（信号与信息处理专业论文）基于tms320f240+dsp的空调综合测控仪设计.pdf

基于t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 的空调综合测控仪设计 摘要 在现代工业测控领域中，多种类型信号的测量和数字化处理同益 重要，对实时性、准确性、便携性和扩展性要求也越来越高，而且只 有设计出功能更全、精度更高和速度更快的测控仪器仪表才能满足工 业测控的发展需要。目前大部分工业测控仪器仪表仍然主要以传统的 通用m c u ( 8 位或1 6 位单片机) 为核心，它们价格便宜、性能稳定而 且在控制方面应用也已相当成熟，但在高速数字信号处理方面功能较 弱、较难实现复杂的处理算法，于是研究和开发一种能对多种类型信 号进行实时采集和高速数字化处理，同时又能充分利用微处理器片上 丰富外设，最大程度简化外围电路的高速高性能测控系统十分必要。 在这方面国内外已有很多工作成果，但在国内的空调测控领域， 具备上述高性能的产品并不多见，为此本文研究并设计了一种新型的 能满足上述要求的基于t i 公司t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 的空调多参数综合测 控仪，并给出了系统组成和软硬件的实现方案。它能实时采集空调运 行噪声并提出了一种基于软件5 1 2 点f f t 分解再进行数字a 计权声压 级测量和倍频程分析的新方法，达到了尽量减少仪器的硬件部分并提 高噪声计算分析的精度性、实时性和稳定性目的；测量室内温度并采 用种新型的模糊逻辑控制在线调整p i d 的方案，实现p w m 恒温节 能控制；并可以把相关测试数据送液晶屏显示和由r s 2 3 2 串行通信接 口送出。本综合测控仪不仅能为厂家测试空调的质量指标提供有力支 持，还能为基于d s p 的嵌入式系统在工业测控仪器仪表的设计和应用 提供一种新颖的实用途径和更开阔的发展空间。 关键词：t m s 3 2 0 f 2 4 0多参数综合测控 f f t 模糊逻辑控制p i d ad e s i g no ft m s 3 2 0 f 2 4 0b a s e da i r - c o n d i t i o n s y n t h e t i c a lt e s t i n ga n dc o n t r o l l i n gi n s t r u m e n t a b s t r a c t i nm o d e r ni n d u s t r i a lt e s t i n ga n dc o n t r o l l i n gf i e l d ，m u l t i - t y p e ss i g n a l m e a s u r e m e n ta n dd i g i t a lp r o c e s s i n gb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ， t h e i rn e e d sf o rr e a l t i m e ，v e r a c i t y ，e a s yc a r r y i n ga n de x p a n s i b i l i t ya ls o b e c o m em o r ea n dm o r eh i g h m o r e o v e r ，i tc a nm e e ti n d u s t r yt e s t i n ga n d c o n t r o l l i n gd e v e l o p i n gn e e d so n l yt h r o u g hd e s i g n i n gt e s t i n ga n d c o n t r o l l i n gi n s t r u m e n ta n dm e t e rw i t hm o r ec o m p l e t ef u n c t i o n ，m o r eh i g h p r e c i s i o na n dm o r eh i g hv e l o c i t y n o wt r a d i t i o n a lm c u ( 8 一b i to r16 - b i t s c m ) i ss t i l lt h ek e r n e lo fm o s tt e s t i n ga n dc o n t r o l l i n gi n s t r u m e n ta n d m e t e r i ti s i n e x p e n s i v e ，s t a b l ea n dw i d e a p p l i c a t i o n b u t t h e r ei s u b i q u i t o u sw e a k n e s ss u c ha sw e a k n e s si nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ， d i f f i c u l t yo fc o m p l i c a t e da l g o r i t h mr e a l i z i n ga n dc o m p l i c a t e dp e r i p h e r a l c ir c u i t st om e e tt h en e e do fe x t e n d i n gs y s t e mp e r f o r m a n c e s oi ti sv e r y n e c e s s a r y t or e s e a r c ha n d d e v e l o p ak i n do f m u l t i t y p e ss i g n a l m e a s u r e m e n ta n dd i g i t a lp r o c e s s i n gs y s t e m ，m i c r o p r o c e s s o ro fw h i c hh a s a b u n d a n tp e r i p h e r a l so nc h i pt o p r e d i g e s tp e r i p h e r a lc i r c u i t sw i t hh i g h s p e e da n df u n c t i o n t h e r ei sm u c hp r o d u c t i o ni nt h i sf i e l dn o w ，b u tf e wp r o d u c t i o nw i t h t h ea b o v eh i g hf u n c t i o ni nd o m e s t i ca i r c o n d i t i o nt e s t i n gf i e l d t h i sp a p e r p r e s e n t san e wk i n do fr e s e a r c ha n dd e s i g no ft m s 3 2 0 f 2 4 0d s pb a s e d a i r - c o n d i t i o nm u l t i - p a r a m e t e rs y n t h e t i c a lt e s t i n gi n s t r u m e n ta n dp r o v i d e s t h es y s t e mc o m p o s i n g ，r e a l i z i n gm e t h o do fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，i tc a n r e a l i z er e a l - - t i m ea i r - c o n d i t i o n r u n n i n g n o i s e a - w e i g h t p r e s s u r e m e a s u r e m e n ta n df r e q u e n c ys e c t sa n a l y z i n gw i t han e wm e t h o do f s o f t w a r e512p o i n t sf f tt od e c r e a s eh a r d w a r ea n di n c r e a s ep r e c i s i o na n d s t a b i l i t y ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lw i t han e wm e t h o do f f u z z yl o g i cc o n t r o la d j u s t i n gp i do n l i n e ，t h ec o r r e l a t i v et e s t i n gd a t a d i s p l a yb yl c da n do u t p u tt h r o u g hr s - 2 3 2 s e r i a lc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e i tn o to n l yp r o v i d e sp o w e r f u ls u p p o r t si na i r c o n d i t i o nq u a l i t y t e s t i n g ，b u ta l s oan e w ，p r a c t i c a lw a y a n dw i d e rd e v e l o p i n gs p a c ef o rd s p i nd e s i g na n da p p l i c a t i o no fi n d u s t r i a lt e s t i n gi n s t r u m e n ta n dm e t e r k e y w o r d s ：t m s 3 2 0 f 2 4 0 ；m u l t i - p a r a m e t e rs y n t h e t i c a lt e s t i n g ；f f t ； f u z z yl o g i cc o n t r o l ；p i d 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 颂士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 委员：境阑言善叩南工 镢b 黧笤友扣谖 韶2 f 锵 口8 p l 导师：、7 埽 弋 移勿卜 被另净 瓜 船 吕抄l 哟 彩 舀 入 杉 娅 夭仑 v 猡 。影 独创性声明 本人声明所早交的学位论文娃本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢f l 勺地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 佥自墨些盘笠一或其他教育机构的学位或证书而使用过的卡彳 料。- ，我一同工作的同志剥本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明芹表示谢 意， 学位论文作者签字：僻囊1 签字日期：丑晤年牛月n 口 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒巴工业叁堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保目 前向国象有艽部门或机构送交论文韵复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权佥 皑3 ：些点堂可h 将学位论文的全部或部分论文内容编八有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：钟程 签字日期：抽- s 年月【1 日 学位论文作者毕业后去向 j 作单位： 通讯地址： 翮张：雾力c 拎 导师签名t 、0 f 订百、 签字日研：口f 年4 月，文目 电话 邮编 致谢 刁i 经意之间，又到了毕业的前夕。回顾读研的三年来，要 谢的人太多太多，_ e 是如此多的老师和同学的关心和帮助， 才使我顺利地完成这篇论文。而他们所给予我的这一切，并 不是致谢这两个字所能够完全表达的。 首先我要感谢的是我的导师单承赣教授。近三年的研究生 ，e 涯，单老师作为一位优秀的学者和老师，在学术上，他用 渊博的学识和开阔的眼界来指导我的科研工作。单老师的悉 心教导，构成了我前进的基石，也正因为如此，我的毕业论 文才能够顺利完成。生活上，单老师更是给予了我无微不至 的关怀和照顾，同时也教会了我许多为人处世的态度和道理， 这些都将使我受用一生。在此，我要衷心感谢单老师为我所 做的一切，单老师的恩情我永记于心。 此外，作为多媒体实验室的成员之一，我的每份成绩都来 源于实验室的全体成员，所以我非常的感谢实验室的同学们 在学习和生活上给予我的关心、支持和帮助。正是有了他们， 我才克服了学习和生活上所碰到的种种困难，增添了更多的 勇气和毅力，而且他们也给我的生活带来了许多的乐趣，使 我感受到了生活中的温暖和多姿多彩。 感谢其他所有帮助与指导过我的老师和同学，尤其是徐海 卫老师、杨萍老师、齐美彬老师，还有赵琴同学，本科和研 究生阶段这七年来，他们一直关心和帮助我，是他们给予了 我前进的动力。 最后要特别感谢我的父母和家人在这二十多年来给予我 的深深的关心和支持，是他们给予了我拥有的一切。 钟赛飞 2 0 0 5 3 6 第一章绪论 随着当今工业社会正逐步地向信息社会过渡，数字化成为了信息化的基础， 而数字化的核心技术之一就是数字信号的处理。数字化时代的到来必然要求核 ，心技术的发展，核心技术的发展就依赖于微处理器的不断更新换代。目前，微 处理器的新成员d s p 芯片作为核心处理和控制部件正广泛应用于工业测控的 数字化产品当中，并越来越凸现出其强大的发展势头和远大的发展前途。本章 首先介绍了当前工业测控仪器仪表设计和应用的发展现状、存在问题及未来趋 势，再简要介绍和阐述了嵌入式系统和单片嵌入式d s p 芯片的特点、与其它类 型嵌入式微计算机的比较以及它应用于工业测控仪器仪表的优越性，最后就是 简要介绍了本课题即应用于工业测控领域的基于t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 的空调综合 测控仪的选题来源、研究意义和研究内容。 1 1 工业测控系统的发展现状、存在问题和未来趋势 在工业测试控制领域当中，信号采集和处理越来越凸显其重要地位，并r 益成为两大支柱。雨近年来，电子技术、徼处理器技术、数字信号处理理论及 控制理论的日趋成熟和长足发展，使得工业测控仪器仪表也必然要朝着系统化、 自动化和智能化的方向发展。由于在工业测控领域当中，需要测量和处理多种 类型数据，而且对信号测量和处理的实时性、准确性及可扩展性也提出了越来 越高的要求，因此就要求工业测控系统的处理器必须具有高速的运算处理能力 和高度的可靠性，同时还应该具有较高的集成度，使系统的组成部分可以尽可 能的集成到当中的一块或几块芯片当中去，使具体应用系统的电路板尽量简洁， 这对减少体积和功耗、提高可靠性都非常有利。 目前在测控仪器仪表中应用最为广泛的传统m c u ( 8 位或1 6 位单片机) 价格便宜，而且具有一定的通用性，但存在着欠缺适合进行高速数字信号算法 处理的优化结构等弱点，而工业测控仪器仪表产品则日益朝着高速度、高性能 和高可靠性的方向发展。于是研究和开发一种以高速廉价、具有针对数字信号 算法处理的优化结构功能而且片上集成的硬件外设资源足够丰富的微型计算机 为核心、能对多种类型信号进行实时采集和高精度数字化处理的便携性工业测 控仪器仪表就显得十分必要。这也代表着工业测控仪器仪表未来的发展方向。 1 2 嵌入式系统简介及d s p 芯片特点 伴随着自2 0 世纪7 0 年代开始，将先进的计算机技术、半导体技术、电予 技术相结合并以各个行业具体应用为目标的嵌入式系统的产生和迅猛发展，使 得上述工业测控仪器仪表的研发需求有了实现的可能。嵌入式系统是以具体应 用为叶心、以计算机技术为基础、软件和硬件可裁剪、并能适应实际的应用系 统对具体功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用计算机系统。它 主要山嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和用户应用软件等部 分组成，用于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能，它通常嵌入在主要 设备中运行。当今，计算机、通信、消费电子的一体化趋势同益明显，嵌入式 技术已成为个研究热点，正广泛渗透到家用电器、手提通讯设备、信息终端、 仪器仪表、汽车、航天航空、军事装备、制造工业和过程控制等领域。而嵌入 式系统在人们的工作和生活中的广泛应用性，正是由于它具有以下的技术特点： 1 嵌入式系统是集软件和硬件于一体的高可靠性系统。软件上除了操作系 统外，还需有完成嵌入式系统功能的应用软件：硬件上除了c p u 外，还需有外 围电路的支持。目前，微处理器、微控制器和d s p 已构成嵌入式系统硬件基础。 2 嵌入式系统是资源开销小的高性能价格比系统。嵌入式系统的发展离不 开应用，而应用的共同要求就是系统资源的开销小。由于嵌入式系统技术日益 完善，各种高性能嵌入式应用系统层出不穷，它已逐步发展成资源开销小的高 性能价格比和高可靠性的一类应用系统。 3 嵌入式系统是功能强大、使用灵活方便的系统。嵌入式系统应用的广泛 件，要求用户使用它如同使用家用电器一样的方便。 嵌入式系统的核心部件是嵌入式计算机，目前应用较为广泛的嵌入式计算 机可以分成四大类型，第一是嵌入式微处理器，它以通用c p u 为基础，将微处 理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，并在 工作温度、抗电磁干扰和可靠性方面做了各种增强；第二是嵌入式微控制器， 又称单片机，它一般以某种微处理器为核心，芯片内部集成各种必要功能和 外设，以最大限度地和应用需求相匹配，其最大特点是单片化，体积大大缩小， 从而使功耗和成本下降；第三是嵌入式片上系统，即在一块或几块硅片上实现 一个复杂的系统，用户定义出整个应用系统并通过仿真后再交给半导体工厂制 造样品；第四就是嵌入式d s p ( 数字信号处理器) 芯片。这四类嵌入式计算机 具有各自的优势，适用于不同的领域，互相竞争同时又互相补充，共同促进了 嵌入式系统的迅速发展。而嵌入式d s p 芯片更是自2 0 世纪8 0 年代初问世以来， 就在嵌入式系统应用当中占据极其重要的地位，并逐渐成为了主角。 d s p 芯片是随着微电子学、数字信号处理和计算技术等学科的发展而诞生 的。在微电子技术发展的带动下，d s p 芯片的功能日益强大，性能价格比不断 提高，开发环境日趋完善，应用领域不断扩大。在步入数字化时代的进程中， 数字信号处理器扮演着举足轻重的角色。当前d s p 处理器的典型结构是单片嵌 入式d s p ，如t i 公司的t m s 3 2 0 系列。它具有单片化、体积小、功耗低、功 能强、可靠性高、芯片上外设资源丰富及总线接口灵活等特点，而且相应的软 硬件开发环境和开发平台也相当完善和灵活，因此日益成为需要更强有力c p u 支持的嵌入式系统的主流器件。d s p 虽是为数字信号的实时快速处理而开发制 2 造的，但它稳定性好、结构紧凑和面向对象等其它特征使它的应用早已经超出 了数字信号处理这一领域，可广泛应用于多种工业控制领域。它属于高性能单 片微机，其强大的运算处理能力、先进的体系结构和较高的集成度，非常适用 f 要求高性能控制和处理的高端应用场合。 1 3 课题来源、研究意义及研究内容 正是因为单片嵌入式d s p 芯片在高速高性能嵌入式系统应用中发挥着无 可替代的作用，在工业自动化领域更是具有强大的应用潜力和远大的发展前景， 凶此，我们选择这一技术作为研究课题。同时，针对在国内空调测控领域当中， 具备 二述高速高性能特点的产品并不多见，所以本论文着力于研究和开发一种 以t l 公司的t m $ 3 2 0 f 2 4 0d s p 为控制和数字化处理核心的空调综合测控仪， 并给出系统组成和软、硬件的设计方案，本论文课题的具体研究内容如下： 1 首先针对空调综合测控仪所需实现的功能制定系统的整体设计方案，包括软 件的调试实现和基本硬件系统的设计构建。空调综合测控仪所需实现的功能包 括：一路空调运行噪声的实时采集和计权声压级测量及倍频程分析，两路室内 温度的测量和模糊逻辑在线调整p 1 d 的方案以实现温度的闼环连续控制，以圾 相关的测试数据送液晶显示屏显示和由r s 2 3 2 串行通信接口的输出。 2 对空调综合测控仪所需实现的运行噪声采集和a 计权声压级测量及倍频程 分析的功能，针对传统的噪声测量和分析过多依赖于硬件带通滤波网络和计权 网络的弱点，采用一种新型的基于软件5 1 2 点f f t 的方法，将合成噪声分解成 不同频率的多个纯音源之和，分别进行数字计权后再合成来实现。 3 对空调综合测控仪所需实现的室内温度的实时测量和p i d 调节输出，针对 温度场的精确数学模型无法确定而且具有时滞、时变、大惯性和非线性的特性， 采用一种新型的模糊逻辑f l c 在线调整p i d 的智能温控方案来进行温度的 p w m 闭环连续控制。 1 4 小结 本章作为全文的绪论部分，对运用d s p 技术的嵌入式系统的设计应用和基 于d s p 的空调综合测控仪的项目情况做了简单的介绍，提出以目前应用较为广 泛的t i 公司1 6 位定点d s p 控制器t m s 3 2 0 f 2 4 0 为控制和处理核心的空调综合 测控仪系统的设计方案，并确定了本课题的研究目的、研究意义和研究内容。 第二章系统设计方案 本章首先对本研究和设计课题即空调综合测控仪进行总体描述，列出它的 功能要求和技术指标，再以此为设计方案考虑的依据，从系统的控制和运算处 理核心即微处理器的选用出发，进行系统设计方案的比较和最终确定。本设计 我们选用美国德州仪器公司( t i ) 的新型1 6 位定点数字信号处理及控制器 t m s 3 2 0 f 2 4 0 作为系统的控制和运算处理核心，从而形成空调综合测控仪的设 计方案，并介绍了以t m s 3 2 0 f 2 4 0 为代表的t id s p 芯片的性能特点、体系结 构和系统组成。 2 1 空调综合测控仪的功能要求和技术指标 本研究课题即空调综合测控仪主要应用于空调设备的相关质量指标如运行 噪声和温度信号的实时测量和分析处理，并完成温度的闭环连续控制即脉宽调 变p w m 波形输出。系统具体的功能要求和技术指标如下： ( 1 1 实时采集一路总声压级在1 4 0 d b 以下的空调运行噪声，对其进行可闻声频 段即2 0 h z 2 0 k h z 范围内的1 1 倍频程分析、普通声压级测量和针对人耳听 觉特性进行综合评价的数字a 计权声压级测量，从而考察空调设备的噪声质量 参数，同时也为查找设备的发声部位为噪声的治理提供必需的依据。 ( 2 ) 实时测量两路0 * c 5 0 1 2 范围内的室内温度信号并采用智能p 1 d 算法实现良 好的恒温自适应闭环连续控制，并输出2 0 m s 内占空比可调的p w m 方波作为固 态继电器的阀门控制信号，调节电压以控制温度，要求恒温控制具有良好的动 态反应性和稳定性，稳态误差不超过0 7 。 ( 3 ) 按键输入进行系统自检和功能选择，并把相关测试数据送液晶屏显示并通 过r s ，2 3 2 串行通信接口串行输出。 根据上面所述，空调综合测控仪需要同时完成数字信号实时运算和系统运 行控制的功能，这要求系统微处理器应该同时具有适合于进行数字信号算法处 理和控制系统运行的优化结构及功能。 2 2 系统微处理器的选型 2 2 1 一般微处理器所存在的问题 在信号处理和控制应用系统中，微处理器( m i c r o p r o c e s s o r ) 的选取是决定系 统的经济实用性和性能好坏的一个关键。一般可供选用的有可编程控制器、通 用微处理器和d s p 芯片，r i s c 处理器和位片式处理器虽可用，但由于价格昂 贵而不作考虑。如果采用一般的可编程控制器或通用微处理器，由于其内部结 构及数据处理能力的限制会存在着以下问题： ( 1 ) 为保证信号不失真，采样速率必须很快，但可编程控制器或通用微处理 4 器较馒的运算能力会引起输出延迟，难以实现实时性，而输出延迟又会导致太 多的相位延迟，从而导致系统不稳定( 对于带宽较大的系统和复杂的控制算法， 问题尤为严重) 。 ( 2 1 采样信号受到微处理器有效字长的限制，存在着量化误差，而且算术运 算还会带来舍入误差或截断误差，这两种误差都可能引起振荡或极艰环，从而 导致系统的不稳定。 ( 3 ) 连续的算术运算可能会导致位处理器中寄存器的溢出。 由此可见，对于要实现运行噪声、室内温度等参数的实时采集和高精度数 字化处理的空调综合测控仪系统来说，需要执行其中包括大量乘法和加法的 f f t 运算等数字信号的特有算法处理以及适合于数字信号处理的位反转寻址方 式和特殊指令，一般的可编程控制器或通用微处理器较难很好的胜任，而高级 的可编程控制器或微处理器价格又较为昂贵。为了解决上述问题并考虑到系统 开发进程的易用性和简易性，我们采用专门面向数字信号处理的d s p 芯片，以 目前市场占有率最高，应用最为广泛的美国t i 公司的t m s 3 2 0 系列d s p 芯片 为核心，来完成空调综合测控仪的系统控制和信号处理的功能。 2 2 2t lt i i s 3 2 0 系列d s p 的技术特点 自1 9 8 2 年美国德州仪器公司( t i ) 生产出第一代数字信号处理器( d s p ) 以来，d s p 就凭借其独特的硬件结构和出色的运行性能，引发了场“数字信 号处理”革命，在通信、语音、图形图像处理、仪器仪表、工业控制、军事、 医疗及消费电子等许多领域都得到了广泛的运用。d s p 是从微处理器基础上发 展起来的一种高速专用的微处理器，有强大的运算能力和高速的数据传输能力， 能方便地处理以运算为主的不允许时延的实时信号。数字信号处理器( d s p ) 己成为数字信号处理技术和实际应用之间的桥梁，并进一步促进了数字信号处 理技术的发展，也极大地拓展了数字信号处理技术的应用领域。 d s p 实际上是一种高速高性能的m c u ( 单片机) ，其内部结构专门为数值 处理进行了优化，集成了更加适合于数字信号处理的软、硬件资源。以t i 的 t m s 3 2 0 系列d s p 为例，它具有以下的特点： ( 1 ) 从指令周期看；低档d s p 一般为5 0 n s ：中档d s p 一般为l o n s ；高 档d s p 一般为5 n s 。从处理能力看：低档d s p 一般为2 0 m i p s ；中档d s p 一 般为1 0 0 m i p s ；高档d s p 一般为1 6 0 0m i p s 。这里m i p s 代表每秒执行百万 条指令。 ( 2 ) d s p 片内有多条地址、数据和控制总线，可使多个控制和运算部件并 行工作，提高c p u 的处理能力。例如，c p u 完成一条指令，般要有：取指、 译码、执行和存数4 个步骤。d s p 并行执行上述4 个步骤，所以指令周期等于 机器周期，上述4 个步骤d s p 以流水线方式运行，提高了c p u 执行速度。 ( 3 ) d s p 片内有硬件乘法器，乘法运算一条指令就可完成，并且乘法器是 独j 的，可和加法器等运算部件并行工作，从而提高了c p u 的数字处理能力。 ( 4 ) d s p 中有一些特殊的指令，用来加速数字处理。比如，在个指令周 期内同时完成乘法和加法运算的连乘加( m a c ) 指令。 ( 5 ) d s p 片内具有软件插等待寄存器，方便与慢速器件接口。 ( 6 1d s p 以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，而且片内 具有p l l ( 数字锁相电路) ，使片内高频、片外低频工作，有利于系统稳定。 ( 7 ) d s p 的片内存储体( r a m 、r o m 、f l a s h ) 较大，少则几k 字，多则 儿十k 字，甚至几百k 字。 ( 8 ) d s p 具有丰富的片上外设( 定时器、异步串口、同步串口、d m a 控制 器、h p i 接口、a ，0 和通用l ，o 口等) 。 ( 9 ) 在软件开发上，d s p 支持模块化编程，便于工程化管理。 由t 述的特点比较可知，d s p 的内部硬件结构非常适合于数字信号处理， 而且片上外设丰富，软、硬开发也相当的方便和灵活，因而使得d s p 尤其是 t i 的t m s 3 2 0 系列成为控制和信号处理应用的首选器件。 2 2 3t m s 3 2 0 f 2 4 0 简介 根据上述所列举的d s p 的优越性，并针对本研究课题即基于d s p 的空调 综合测控仪所需实现的具体功能以及应用场合，我们选用t i 专门面向工控应用 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列当中的t m s 3 2 0 f 2 4 0 作为空调综合测试仪的控制和信号 处理核心。t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 作为优化控制的最佳d s p ，提供了业界成本最低，涉 及最广的数字化控制解决方案，自然成为家电、空调系统、厂房自动化、电机 控制和电力电子的首选控制器件。t m s 3 2 0 c f 2 4 0 是基于t m s 3 2 0 c 2 x x 的新型 1 6 位定点d s p 控制器系列的首批成员，又是其中功能最完善和应用最广泛的。 它将高性能的d s p 内核和丰富的微处理器外设功能集成于单片中，从而成为传 统微处理器单元( m c u ) 和高成本多片设计的理想替代，并能提供比传统1 6 位微控制器和微处理器更高的性能和性价比。f 2 4 0 放弃了冯诺依曼结构，采 用程序存储器总线和数据存储器总线分开的改进型哈佛结构，允许同时存取程 序指令和数据，并广泛采用了流水线操作来减少指令执行时间，因而大大提高 了数据的吞吐率和指令的执行速度。其具体技术特点如下： ( 1 ) 高性能静态c m o s 集成工艺，工业级的工作温度范围( 一4 0 + 8 5 ) ， + 作电压为+ 5 v ，并具有4 种用于减少功耗的省电方式。 ( 2 ) 若采用i o m h z 晶振为时钟信号，则运行时钟频率为2 0 m h z ，指令周期 是5 0 n s ，运算能力高达2 0 m i p s ，并采用四级流水线操作。 ( 3 ) 包括t m s 3 2 0 c 2 x x 内核c p u ，其中含有一个3 2 b i t 的中央算术逻辑单 兀c a l u ，一个由3 2 b i t 的累加器a c c 及1 6 b i t 的暂时寄存器t r e g 一起 6 输入数据的可进行1 6 1 6 b i t 乘法运算的独立硬件乘法器，以及存放相乘结 果的3 2 b i t 结果寄存器p r e g ，还有数字定标硬件移位器。 ( 4 ) 存储器 5 4 4 字( 5 4 4 1 6 位) 的片内双口r a m ； 1 6 k 字( 1 6 k 1 6 位) 的片内闪存f l a s h ： 共2 2 4 k 字的存储器寻址空间( 6 4 k 字的程序空间，6 4 k 字的数据宁间， 6 4 k 字的i o 空间和3 2 k 字的全局空间) 。 ( 5 ) 事件管理器( 简称e v ) 1 2 个脉冲宽度调制变( p w m ) 通道( 其中9 个相互独立) ； 3 个1 6 位通用定时器，有6 种工作模式，包括连续递d n 递减计数： 6 个1 6 位全功能比较单元，有死区功能d e a d b a n d ； 3 个1 6 位简单功能比较单元，可输出指定时问的脉冲； 4 个捕获单元，用于捕捉输入信号的时间值，其中2 个具有编码器功能； ( 6 ) 两个独立的1 0 位模数转换器( a d c ) ； ( 7 ) 2 8 个独立可编程的多路复用i o 引脚； ( 8 ) 基于锁相环( p l l ) 的时钟模块。可分别设定各种时钟信号的频率： ( 9 ) 带实时中断( r t i ) 的看门狗( w d ) 定时器模块，防止死机； ( 1 0 ) 异步串行通信接口s c i ； ( 1 i ) 同步串行外设接口s p i ； ( 1 2 ) 基于扫描的仿真j t a g ，为i e e e l l 4 9 1 标准接口； ( 13 ) 可用的开发工具 t ia n s ic 编程器，汇编连接器和c 源代码调试器c c s ； 全范围的仿真产品：s d s 5 1 0 和x d s 5 1 0 e l 有j t a g 仿真的仿真模块。 由上述技术特点可以看到，t m s 3 2 0 f 2 4 0 的1 6 位定点d s p 内核( c p u ) 能为设计者提供一个数字解决方案，解决模拟控制系统所存在的老化、部件间 相容和漂移等问题，并且没有牺牲系统的性能和精度，同时高速的c p u 又使数 字控制系统能够实时处理数据；而f 2 4 0 的体系结构能使数据处理中出现的量 化和截断误差最小，这很适于处理控制信号；另外，f 2 4 0 强大的片上外设功能， 更可为应用提供不同性价比的方案。因此，f 2 4 0 的确是本设计即空调综合测控 仪系统的微处理器的最佳选择。 2 3 基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 的系统设计方案 23 1 硬件设计方案 根据基于t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 的空调综合测控仪所需实现的功能，把整个硬 件系统分成噪声采集、温度测量、d s p 控制处理、供电及监控、r s 2 3 2 通信和 输入显示六个模块。 1 噪声采集部分：该部分由声学测量用传声器对一路空调运行噪声进行拾取， 再经过必要的直流偏置、抗混滤波和j ；i 置放大后，由d s p 在2 0 h z 2 0 k h z 的 可闻声频段内对噪声信号作a 计权声压级测量和倍频程分析。 2 温度测量部分；该部分测量两路o 5 0 范围内的室内温度，由t m s 3 2 0 f 2 4 0 内部的1 0 位a d c 作a d 转换后再采用智能p i d 算法进行运算处理，并使输出 的2 4 v 温控p w m 方波去控制继电器阀门，调节电压以控温。 3 d s p 控制处理部分：该部分是整个系统的核心，负责系统的运行控制和噪声、 温度等信号的运算处理。 4 供电及监控部分：该部分包括抗干扰和保证d s p 正常稳定工作所必需的供 电电源及复位监控电路。 5 r s 2 3 2 通信部分：该部分通过t m s 3 2 0 f 2 4 0 的串行通信接口( s c i ) 实现相 关测试数据的r s 2 3 2 串行输出。 6 输入显示部分：该部分包括5 按键键盘实现系统的功能选择以及液晶屏实现 噪声、温度等测试数据的显示。 根据系统的硬件部分组成，绘制框架图如图1 1 所示。 ：a d c i i 惴3 2 叩2 4 。叵 圊叵 习叵 囹匝 图i - 1 空调综合测控仪的硬件结构框图 2 3 。2 软件设计方案 由于t m s 3 2 0 f 2 4 0 可以在t i 公司的d s p 开发环境c o d ec o m p o s e rs y s t e m f 方便的采用c 语言或汇编语言进行软件编程、编译和执行，同时利用配套的 仿真器x d s 5 1 0 和e v m 评估板进行程序到d s p 芯片的下载和实时在线仿真， 所以本系统的软件开发采用c o d ec o m p o s e rs y s t c m 环境和硬件仿真器x d s 5 1 0 进行，并附以m a t l a b 进行软件算法的编程实验仿真和m a x + p l u s l if 的编程 和硬件仿真实验。 2 4 小结 本章主要对空调综合测控仪如何选择系统的核心即微处理器，来实现运行 控制和数字信号处理的功能进行了分析和阐述，对目前可供选择的微处理器类 刑作了简单介绍和比较，具体介绍了系统设计方案中所选取的以t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 控制器为代表的t 1 公司d s p 器件的技术特点、体系结构和系统组成，还 有它们应用的优越性，并以其为核心确定了系统设计方案。 第三章系统硬件的设计和构建 由前一章所制定的空调综合测控仪的系统设计方案，下一步的工作就是根 据系统功能需要来构建能支持t m s 3 2 0 f 2 4 0 、外围功能模块和电路正常工作的 硬件环境。本章以f 2 4 0 的片上硬件资源分配为重点，来具体说明硬件系统的 设计和构建过程。 3 1t m s 3 2 0 f 2 4 0 的电源电路 基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 的空调综合测控仪是独立于计算机的脱机控制系统，所 以需要有自己的独立电源；而且在本系统设计中，空调运行噪声信号和室内温 度信号的模数转换都需要由f 2 4 0 内部的两个1 0 位模数转换模块a d c 来完成， 为了保证系统工作的稳定性和a d 转换精度，f 2 4 0 电源电路的设计很重要。 对于d s p 的电源设计来说，最关键的问题是应该具有良好的恒压恒流特 性，电源纹波要尽可能小，过大势必会降低a d 转换精度和影响系统可用性。 为了解决这个问题，t i 和a d i 等公司都会针对本公司的d s p 芯片向设计者提 供d s p 的专用电源芯片和解决方案，但目前这些专用电源芯片和解决方案成本 都较高，而且大多属于多路d s p 工作电压( 如+ 5 0 v 、+ 3 3 v 、+ 2 5 v 、+ 1 8 v 等) 输出和监控方案。对于本测试控来说，因为采用的t m s 3 2 0 f 2 4 0 其数字核 心电路、内部数字i 0 电路、内部模拟电路以及内部a d c 电路高准位参考的供 给电压均要求为稳定的+ 5 0 v ，出于经济性和简便性考虑，在此就不考虑t i 公 司的d s p 专用电源解决方案，而以m a x 8 8 6 9 e u e 5 0 芯片为核心来构建f 2 4 0 的电源电路。 m a x 8 8 6 9 e u e 5 0 是m a x i m 的低压差线性校准电源芯片，应用场合包括p c 机和便携式数字产品的电源模块。它工作在+ 2 7 v + 5 5 v 输入电压范围内，输 出电伍精度是1 ，能提供稳定的+ 5 v ( 固定值) 或通过外接电位器调节获得 + o 8 v + 5 0 v 范围内的输出电压；它的恒定输出负载电流高达1 a ，这已经能满 足本系统的功耗要求：同时它所采用的特有的微电容技术使得它只需在电压输 入和输出引脚处各接上一个l u f 的滤波电容便可保证稳定性；低电平有效的关 断引脚s h d n 与电压输入引脚i n 相连接，则当芯片输入电压低于+ 1 0 v 时就 会关断电压输出，同时它的复位输出引脚r s t 就变为有效，提供持续3 m s 的低 电平r e s e t 信号输出。图3 1 是m a x 8 8 6 9 e u e 5 0 的r e s e t 输出响应曲线。将r s t 引脚连接到以m a x 8 8 6 9 为供电电源的微处理器的复位端，可以在掉电时提供 低电平的复位信号。经过实际硬件的实验测试，m a x 8 8 6 9 e u e 5 0 的输出电压纹 波很小，其输出噪声见图3 - 2 。于是以m a x 8 8 6 9 e u e 5 0 为核心的电源电路设计 如图3 3 所示，1 0 0 k o 电阻是m a x 8 8 6 9 e u e 5 0 复位输出端的上拉电阻。 另外还需要注意电源噪声问题。为此，f 2 4 0 的所有电源引脚( c v d d 、d v d d 、 1 0 v 。a 、v ，。f h i 、v 。) 及地线引脚( c v 。、v 。、v ；。a 、v ，e r l o ) 要确实接好，并 在引脚旁接一卜0 1 u f 滤波电容，来降低电源噪声；并在f 2 4 0 的模拟电源引脚 v 。a 和a d c 高准位参考电压引脚v ，。f h i 接入稳定的形l c 滤波网络，这罩 取l = i u h 和c = 1 0 u f 。上述电源电路经过实际调试后，可以使f 2 4 0 正常工作。 咖删l 盯矗皤q 睫啪啊 一。 图3 - 1m a x 8 8 6 9 e u e s 0 复位爷出响应 翱l 黼 图3 - 2m a x 8 8 6 9 e u e 5 0 输出噪声 上 m 诺铂朔j l n c n 一+ s v o i 湘丁r 1 d 眦 i nn 7 v m s v 3 i 参硎臣 i o +n = l 啦 i 一：一 ”a 一土l 1 ”l r 暇i 丌o i n n 丌 图3 - 3t m s 3 2 0 f 2 4 0 电源电路 3 2t m s 3 2 0 f 2 4 0 的时钟电路 因为d s p 工作以时钟为基准，需要精度高和稳定性好的时钟来保证f 2 4 0 可靠稳定的工作，所以这里就不采用它的片内振荡器而采用外加振荡源的方法 ( c l k i n ) 。为此把o s c b y p 引脚接地，表示旁路f 2 4 0 的内部振荡器而使用外 部时钟，外频由x t a l l ( c l k i n ) 引脚输入，使x t a l 2 引脚悬空，具体的时 钟电路如图3 4 所示。考虑到f 2 4 0 的外部时钟f x 不能超过3 2 m h z ( 否则p l l 将无法除频到合适的看门狗计时时钟频率w d c l k ) 以及系统的实时性要求， 这里采用1 0 m h z 晶振作为外部时钟。在f 2 4 0 片内具有锁相环( p l l ) 时钟模 块，晶振信号会经p l l 处理后提供片内各部门工作，主要有：c p u 工作频率 c p u c l k 、外围电路工作频率s y s c l k 、看门狗计时实时中断工作频率 w d c l k ( 需固定为1 6 3 8 4 h z ) 。上述的工作时钟频率可通过时钟模块中两个控 制寄存器c l k c r 0 和c l k c r l 来设定，下面具体介绍在本系统中它们各自对 应的设定。 n c g n d t 嗨3 2 0 f 2 4 0 x t a l l x t a l 2 o s c b y p 图3 4t m s 3 2 0 f 2 4 0 的时钟电路 c l k c r l ( 地址7 0 2 d h ) 用于设定c p u c l k 的工作频率，格式见图3 - 5 各位对应的说明和