（机械电子工程专业论文）基于dsp的模糊pid温度控制系统设计.pdf

摘要 摘要 目前，随着控制理论和电子技术的发展，工业中对于控制器的适应能力和智能化的 要求也在逐步的提高。其中数字信号处理器以其体积小、功能强、简便易行的特点而得 到广泛的应用。在日常化工和食品等诸多工业生产过程中，温度控制器主要采用的是常 规的p i d 控制算法。由于常规p i d 温度控制器必须由工作人员通过手动的方式进行参数调 节，响应时间长，这将不能满足工业控制器中强适应能力和高度智能化的要求，从而限 制了控制器的广泛应用。 模糊控制作为一种智能控制，在很多应用领域已经相当成熟，模糊控制是用模糊控 制命题表示一组控制规律，将指标函数与控制量联系起来，经模糊推理决定控制量，而 不管系统本身的内在因素。因此，模糊控制特别适用于那些参数和结构存在很大不确定 性或未知的控制对象，但模糊控制对于较为复杂的控制系统，很难得到完善的控制规则， 模糊控制是一种仿人的操作过程，稳定性没有严格的理论依据。 本文通过对常规p i d 控制和模糊控制的优缺点进行分析比较后提出一种简单模糊 p i d 控制策略，并对其进行了理论分析与实验校正。详细阐述了系统软硬件的开发过程 及设计，主要包括测温模块的设计，温控模块的设计，人机接口界面的设计，温控系统 的软件总体设计以及系统控制算法研究及实验测试。 关键字：数字信号处理器；p i d 控制；模糊控制；稳定性 大连交通大学t 学硕十学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o n t r o lt h e o r ya n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h e r e q u i r e m e n t so ft h es t r o n ga d a p t a b i l i t ya n dh i g hd e g r e eo fi n t e l l i g e n c eh a v eb e e ng r a d u a l l y i m p r o v e d d s ph a sb e e nw i d e l yu s e db e c a u s eo fi t ss m a l ls i z e ，h i g hp e r f o r m a n c ea n d c o n v e n i e n c e c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o la l g o r i t h mh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yt e m p e r a t u r e c o n t r o l l e r so fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o np r o c e s s e ss u c ha sc h e m i c a li n d u s t r y , f o o di n d u s t r y , e t c h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ep a r a m e t e r so ft h ec o n v e n t i o n a lp i dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r sm u s tb e m a n u a l l ya d j u s t e db yt h et e c h n i c a lw o r k e r s ，a n dt h er e a c t i o nt i m ei sl o n g ，s oi tc a nn o tm e e t t h er e q u i r e m e n t so ft h es t r o n ga d a p t a b i l i t ya n d h i g hd e g r e eo fi n t e l l i g e n c e ，a n dt h ea p p l i c a t i o n o ft h ec o n t r o l l e r sh a sb e e nl i m i t e d f u z z yc o n t r o lh a sa l r e a d yb e c o m eq u i t em a t u r ei nm a n ya p p l i c a t i o n sa sak i n do f i n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 t h ef u z z yc o n t r o le x p r e s s e sas e to fc o n t r o ll a w sb yf u z z yc o n t r o l p r o p o s i t i o n s ，c o n n e c t si n d e xf u n c t i o n sw i t hc o n t r o l l e dv a r i a b l e sa n dd e c i d e sc o n t r o l l e d v a r i a b l e sb yf u z z ya s s e r t i o n s ，r e g a r d l e s so fi n t e r n a lf a c t o r so ft h es y s t e m t h e r e f o r e ，t h ef u z z y c o n t r o li se s p e c i a l l ya p p l i c a b l ef o rc o n t r o lo b j e c t so fw h i c hp a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r e sa r e u n c e r t a i no ru n k n o w n b u ti ti sv e r yd i f f i c u l tt oo b t a i np e r f e c tc o n t r o lr u l e sb yt h ef u z z y c o n t r o lf o rr e l a t i v e l ym o r ec o m p l e xc o n t r o ls y s t e m s t h ef u z z yc o n t r o li sak i n do fh u m a n o i d o p e r a t i n gp r o c e s s ，a n dt h e r ea r en os t r i c tt h e o r e t i c a lb a s e sf o ri t ss t a b i l i t y i nt h i s p a p e r , ak i n do fs i m p l ef u z z yp i dc o n t r o ls t r a t e g yh a sb e e np r o p o s e da f t e r c o m p a r i n ga d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o lw i t ht h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so ft h ef u z z yc o n t r 0 1 a n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yh a sb e e ns u p p o r t e db y t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lc a l i b r a t i o n t h i sa r t i c l ei l l u s t r a t e st h es o f t w a r ea n d h a r d w a r eo fs y s t e mi nd e t a i l ，i tm a i n l yc o n s i s to ft h ef o l l o w i n gp a r t s ：d e s i g no fm e a s u r i n g t e m p e r a t u r em o d u l e ，d e s i g no ft e m p e r a t u r ec o n t r o lm o d u l e ，d e s i g no fh u m a n c o m p u t e r i n t e r f a c e ，d e s i g no ft h es o f t w a r eo ft e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e ma n dt h es y s t e mc o n t r o l a l g o r i t h m & e x p e r i m e n t a lt e s t k e y w o r d s ：d s p ；p i dc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ；s t a b i l i t y 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 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 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位译文作者签名：名中 日期：川年2 月2 日 学位论文作者毕业后去向：彳萄些 工作单位： 通讯地址： 电子信箱：9 仇叼“s 古眵，- g 、删 锄鲐矽司 1 日期：刁年，2 月脏日 电话：6p 争工p ；7 多 邮编： 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得盘董銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 乏移 c 日期：冽年2 月2 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景和意义 对于温度控制系统的研究具有普遍的实际应用意义。温度的变化是一个非常复杂的 过程，它不仅与物质的体积和压强等的因素有关，还与物质的当前温度有关。因此，工 业中的温控对象普遍具有非线性、大惯性和纯滞后等特点，很容易引起系统的超调和持 续的振荡。 随着微电子技术的发展以及大规模集成电路制造的成功，微型计算机在工业控制领 域中得到了广泛的应用。在现代控制理论发展的过程中，对于人工智能技术的深入研究， 为控制系统的理论领域增加了新的内容。计算机具有高速数据运算处理功能和大容量存 贮信息的能力，利用计算机将自适应和人工智能等控制算法应用到温度控制领域里，大 大的改善了温度控制器的性能，提高了温度控制的精度。这对提高工业生产效率有重大 的意义。因此，选择温度控制作为研究的对象具有很重要的实际意义【1 ，引。 1 2 国内外温度控制系统的发展及现状 1 2 1 常规p i d 控制 早期的温度控制系统大多是采用常规p i d 控制算法，其控制原理简单、直观，而且 有很好的控制性能和鲁棒性，尤其适用于一些可建立精确数学模型的控制系统。常规p i d 控制算法在理论上已经非常成熟，对像温度控制这样的纯滞后系统还是比较有效的。所 以常规p i d 控制器至今仍在工业温度控制过程中被广泛使用。但是，常规p i d 控制器的参 数整定过于复杂，对于现代工业生产中大规模和高精度的控制要求，已不能适应1 2 j 。 1 2 2 自适应控制 自适应控制理论始于2 0 世纪6 0 年代，自适应控制器是一种能够修正自己的特性以适 应对象的扰动的动态特性变化的控制器【2 1 。 自适应控制器的特点是能适应环境参数的变化，始终维持系统在最优或接近最优的 状态下工作。自适应控制的研究对象是具有一定不确定性的系统，它依据关于模型的先 验知识比较少，需要在系统的运行中不断提取有关模型的信息，来使模型逐步的完善( 即 在线辨识) ，通过在线辨识，模型就会更加接近于实际。但在线辨识模型也会带来相应 的问题，当存在大量的突发干扰和随机干扰时，就会严重影响模型的辨识精度，从而降 低了自适应控制性能【引。 1 2 3 智能控制 智能控制是一种能够在无人干预的情况下，根据控制对象的状态自动地调节控制规 1 大连交通大学t 学硕十学何论文 律以实现控制目标的自动控制技术。智能控制的关键是研究智能机器的模型，需要对实 际环境或过程进行组织和规划。其的局限性是对于较为复杂的控制系统，很难得到完善 的控制规则，稳定性没有严格的理论依据t 2 l 。 综上所述，常规p i d 控制、自适应控制、智能控制都有自己的优点，同时也各有不 足和局限性。近年来，人们通过把不同的控制算法相互结合，得到了很好的控制效果。 如将常规p i d 控制与智能控制和自适应控制相结合，便产生了模糊p i d 控制，自校正p i d 控制以及模糊自校正p i d 控制等。我国与其他发达国家相比，在实际生产的应用和温控 产品的商品化方面，有着很大的差距。随着我国经济的快速发展以及越来越激烈的国际 竞争，迫切需要我们努力去克服这些差距【2 j 。 1 3 本文研究的主要内容及工作安排 本课题主要的研究任务是在原有传统p i d 控制算法的基础上，对温度控制系统的控 制算法进行的改进，把模糊控制与传统的p i d 控制相结合，设计出一种基于简单模糊p i d 控制算法的便携式温控系统。简单模糊p i d 控制算法简单、占用系统内存少，而且可以 使温控系统具有自适应能力，有效的减少了系统的超调量和调节时间，提高了系统的实 时性和控制精度，能够达到高的指标要求。 本文共五章，所进行的主要工作和研究内容有： 第一章介绍了工业温度控制的研究现状、方法以及本课题的研究背景；第二章介绍 了d s p 的发展以及t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系y l j d s p 的结构与功能；第三章是温度控制系统硬件 的总体设计，对相关器件和模块的电路做了详细的介绍；第四章是温度控制系统软件的 总体设计，介绍了d s p 的开发环境和相关接口的编程；第五章是本文温控系统控制算法 的研究与测试，分别对p i d 控制和模糊控制进行了介绍，并通过实验图像来说明本实验 系统的特点及其优越性；最后对全文进行了总结，并指出今后需要继续进行的研究工作。 本章小结 本章首先介绍了本课题的研究背景和意义，说明温度控制的研究在工业生产和日常 生活中具有重要的作用。然后通过论述国内外温度控制系统的发展及状况来了解温度控 制主要采用的方法，并对每种方法的优、缺点做了简单的分析，最后介绍了本文的主要 内容和工作安排。 2 第二章t m s 3 2 0 i 。f 2 4 0 x 系列o s p 的结构与功能 第二章t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 的结构与功能 2 1d s p 的特点及其应用 数字信号处理是利用计算机或专业处理设备，通过数值计算的方法对信号进行采 集、变换、综合、估值和识别等加工处理过程，来达到提取信息和便于应用的目的。数 字信号处理灵活、方便，抗干扰能力强，在理论上所涉及的范围极其广泛，在数学领域， 微积分、概率统计、随机过程、复变函数等都是数字信号处理的基本工具。在学科发展 上，数字信号处理又和通信理论、最优控制和故障诊断等紧紧相连。最近几年，数字信 号处理又成为模式识别、人工智能和神经网络等新兴学科的理论基础之一，其算法实现 也和计算机学科以及微电子技术密不可分。可以说，数字信号处理是在经典的控制理论 基础上，使自己又成为一系列新兴学科的理论基础【3 4 l 。 2 1 1 数字信号处理器的特点 数字信号处理器( d s p ) 具有如下一些特点： ( 1 ) 改进的哈佛结构 早期的微处理器其片内程序空间和数据空间是合在一起的，内部大多是采用冯诺依 曼结构，取指令和取操作数是通过一条总线分时进行的。而d s p 内部采用的是改进的 哈佛结构，即程序空间和数据空间分开的哈佛结构，允许同时取指令和取操作数，而且 还允许在程序空间和数据空间之间互相传送数据。 ( 2 ) 流水线操作 d s p 执行一条指令，需要通过预取指、取指、译码、寻址、取操作数和执行等流水 线阶段。当在d s p 中采用流水线结构时，程序运行的过程中这几个阶段是重叠的，在 d s p 2 0 0 0 系列中采用四级流水线结构。d s p 利用这种流水线结构，再通过执行重复的操 作，就可以保证数字信号处理在单个指令周期内完成用的最多的乘法累加运算。 ( 3 ) 多总线结构 目前，许多d s p 内部都采用多总线结构，这样可以保证在一个机器周期内多次访 问程序空间和数据空间。 ( 4 ) 多处理单元 d s p 内部一般都包括多个处理单元，如算术逻辑运算单元，辅助寄存器运算单元， 累加器，硬件乘法器等。它们可以在一个指令周期内同时进行运算。 ( 5 ) 特殊的d s p 指令 一般为了更好的满足数字信号处理应用的要求，在d s p 的指令系统中都将设计 些特殊的d s p 指令。 3 大连交通大学1 = 学硕十学伊论文 ( 6 ) 运算精度高 早期的d s p 字长是8 位，后来逐步提高到1 6 位、2 4 位和3 2 位，为了防止运算过 程中产生溢出，有的d s p 的累加器字长是4 0 位。另外，一批浮点d s p 以及采用超长指 令字v l i w 的结构，则能提供更大的动态范围。 ( 7 ) 指令周期短 早期的d s p 的指令周期约为4 0 0 n s ，采用4 u m 的n m o s 制造工艺，运算速度达到 5 m i p s ，即每秒运算五百万条指令。随着集成电路工艺的发展，d s p 广泛应用了亚微米 静态c m o s 制造工艺，其运行速度越来越快。 ( 8 ) 硬件配置强 新一代d s p 的接口功能越来越强，片内具有并行8 位主机接口、串行通信口、并 行1 6 位主机接口、d m a 控制器、a d 转换器、软件控制的等待状态发生器、带锁相环 的时钟发生器、分区转换控制逻辑和符合i e e e l l 4 9 1 标准的j t a g 测试仿真接口，更易 于完成系统得设计。此外，许多d s p 芯片都能工作在省电模式下使得系统的功耗进一 步降低l 引。 2 1 2 数字信号处理器芯片的应用 信息产业和电子工业在最近的几十年里有了长足的发展，2 0 世纪7 0 年代的电子工 业以消费电子产品为主，具有代表性的产品有摄像机、录像机和彩电等；到了2 0 世纪 8 0 年代则是计算机得时代，具有代表性的产品有打印机、p c 和硬盘驱动器等：从2 0 设计9 0 年代至今则是信息时代，具有代表性的产品有嵌入式设备、个人通信设备和数 字化消费类电子产品等，而这些产品都是以d s p 为核心技术的。 由于d s p 具有体积小、成本低、可靠性高、性能好，易于产品化和扩展及方便地 实现多机分布并行处理的能力，所以在航空航天、工业控制、医疗设备、消费类电子、 通信、计算机及科学研究的各个领域获得了越来越广泛的应用，以下是数字信号处理技 术在不同学科的应用： ( 1 ) 信号处理：如，数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、相关运算、频谱分 析和卷积等； ( 2 ) 通信：通信系统中处处都有数字信号处理技术的应用，如，调制解调器、自适 应均衡、数据加密、数据压缩、回坡抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码和波 形产生等； ( 3 ) 语音：语音信号是声门脉冲串和声道相应的卷积。为了提高通信效率而进行的 语音压缩和为治安、加强人机联系而进行的语音识别均要求把语音信号中的两个分量分 离开。而语音合成则需要把两个分量合称为语音信号。如语音编码、语音合成、语音识 别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件和语音储存等； 4 第二章t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 的结构与功能 ( 4 ) 图像图形：如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画和机器 人视觉等； ( 5 ) 军事：如保密通信、雷达处理、声纳处理和导航等； ( 6 ) 仪器仪表：如频谱分析、函数发生、锁相环和地震处理等； ( 7 ) 自动控制：自动控制中的速度伺服控制、位置伺服控制、过程控制，它们的控 制式中常包含积分、微分等数值计算、利用d s p 技术可以很方便地实现数值计算。如 引擎控制、深空、自动驾驶、机器人控制和磁盘控制； ( 8 ) 医疗：生物医学中的脑电、心电、肌电、心音分析等均需要经过信号处理，再 提取有关参数，如助听、超声设备、诊断工具和病人监护等； ( 9 ) 家用电器：如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏和数字电话电视 等； ( 1 0 ) 地质探测：石油与天然气勘探的重要手段就是地质探测。地震法利用人工地下 爆破来产生一个脉冲激励，以地层为传输轨道，在观测点上接收地震信号，该信号是由 激励分量和反应地质构造的响应分量卷积而成的，同时受到其他一些因素的影响，因此 要采用包括同态滤波、最佳滤波在内的一套特殊的地震信号改善和信息自动提取技术。 应用d s p 的领域可以说是不胜枚举，通过以上的归纳表明，数字信号处理技术， 即d s p 技术已经广泛地应用于社会生活的各个领域，并推动了其他各学科的发展和创 新，同时，d s p 技术在传统的机械、冶金、钢铁、气象和土木工程等方面的应用也日益 深入【舢。 2 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 的运算单元 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列包括t m s 3 2 0 l f 2 4 0 2 ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 和t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，其 中l f 2 4 0 wl f 2 4 0 7 a 是最具革命性的产品，是当今世界上集成度最高、性能最强的运动 控制d s p 芯片。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 有如下一些特点： ( 1 ) 高性能、高速度。3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期速度缩短到3 3 n s ( 3 0 m h z ) ， 因此提高了控制器的实时控制能力。 ( 2 ) 采用高性能的静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减少了控制器的功耗， 而且片内拥有3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，5 4 4 字双n r a m ，1 5 k 字的数据程序r a m ， 还有2 k 字的单口r a m 。 ( 3 ) 两个时间管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：八个1 6 位脉宽调制通道，两个 1 6 位通用定时器。它们能够实现：快速的p w m 通道关闭，p w m 的对称和非对称波形， 三相反相器控制，片内光电编码器接口电路，3 个捕获单元。 ( 1 0 位a d c 转换器，其特性为：最小转换时间为5 0 0 n s ，8 个或1 6 个多路复用的 输入通道，采集时间和转换时间分开，提高了采样率和输入阻抗，并且支持自动顺序采 5 大连交通大学丁学硕十学位论文 ( 6 ) 运算精度高 早期的d s p 字长是8 位，后来逐步提高到1 6 位、2 4 位和3 2 位，为了防止运算过 程中产生溢出，有的d s p 的累加器字长是4 0 位。另外，一批浮点d s p 以及采用超长指 令字v l i w 的结构，则能提供更大的动态范围。 ( 7 ) 指令周期短 早期的d s p 的指令周期约为4 0 0 n s ，采用4 u m 的n m o s 制造工艺，运算速度达到 5 m i p s ，即每秒运算五百万条指令。随着集成电路工艺的发展，d s p 广泛应用了亚微米 静态c m o s 制造工艺，其运行速度越来越快。 ( 8 ) 硬件配置强 新一代d s p 的接口功能越来越强，片内具有并行8 位主机接口、串行通信口、并 行1 6 位主机接口、d m a 控制器、a d 转换器、软件控制的等待状态发生器、带锁相环 的时钟发生器、分区转换控制逻辑和符合i e e e l l 4 9 1 标准的j t a g 测试仿真接口，更易 于完成系统得设计。此外，许多d s p 芯片都能工作在省电模式下使得系统的功耗进一 步降低1 4 。 2 1 2 数字信号处理器芯片的应用 信息产业和电子工业在最近的几十年里有了长足的发展，2 0 世纪7 0 年代的电子工 业以消费电子产品为主，具有代表性的产品有摄像机、录像机和彩电等；到了2 0 世纪 8 0 年代则是计算机得时代，具有代表性的产品有打印机、p c 和硬盘驱动器等：从2 0 设计9 0 年代至今则是信息时代，具有代表性的产品有嵌入式设备、个人通信设备和数 字化消费类电子产品等，而这些产品都是以d s p 为核心技术的。 由于d s p 具有体积小、成本低、可靠性高、性能好，易于产品化和扩展及方便地 实现多机分布并行处理的能力，所以在航空航天、工业控制、医疗设备、消费类电子、 通信、计算机及科学研究的各个领域获得了越来越广泛的应用，以下是数字信号处理技 术在不同学科的应用： ( 1 ) 信号处理：如，数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、相关运算、频谱分 析和卷积等； ( 2 ) 通信：通信系统中处处都有数字信号处理技术的应用，如，调制解调器、自适 应均衡、数据加密、数据压缩、回坡抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码和波 形产生等； ( 3 ) 语音：语音信号是声门脉冲串和声道相应的卷积。为了提高通信效率而进行的 语音压缩和为治安、加强人机联系而进行的语音识别均要求把语音信号中的两个分量分 离开。而语音合成则需要把两个分量合称为语音信号。如语音编码、语音合成、语音识 别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件和语音储存等； 4 第二章t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 的结构与功能 2 2 2 输入定标移位器 3 2 位的输入数据定标移位器把存储器中送来的1 6 位值调整送至3 2 位的中央算术逻 辑单元( c a l u ) ，输入移位器作为程序数据空间至c a l u 间数据通路一部分，不会占 用时钟的开销。 2 2 3 乘法器 乘法器的结构主要包括： ( 1 ) 用来保存一个乘数的1 6 位暂时寄存器( t r e g ) ； ( 2 ) 乘法器( 为1 6 位x 1 6 位的硬件乘法器) ； ( 3 ) 3 2 位乘积寄存器( p r e g ：内放乘法运算后的乘积) ： ( 4 ) 乘积移位器( 对乘积结果采用四种乘积移位方式，移位方式根据p m 的状指定) 。 其中乘积移位器的移位方式如下表所剥5 1 。 表2 1 乘积移位器的移位方式 t a b l e2 1p s c a ie ss h i f tm o d et a b l e p ms h j f t 说明 0 0 没有移位乘积结果没有移位地送入c a l u 单元或数据总线 移去在一次2 的补码乘法运算中产生的1 位附加符号位，以得到一 0 1 左移1 位 个q 3 1 的乘机 当与一个1 3 位的常数相乘时，移去在1 6 x 1 3 位的2 的补码乘法运算 1 0 左移4 位 中产生的4 位附加符号位，以生成一个q 3 1 的乘积 对乘积结果进行定标，以使得运行1 2 8 次的乘机累加而累加器不会 1 1 右移6 位 溢出 2 2 4 中央算术逻辑单元 中央算术逻辑部分的主要组成包括： ( 1 ) 中央算术逻辑单元c a l u 中央算术逻辑单元实现许多算术和逻辑运算功能，且大多数的功能都只需1 个时钟 周期，这些运算功能包括：1 6 位加、1 6 位减、布尔运算、位测试以及移位和旋转功能。 ( 2 ) 3 2 位累加器 一旦c a l u 中的运算完成，其结果就被送至累加器，并在累加器中执行单个移位或 循环操作。累加器的高位字和地位字中的任意一个可以被送至输出定标移位器。在此定 标移位后，又被送至数据存储器中。 ( 3 ) 输出定标移位器 输出定标移位器存储指令中，指定的位数将累加器输出的内容左移0 - 7 位，然后 7 大连交通人学t 学硕十学位论文 用s a c h 或s a c l 指令将移位器的高位字或低位字存至数据存储器中。在此过程中，累 加器的内容保持不变【5 j 。 2 3 存储器和i o 空间 f 2 4 0 x 系列d s p 的地址映像被组织为3 个可独立选择的空间：程序存储器、数据存 储器及输入输出i o 空间f 5 1 。 2 3 1 程序存储器 程序存储器用于保持程序代码以及数据表信息和常量。程序存储器的寻址空间为 6 4 k 字，这包括片内d a r a m 和片内f l a s he e p r o m r o m 。当访问片外程序地址空 间时，d s p 自动产生一个访问外部程序地址空间的信号p s 。 有两个因素决定程序存储空间存储器的位置： ( 1 ) c n f 位。 当c n f = 0 时，b 0 块被映射为片外程序空间；当c n f = i 时，b 0 块被映射为片内程 序空间。 ( 2 ) m p m c 引脚。 当m p m c = o 时，器件被配置为微控制器方式，可访问片内r o m 或f l a s h ，器 件从片内程序存储器中读耿复位向量；当m p m c = 1 时，器件被配置为微处理器方式， 禁止使用片内f l a s h 器件从外部程序存储器中读取复位向量【卯。 2 3 2 数据存储器 数据存储器的寻址范围高达6 4 k 字。每个器件都有3 个片内d a r a m 块：b 0 、b 1 和b 2 块，其中b 0 块可配置为数据存储器，也可配置为程序存储器，而b 1 和b 2 块只 能配置为数据存储器。 一般存储器采用两种寻址方式即：直接寻址和间接寻址。当使用直接寻址时，按1 2 8 字的数据块对数据存储器进行寻址。当前页有状态寄存器s t 0 中的9 位数据页指针的值 来确定。所以，当使用直接寻址指令时，用户需事先指定数据页，并在访问数据存储器 的指令中指定移位量【5 ，6 l 。 2 3 3i o 空间 i o 空间存储器寻址范围为6 4 k 字，图2 2 给出了f 2 4 0 7 的i o 空间地址映射。 8 第二章t m s 3 2 0 1 。f 2 4 0 x 系列d s p 的结构与功能 p e f f f f 0 0 f f o e f f o f f f l 0 f f f e f f f f 外部空问 保留，非法 f l a s h 控制寄存器 保留 等待状态控制寄存器 图2 2f 2 4 0 7l o 空间地址映射图 f i g2 2t h ei os p a c ea d d r e s sm a p so ff 2 4 0 7 2 4 系统配置和中断 f 2 4 0 x 系列d s p 系统配置的寄存器和有关的中断主要有系统配置寄存器、中断优先 级和中断向量表、中断向量、中断响应的流程、中断响应的延时、c p u 中断寄存器、外 设中断扩展控制器、外设中断寄存器、无效地址检测、复位以及外部中断寄存器。下面 只对c p u 中断寄存器和外设中断寄存器做一简单的介绍【5 。 2 4 1c p u 中断寄存器 c p u 中断寄存器包括：中断控制寄存器( i m r ) 和中断标志寄存器( i f r ) 。 ( 1 ) c p u 中断屏蔽寄存器 中断屏蔽寄存器是一个映射至数据存储器空间0 0 0 4 h 处的1 6 位寄存器。i m r 中包 含所有中断的屏蔽位。i m r 不包含n m i 和r s 。因此，i m r 对这两个引脚无影响。 读i m r 寄存器可以识别出已屏蔽或使能的中断，而向i m r 中写，则可屏蔽中断级 或将使能全部中断，若使能全部中断，则应设置相应的i m r 位为1 ，而屏蔽中断时，只 需将相应的i m r 位设置为0 。 ( 2 ) c p u 中断标志寄存器 1 6 位的中断标志寄存器位于数据存储器空间中的0 0 0 6 h 处，用于识别和清除悬挂的 中断。i f r 包含用于所有可屏蔽的中断标志位。 当有可屏蔽中断被请求时，相应的中断控制寄存器的标志位被置1 。如果同一控制 寄存器中的中断使能位同时也为1 ，则该中断请求被送到c p u ，并设置i f r 的相应位。 这表示该中断正被悬挂，等待响应。 读取i f r 可以识别悬挂的中断，而写i f r 则将清除已挂起的中断。为了清除一个中 断请求，向相应的i f r 位写1 。把i r f 中当前的内容写回i f r ，则可清除所挂起的中断。 9 大连交通大学下学硕十学位论文 器件复位时，将清除所有i f r 位。 2 4 2 外设中断寄存器 外设中断寄存器包括： ( 1 ) 外设中断向量寄存器； ( 2 ) 外设中断请求寄存器0 1 2 ； ( 3 ) 外设中断应答寄存器0 1 2 。 外设中断扩展模块有外设中断应答寄存器o 1 2 和外设中断请求寄存器0 1 1 1 2 ，其用 来向c p u 产生i n t i i n t 6 中断请求应答寄存器。这些寄存器存在的目的是为了用于测 试的，而不是为了用户的应用，所有在编程时可以忽略【5 ，羽。 2 5 本文数字信号处理器芯片的选择及其特点 本文选择美国t i ( 德州仪器) 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列中的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 芯片价格低，具有较高的性能和适用于控制领域的功能，因 此可以广泛的应用于自动化、电机控制、运动控制、电力电子、家用电器等领域。而 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片属于t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 平台2 4 x 系列中的一种功能最全的1 6 位定点运 算数字信号处理器，其有以下特点： ( 1 ) 3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到3 3 n s ，从而提高了控制器的实时控制能 力；采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减少了控制器的功耗； ( 2 ) 为了保证f 2 4 0 x 系列d s p 代码与t m s 3 2 0 系列d s p 代码的兼容，采用基于 t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 核； ( 3 ) 片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器、5 4 4 字双口r a m 和2 k 字的单e l 和 高达1 5 k 字的数据程序r a m ； ( 4 ) 有e v a 和e v b 两个事件管理器模块，其中每个模块都包括：两个1 6 位通用定 时器，八个1 6 位脉宽调制通道。事件管理模块e v a 和e v b 能够实现：三相反相器控 制，p w m 的对称和非对称波形，快速的p w m 通道关闭，可编程的p w m 死区控制， 片内光电编码器接口电路，3 个捕获单元，1 6 通道a d 转换器。事件管理器模块适用于 控制无刷直流电机、交流感应电机、开关磁阻电机、多级电机、步进电机和逆变器； ( 5 ) 可扩展的外部存储器总共1 9 2 k 字空间：6 4 k 字程序存储器空间、6 4 k 字数据 存储器空间和6 4 k 字i o 寻址空间； ( 6 ) 看门狗定时器模块； ( 7 ) 1 0 位a d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s ，可选择一个1 6 通道输入a d 转换器或 由两个事件管理器来触发的两个8 通道输入a d 转换器； ( 8 ) 控制器局域网网络2 0 b 模块； 1 0 第二章t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 的结构与功能 ( 9 ) 1 6 位串行外设接口模块； ( 1 0 ) 串行通信接口模块； 0 1 ) 基于锁相环的时钟发生器； ( 1 2 ) 5 个外部中断； ( 1 3 ) 高达4 0 个可单独编程或复用的通用i o 引脚； ( 1 4 ) 电源管理包括3 种低功耗模式，能独立的将外设器件转入低功耗模式【5 8 l 。 本章小结 本章首先简单的介绍了d s p 的特点及其应用，然后通过对内核c p u 、存储器、i o 空间、系统配置和中断的分部介绍，了解了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 的结构与功能， 最后对本文系统所采用的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片做了简单介绍。 大连交通大学t 学硕十学位论文 第三章温控系统的硬件总体设计 3 1 系统的总体设计方案 为了控制恒温控制箱保持在一定的温度范围之内，我们设计了一套控制电路。本文 设计的温控箱容积约为6 升，温控范围为o 到6 0 ，控制精度为o 5 。系统硬件设计 总体框图如图3 1 所示。它是由测温模块、a d 模块、d s p 控制模块、驱动电路、半导 体制冷器件、l c d 显示模块以及键盘所构成。首先通过测温模块将被检测的环境温度信 号转换为电信号，然后通过调理电路将采集到的信号值调整到a d 转换芯片所允许的输 入范围之内，再经由a d 转换器转换成数字信号，并将数字信号输入到d s p 控制模块中， 经过简单的模糊控制和p i d 控制，通过p w m 信号的输出来控制驱动电路，从而控制半 导体制冷器件的工作。当温度未达到我们所设定的温度范围时，启动半导体制冷片加热 单元，当温度超过我们所设定的温度范围时，则启动半导体制冷片制冷单元。通过这样 的控制过程，可以将恒温控制箱的温度调控在一定的温度范围内1 9 j 。 图3 1 硬件平台系统框图 f i g3 1h a r d w a r ep l a t f o r ms y s t e mb l o c kd i a g r a m 在图3 1 中，我们采用m f 5 8 1 0 3 h 3 6 0 0 f a 热敏电阻作为温度传感器，a d 转换采 用a d 7 8 2 2 b n 芯片，控制芯片则采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片，独立按键，显示 采用北京青云创新公司生产的l c m l 2 8 6 4 z k 中文液晶显示模块，实时时钟采用的是美 国d a l l a s 公司的d s l 2 c 8 8 7 时钟日历芯片，最后由光耦t l p 2 5 0 和m o s 管i r f 5 4 0 组成的驱动电路来驱动半导体制冷片。 3 2 测温模块的设计 测温模块是由热敏电阻和放大器芯片l m 3 5 8 构成的。测温模块的电路如图3 2 所示。 1 2 第三章温控系统的硬件总体设计 v c c 图3 2 测温模块电路图 f i g3 2m e a s u r i n gt e m p e r a t u r em o d u l ec i r c u i td i a g r a m 本文测温电路的原理是通过温度传感器一热敏电阻( h r ) 感受周围环境温度的变 化来改变自身的阻值，从而改变对应的电压值，通过运放后输入电压与输出电压成反比 关系，再经过电压跟随器的缓冲和隔离，最后稳定输出。本文的温度传感器测温范围为 0 到6 0 。 3 2 1 热敏电阻 热敏电阻是电阻式温度传感器的一种。一般把金属氧化物陶瓷半导体材料，经形成、 烧结等工艺制成的测温元件叫做热敏电阻，而把金属导体铜、镍、铂制成的测温电阻称 为热电阻。 热敏电阻的温度系数有正有负，因此分成两类：p t c 热敏电阻与n t c 热敏电阻。 一般n t c 热敏电阻测量范围比较宽，主要用于温度测量；而p t c 突变型热敏电阻的温 度范围较窄，一般用于恒温加热控制或温度开关，也用于彩色电视机中作温度补偿或温 度测量。 本文采用的是型号为m f 5 8 1 0 3 h 3 6 0 0 f an t c 热敏电阻。典型的n t c 热敏电阻的 特性曲线如图3 3 所示。 大连交通大学t 学硕七学何论文 - 4 0- 2 002 04 06 08 0t ， 图3 3n t c 热敏电阻的特性曲线 f i g3 3t h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fn t ct h e r m i s t o r n t c 热敏电阻的电阻值r 与温度t ( k ) 的关系如下式 r = r o e x p b ( 1 t 一1 瓦) )( 3 1 ) 式中r 。是温度为t o ( k ) 时的电阻值，b 为常数，一般为3 0 0 0 5 0 0 0 ( k ) ，由上式可以看 出，电阻与温度的关系是指数曲线。如果将温度特性换算成电阻值的变化率，则在室温 附近的单位温度变化，其电阻变化率为3 - 5 ，这说明热敏电阻的灵敏度很高的。 一般的n t c 热敏电阻的测温范围为5 0 + 3 0 0 。c ，本文热敏电阻采集的温度范围为 0 * c 6 0 ，阻值变化率为4 ，对应电压值的变化范围约为o 3 5 到2 4 v 。 热敏电阻有下述优点： ( 1 ) 电阻温度系数绝对值大，因而灵敏度高，测量线路简单，甚至不用放大器便可 输出几伏的电压； ( 2 ) 体积小、重量轻、热惯性小； ( 3 ) 本身电阻值大，不需要考虑引线长度带来的误差，因此适于远距离测量； ( 4 ) 热敏