí)已經(jīng)過校準(zhǔn)，輸出電壓與攝氏溫度一一對(duì)應(yīng)，使用極為方便。靈敏度為 10.0 mV/℃，精度為 0.4℃～0.8℃(-55℃～+150℃溫度范圍內(nèi)),重復(fù)性好，低輸出阻抗，線性輸出和內(nèi)部精密校準(zhǔn)使其與讀出或控制電路接口簡(jiǎn)單和方便，可單電源和正負(fù)電源工作。LM35電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在實(shí)際應(yīng)用中安裝也相當(dāng)簡(jiǎn)便。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

2.1 多路溫度采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

DSP模擬轉(zhuǎn)換器具有16通道,能實(shí)現(xiàn)16路溫度數(shù)據(jù)的順序采樣，本文只介紹3路溫度采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，其溫度采集系統(tǒng)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)由4個(gè)部分組成：溫度采集電路、限幅電路、DSP模塊、執(zhí)行單元。

圖1 多路溫度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

溫度傳感器把采集到的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過限幅電路送至DSP模塊進(jìn)行處理運(yùn)算，處理運(yùn)算后的數(shù)據(jù)送至執(zhí)行單元實(shí)現(xiàn)一定的功能。溫度傳感器主要實(shí)現(xiàn)溫度采集；限幅電路主要是防止溫度傳感器輸出電壓超過DSP模塊中ADC的最大輸入電壓而燒壞DSP芯片；DSP模塊主要實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸出；執(zhí)行單元主要是接收DSP采集的多路數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)進(jìn)行多種控制。

2.2 多路溫度采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

溫度傳感器選擇LM35DZ,工作溫度范圍0℃～+100℃。LM35DZ的輸出電壓與攝氏溫度成線性關(guān)系，0℃時(shí)輸出為0 V,每升高1℃輸出電壓增加 10 mV[6]。由此可知，輸出電壓值為0 V～1 V，輸出電壓與溫度滿足關(guān)系：

式中，V為輸出電壓，單位為mV；T為溫度，單位為℃。

本文選用3個(gè)LM35DZ溫度傳感器，該傳感器有3個(gè)引腳，分別是輸入電壓輸入引腳、溫度信號(hào)輸出引腳和接地引腳。采用單電源工作，傳感器輸入電壓為5 V，電路設(shè)計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)單，其電路如圖2所示[6]。

圖2 溫度采集電路

為了保險(xiǎn)起見，在輸入信號(hào)進(jìn)入DSP的ADC端口時(shí)，最好加一個(gè)限幅電壓，以防止輸入電壓過大而導(dǎo)致DSP芯片損壞。本文限幅電路采用一個(gè)雙二極管，其電路如圖3所示。

由圖3可知，本文選擇的是飛凌公司的BAT68-04W，當(dāng)輸入電壓超過3.3 V時(shí)，雙二極管上端導(dǎo)通，ADCINAx輸入引腳電壓變?yōu)?.3 V；當(dāng)輸入電壓小于0 V時(shí)，雙二極管下端導(dǎo)通，ADCINAx輸入引腳電壓變?yōu)? V，因此這個(gè)電路能夠?qū)DCINAx輸入引腳的電壓保持在0～3.3 V[4]。本文選擇3.3 V電壓是從工程設(shè)計(jì)的實(shí)際情況出發(fā)，DSP的I/O口工作電壓是3.3 V，最接近3 V。

本文DSP模塊中選擇的DSP芯片是TMS320F2812，DSP模塊包括DSP的電源電路、JATG口下載電路和時(shí)鐘電路，電源芯片采用TPSTD318,它將外部電壓5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V和1.9 V，以完成對(duì)DSP外設(shè)和內(nèi)核的供電[7]。JATG下載口與DSP相連接的端口均采用上拉電阻，以提高抗干擾能力。時(shí)鐘電路采用DSP內(nèi)部時(shí)鐘，在DSP的X1/XCLKIN和X2兩個(gè)引腳之間連接一個(gè)石英晶體。

圖3 限幅電路

3 程序設(shè)計(jì)和軟件調(diào)試

3.1 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)使用C語言編寫，程序開始首先對(duì)DSP模塊進(jìn)行初始化，其中包括：初始化系統(tǒng)控制模塊、初始化ADC模塊、初始化事件管理器模塊。再開啟中斷，啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)定時(shí)器產(chǎn)生周期中斷時(shí)，ADC開始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，最后結(jié)束程序，輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

文中ADC轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)信號(hào)采用定時(shí)器的周期中斷啟動(dòng)，設(shè)定定時(shí)器周期為0.1 ms，當(dāng)定時(shí)器計(jì)時(shí)0.1 ms時(shí)，產(chǎn)生周期中斷，DSP的ADC開始轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束后輸出數(shù)據(jù)，并返回主程序準(zhǔn)備下一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

ADC轉(zhuǎn)換采用單序列順序采樣模式，其采樣頻率為2.5 MHz，程序設(shè)計(jì)如下：

圖5 調(diào)試結(jié)果

3.2 軟件調(diào)試

CCS(Code Composer Studio)是開發(fā) DSP時(shí)所需的軟件開發(fā)環(huán)境，即程序編寫、調(diào)試DSP代碼都需要在CCS軟件中進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)中將3個(gè)傳感器分別安裝在實(shí)驗(yàn)室的不同位置，實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果如圖5所示。由圖可知，3個(gè)溫度傳感器均測(cè)得實(shí)驗(yàn)室的溫度為29.494 5℃。

本文采用LM35溫度傳感器與DSP結(jié)合進(jìn)行多路溫度數(shù)據(jù)采集，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，制作成本低，相對(duì)于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更能滿足系統(tǒng)在精確度和實(shí)時(shí)性方面的要求。同時(shí)，該系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性、方便性和安全性,可用于工農(nóng)業(yè)大多數(shù)實(shí)時(shí)溫度采集領(lǐng)域。

[1]谷志新,王述洋,馬雷,等.無線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,2010,4(31)：73-76.

[2]彭遠(yuǎn)芳,趙又新.高精度溫度采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳 感 器 ,2007(5)：45-46.

[3]林婧.基于AT89S52的多路溫度檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2011(15)：153-153.

[4]顧衛(wèi)鋼.手把手教你學(xué)DSP[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

[5]周正義，穆帥歡，陽路.DSP和AD9244的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2013,32(17)：67-68.

[6]王景景.基于LM35的溫度測(cè)量系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,30(5)：157-158.

[7]孫元敏,尹立新,楊書濤.基于TMS320F2812的高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程,2009,35(2)：242-243.