（系统分析与集成专业论文）基于tms320f2812的智能变送器的设计与实现.pdf

南京信息工程大学硕士论文 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的智能变送器的设计与实现 摘要 智能仪器是含有微处理器或微计算机的测量仪器，是计算机技术以及测量 仪表相结合的产物。近年来，智能仪器己经开始从较为成熟的数据处理领域向 知识处理领域发展，其体现为模糊判断、故障诊断、容错技术、传感器融合等， 使智能仪器的功能向更高的层次发展。 随着现代化工业的发展，自动化系统不断大型化和复杂化，从过去以生产 过程运行的稳定性为目的转变为今天大规模集中和最佳化控制，加上应用领域 的扩展，传统传感器功能单一、性能不稳定，已经不能满足多种测试要求。 伴随着传感器技术、通信技术和计算机技术互相融合产生了智能变送器。 智能变送器即：在变送器本体内直接使用微处理器芯片，能够完成信号的探测、 变换处理、逻辑判断、功能计算，内部可实现自检、自校正、自补偿、自诊断， 并且具备网络通信能力，可直接与计算机进行数字通信，使用数字通信的信道 复用技术和低功耗电路，使多个变送器可共用一条通信总线并进行双向通信。 本装置选用t i 公司t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器，开发了一种基于d s p 芯片的智能变送器。论文主要内容包括：1 分析了智能变送器的重要意义和国 内外的研究现状，提出了一种基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的智能变送器的设计方案； 2 智能变送器的硬件设计，包括微控制器模块、传感器模块、液晶显示模块、 通信模块等模块的设计；3 装置的软件系统设计，包括初始化模块、数据采集 模块、数据处理模块、显示模块、通信模块的程序编写；4 提出了系统抗干扰 设计的观点和注意事项，以及装置的测量功能实验方案；5 最后，论文对在开 发研制过程中软硬件调试中所遇到的问题和经验进行了总结和展望。 关键字：t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，智能变送器，m a x l 4 0 0 ，e c a n 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的智能变送器的设计与实现 a b s t r a c t i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sc o n t a i nm i c r o p r o c e s s o r so rm i c r o c o m p u t e r s ，w h i c ha r i s e f r o mt h ec o m b i n a t i o no ft h em e a s u r i n gi n s t r u m e n ta n dt h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y i n r e c e n ty e a r s ，i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sh a sb e e ns h i f t e df r o mw e l l d e v e l o p e dd i g i t a l p r o c e s s i n gt ok n o w l e d g ep r o c e s s i n g ，w h i c hm a i n l ys h o w st h ef u z z yj u d g m e n t s ，f a u l t d i a g n o s i s ，f a u l tt o l e r a n tt e c h n i q u e ，s e n s o rf u s i o na n ds ot h a t ，e m b o d y i n gt h e e x p a n s i o no ft h ef u n c t i o no fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t st oah i 曲e l s t a g e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r y , a u t o m a t i o ns y s t e m sh a v e b e e nl a r g e r a n dm o r ec o m p l e x ，w h i c hh a v es h i f i e df r o mf o r t h ep u r p o s eo ft h eo p e r a t i o n a l s t a b i l i t y o ft h ep r o d u c t i o np r o c e s st om a s sc o n c e n t r a t i o na n do p t i m a lc o n t r o l ， c o m b i n e dw i t ht h ee x p a n s i o no fa p p l i c a t i o nf i e l d s ，t h et r a d i t i o n a ls e n s o r st h a ta r e s i n g l ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c ei n s t a b i l i t yc a nn ol o n g e rm e e tav a r i e t yo ft e s t r e q u i r e m e n t s t h es e n s o rt e c h n o l o g ym e r g e sw i t hc o m m u n i c a t i o n sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h u sp r o d u c i n gt h ei n t e l l i g e n c e 仃a n s m i t t e r t h ei n t e l l i g e n c et r a n s m i t t e rt h a ti s ：d i r e c t u s eo ft h em i c r o p r o c e s s o rc h i pi nt h es e n s o r , w h i c hi sa b l et oc o m p l e t en l es i g n a l d e t e c t i o n ，t r a n s f o r m ，l o g i c a lj u d g m e n t s ，a n df u n c t i o n a lc a l c u l a t i o n ，c a nr e a l i z e s s e l f - i n s p e c t i o ns e l f - c o r r e c t i o n ，s e l f - c o m p e n s a t i o n ，a n ds e l f - d i a g n o s i s ，a n dh a st h e a b i l i t yo fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n w h i c hc a nd i r e c t l yd i g i t a l l yc o m m u n i c a t ew i t h t h ec o m p u t e r t h ei n t e l l i g e n c et r a n s m i t t e r - u s e st h em e t h o do fc h a n n e lm u l t i p l e x i n g a n dl o w - p o w e rc i r c u i t ，s ot h a tm u l t i p l et r a n s m i t t e r sc a ns h a r eac o m m u n i c a t i o nb u s a n dt w o w a yc o m m u n i c a t i o n t h i sd e v i c e s e l e c t i n g t h e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m $ 3 2 0 f 2 8 12a n d h i 曲一p r e c i s i o na d cm a x 14 0 0h a sd e v e l o p e dak i n do ft h ei n t e l l i g e n c et r a n s m i t t e r b a s e do nd s pc h i p t h e 也e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s ：t h ef i r s tp a r ti sa b o u tt h e i n t r o d u c t i o no ft h ec a nb u st e c h n o l o g ya n dt h et m $ 3 2 0 f 2 812c h i p t h es e c o n d p a r ti sa b o u tt h eh a r d w a r ed e s i g n ，w h i c hi n c l u d e st h em i c r o c o n t r o l l e rm o d u l e ，t h e s e n s o rm o d u l e t h el c dm o d u l e ，t h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n ds oo n t h et h i r d p a r t i sa b o u tt h es o f t w a r ed e s i g n ，w h i c hi n c l u d e st h e p r o g r a m m i n go ft h e i n i f i a l i z a t i o nm o d u l e ，t h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，t h ed a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ，t h e d i s p l a ym o d u l e , t h ea n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h ef o u r t hp a r ti sa b o u ti n s t r u m e n t m e a s u r i n gf u n c t i o nt e s t i n g ，d e b u g g i n g ，a n dd a t aa n a l y z i n gb yu s i n gt h ei n t e l l i g e n t p r e s s u r et r a n s m i t t e r f i n a l l y , t h ep r o b l e ma n de x p e r i e n c e s im e ti nd e v e l o p i n g h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fs m a r t 仃a n s d u c e rs y s t e ma r es u m m a r i z e di nt h el a s to ft h i s p a p e r k e y w o r d ：t m s 3 2 0 f 2 81 2 ，i n t e l l e c t u a lt r a n s m i t t e r , m a x l 4 0 0 ，e c a n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均已在 论文中作了声明并表示谢意。 学位论文作者签名：孕啦 签字日期：垒d 芝l 皿 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国 科学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并 通过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究 生部办理。 口公开口保密(年月) ( 保密的学位沦为在解密后应遵守此协 议) 学位论文作者签 指导教师签名： 签字日期： 2 翌2 垒：! 兰 签字日期：_ = 冱扯衅 南京信息工程大学硕士论文基于1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的智能变送器的设计与实现 1 1 变送器及其发展历程 第一章绪论 近年来计算机技术的飞速发展，使得仪器、仪表向自动化、多功能化方向发展。仪器、 仪表已不仅仅是工业时代必不可少的工具，而且是当今高科技信息时代的源头。科技要发 展，生产要发展，仪器、仪表必须先行发展 1 】。 变送器是将非标准电信号转换为标准电信号的仪器，是工业过程重要的基础自动化设 备之一。变送器能将传感器输入的电信号、非电量信号转换为电信号后进行放大，从而供 远方测量及控制的信号源。根据实际需要，变送器还可将模拟量变换为所需的数字量。 随着过程工艺的复杂化以及大容量、高参数设备的不断增加，变送器用量不断增多， 对其精度等多方面的要求也不断提高。智能变送器即内部使用微处理器芯片的变送器，它 能对被测信号进行数字化处理，并增加数字通信接口，使变送器可直接与计算机进行通信。 变送器作为底层测控仪表经历了几个发展阶段，根据分类依据不同，它的主要发展历 程为： ( 1 ) 按照组成器件可分为： 1 、电子管阶段：六十年代中期开始生产，放大单元主要为磁放大器和电子管，代表产 品为d d z i 型仪表。 2 、晶体管阶段：七十年代初期开始生产，放大单元广泛采用晶体管，其输出为0 1 0 m a 标准直流信号，代表产品为d d z i 、i i 型仪表。 3 、中小规模集成电路：八十年代初，随着半导体工艺水平不断提高，由大量晶体管组 成的中小规模集成电路出现且被应用于仪表领域。这一阶段的变送器放大元件主要采用集 成电路，且具有安全火花防爆性能，输出4 2 0 m a 的标准直流信号，代表产品为d d z i i i 型 仪表 2 】o 上述三个阶段，所有功能都是由硬件电路实现，任一部分的产生漂移都将反映于测量 结果之中，不能完全保证测量结果正确性。 4 、大规模集成电路阶段：这一阶段的变送器习惯上被称为智能变送器。智能变送器内 部的微处理器可直接对被测量进行数字化处理，使得其量程比和测量精度大大提高，并有 诊断报警功能，还可克服零漂以及温漂影响，有的还具有高级处理功能，如直接p i d 输出。 通过双向数字通信，变送器的诊断、标定和组态可在控制室内远程执行，因此智能变送器 1 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的智能变送器的设计与实现 性能远胜于普通变送器，在国外近1 0 年来获得日益广泛应用 3 】。 ( 2 ) 按照输出信号形式可分为： 1 、传统的模拟变送器：输入电路、放大电路和反馈电路是这一类型的变送器主要组成 部分。变送器将敏感元件采集的输入值与反馈信号做比较，其差值经由放大器进行放大， 并转换成0 1 0 m a 或是4 2 0 m a 的标准输出信号。该阶段的变送器存在的主要缺点是功能单 一，价格高，体积大，安装维修不方便，不便于同计算机接口等。 2 、半数字式变送器：目前各种现场总线标准处于发展以及完善阶段，而在工业控制很 多个领域中依然广泛应用传统的4 2 0 m a 标准模拟输出设备，因此短时间内难以普及全数字 化变送器，由于这种情况，产生了半数字式变送器。该阶段的主要代表即为符合h a r t 协 议的变送器，其输出值为4 - 2 0 m a 的标准电流信号，并且同时载有可寻址远程传感器数据通 路( h a r t ) 数字通信信号。在这一阶段，用户管理系统首次延伸到工厂底层测控点上， 是测量发展历程上一个重要的转折点，但随着全数字化越来越快的发展趋势，此种仪表终 将被全数字智能仪表所取代。 3 、全数字智能变送器：伴随着综合信息自动化需求的推动以及现场总线的快速发展， 符合现场总线通信协议的总线型变送器应运而生，它的输出是全数字信号，且将底层设备 变成网络中的节点，信息孤岛的局面被打破，实现了企业信息集成以及综合自动化【4 】。 1 2 课题研究的背景及意义 伴随着现代化工业的飞速发展，自动化系统从以生产过程运行稳定性为目的转变为如 今的最佳化控制和大规模集中，加上应用领域的扩展，功能单一、性能不稳定的传统变送 器，已经难以满足多种测试要求。随着传感器技术、通信技术和计算机技术的互相融合产 生了智能传感器。 传统的变送器在调校过程中需要从现场拆除，进行一系列离线校验，十分繁琐又影响 生产，且有些变送器是被安装在高温、高压、易爆的场所，如果采用智能变送器既可避免 了以上繁琐而危险的工作。智能变送器在变更测量范围时不需要从过程线上拆下，同时也 不需要将压力信号或是差压信号送入变送器，仅需通过s f c 键盘操作既可以对变送器实现远 程设定、变更和校准。这样很大程度上减少了检修停工期，缩短了维修时间。智能变送器 还具有自诊断功能，这种功能给使用以及维修带来很大的实惠。 智能变送器无论做任何一种参数测量有一个相同的方式，即主测量传感器能够产生一 个微处理可以采用的信号。智能变送器的发展和传感器技术以及计算机技术的发展密不可 分，新一代变送器一定是全数字化的，且应有通讯功能。测量结果通过通讯方法送入操作 2 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的智能变送器的设计与实现 站，不会在传输过程中损失精度，因此比传统模拟信号变送器更优越5 1 。 如上所述，智能变送器有很多显著的优点，因此它十分适合用于环境条件较差、测量 范围变化较大、而对于测量精度要求高以及采用数字通信的大型控制装置系统。其具体应 用场合如下： ( 1 ) 用于现场总线 根据现场总线的定义，智能变送器在现场总线中起到十分重要的作用，有p i d 功能的智 能变送器可将集中控制的危险性分散到最低，同时采用了数字通讯方式，大大节省了模拟 通讯电线。 ( 2 ) 用于特殊场合 对于尚未普及现场总线的情况，如塔顶、高空或是有毒有害气体环境，可以很大程度 上减少维护人员工作量和死亡可能性。 ( 3 ) 用于量程范围较大的场合 f c 系列变送器，量程比太小，只有1 0 ：1 。而改量程时变送器需换型，给生产维护带来 了不便，也增加了各种量程的变送器的备用数量。智能变送器具有4 0 ：1 的量程比，很容易 克服上述困难。 ( 4 ) 用于要求测量精度高的场合 对于一些环境温度及过程静压变化较大而要求测量精度高的场合，利用智能变送器具 有温度及静压补偿的功能，可明显提高变送器的测量准确性【6 】。 由于其更高的性能价格比，智能变送器不仅在二十一世纪的数字化时代，而且在现场 总线时期也是大有可为的，必定有美好的应用前景。 1 3 课题研究的内容与方法 鉴于以上的分析，本文经导师指导选择智能变送器的开发这一课题，从装置的硬件设 计、软件设计等角度进行研究，重点在该装置各部分功能实现上。本论文主要完成下面的 工作： ( 1 ) 分析了智能变送器的重要意义和国内外的研究现状，提出了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的智能变送器的设计方案。 ( 2 ) 进行了智能变送器的硬件设计。本系统设计采用了t i 公司的定点处理器 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 作为数据处理核心，采用1 8 位的m a x l 4 0 0 作为数据转换单元，提高了 系统采样精度。智能变送器的硬件电路设计以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片为核心，构建d s p 最小 系统，在此基础上外围扩展a d 采集模块、液晶显示模块、d a 输出模块、通信模块等。 3 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的智能变送器的设计与实现 ( 3 ) 在软件设计方面，采用d s p 集成开发环境c c s 编写各个部分程序。系统软件主要 的功能有：系统的初始化，信号的采集与计算，结果的显示、输出以及数据通信等功能。 ( 4 ) 提出了系统抗干扰设计的观点和注意事项，通过使用p c i o 系列差压传感器设计 了仪表的测量功能调试方案。 4 南京信息工程大学硕士论文 基于1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的智能变送器的设计与实现 第二章智能变送器系统设计方案 2 1 智能变送器 智能变送器是传感器和微处理器结合的产物，它充分利用了微处理器运算和存储能力， 将传感器的采集数据进行处理，其中包括对测量信号的调理、数据显示、自动校正和自动 补偿等。智能式变送器降低了传感器的制造难度，并在很大程度上提高了传感器的性能。 2 1 1 智能变送器特点 由于智能变送器采用先进传感技术，计算机技术及数字通讯技术，它的优点是一般变 送器无法比拟的： ( 1 ) 具有4 - 2 0 m a d c 或数字信号输出功能 ( 2 ) 有较高的精度 在仪表的微处理器内可以对被测量进行非线性、温度等补偿，并且传输过程中精度损 失小，抗干扰性强。一般智能变送器精度为士o 1 ，如工作在数字方式下则更高【7 】。 ( 3 ) 宽量程比 智能变送器量程比一般能达n 4 0 ：1 以上，而普通型变送器多为1 0 ：1 。宽量程比可使 变送器本身的实用性，通用性得以提高，给用户及设计者带来方便，减少备用表数量及种 类。 ( 4 ) 完善的自诊断功能 部分电子线路及各种主要部件能够做完善的自诊断，并能给出故障部件的明确指标。 ( 5 ) 真正的互操作性 通过d c s 或通信器可远距离对变送器编程、组态、检查和校验。 2 1 2 智能变送器分类 变送器的种类繁多，但总体来说变送器是其发送信号给二次仪表，使得二次仪表显示测 量数据，且将普通电信号或是物理测量信号转换成标准的电信号输出或能够通过通讯协议 的方式输出的设备。 变送器一般分为：温度湿度变送器，电流变送器，差压变送器，压力变送器，液位变 5 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的智能变送器的设计与实现 送器，电量变送器，重量变送器等，流量变送器等。 变送器按照传输方式的不同可分为：二线制、三线制和四线制等几种传输模式。二线 制传输方式中二根导线同时传送变送器所需要的输出电流信号和电源，即变送器、供电电 源和负载电阻是串联的；三线制传输方式中信号输出的正端和电源正端共用一个地线，v 一 和i + 两端之间可以得到电流信号；四线制方式中供电电源和变送器输出信号分别用二根导 线传输，即负载电阻、供电电源分别和变送器相连。 两线制是指现场变送器与控制室仪表联系仅用两根导线，这两根线既是电源线，又是 信号线。两线制与三线制( 一根正电源线，两根信号线，其中一根共g n d ) 以及四线制( 两根正 负电源线，两根信号线，其中一根g n d ) 相比，具有较多的优点和特点。因此，本装置设计为 二线制智能变送器。 2 2 智能变送器硬件总体设计 传统的变送器主要是由运算放大器、电容、电阻等器件构成的，主要起信号放大、变 换作用，其功能相对单一。近年来多功能、低功耗微处理器、高精度a d 变换器和d a 变换 器件的面世，为研制通用型智能变送器打下了坚实的物质基础。智能变送器都是以c p u 为 核心构成的数字化仪表，其工作原理为：传感器将非电量信号转换为电量信号一进行放大、 滤波等变换一c p u 进行数据采集处理一经过接口电路进行显示、信号传输。 一 智能变送器采用微处理器后，不仅可对温度、湿度、流量等物理量进行测量与变送， 还可以大大提高系统可靠性及精度，减少外部连线，实现了一机多用，满足多种线性与非 线性输入信号的精度要求等。 本论文智能变送器的硬件电路设计以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片为核心，在此基础上外围扩展 a d 转换模块、显示器接口模块、c a n 通信模块、d a 转换器模块、存储器扩展模块嘲。硬 件设计结构框图如图2 1 所示： 图2 1 硬件设计结构图 6 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的智能变送器的设计与实现 2 3 智能变送器软件总体设计 在软件具体设计前，首先必须为软件作一个总体规划，即进行软件任务分析。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是整个系统中的核心部分，系统的功能都是由这个核心部分来完成的。系统 软件主要的功能有：系统的初始化，信号的采集与计算，结果的显示、输出以及数据通信 等功能 9 】o 系统的软件功能框图如图2 2 所示： 图2 2 软件功能框图 整个系统软件程序包括c 主程序，中断向量表，c 语言运行支持库，存储器配置以及 相关头文件组成。其中，c 主程序中包括了系统的初始化、各功能函数模块调用。 7 凶 南京信息工程大学硕士论文 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的智能变送器的设计与实现 第三章系统硬件设计 3 1 主芯片t m s 3 2 0 f 2 8 12 介绍 微处理器是智能式变送器的核心。它不但可以对测量数据进行计算、存储和数据处理， 还可以通过反馈回路对传感器进行调节，以使采集数据达到最佳。由于微处理器具有各种 软件和硬件功能，因而它可以完成传统变送器难以完成的任务。本系统的微处理器选择t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 81 2d s p 芯片。 3 1 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 主要功能 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t i2 0 0 0 系列中功能最为强大的d s p 芯片。它是一种3 2 位d s p ，片内有 1 2 8 k b 的f l a s h 、1 8 k bs r a m 、u a r t 、5 6i o 、指令处理速度高达1 5 0 m p i s 。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 样片于2 0 0 3 年推出，经过了试用期，现在已经非常成熟，其开发工具完备，价格低廉，是 一款完全合适本装置的控制芯片。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 有众多外设接口：g p i o 、a d c 、s c i a 、 s c i b 、s p i 、e c a n 、m c b s p 、e v a 、e v b 、s r a m 、f l a s h 。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 之所以功能如此强大，得到科研项目开发人员肯定，并被市场广泛接受， 是由于其具备如下主要特点： ( 1 ) 主频最高可到达1 5 0 m h z ，时钟周期为6 6 7 n s ，f l a s h 编程电压3 3 v ，低功耗设计。 ( 2 ) 3 2 位高性能, c p u ：哈佛总线结构：快速处理能力和中断响应；1 6 1 6 位以及3 2 3 2 位乘法累加操作；1 6 x 1 6 位双乘法累加器；支持c c + + 汇编，代码转换功能十分高效； 统一的寻址模式；4 m b 的程序数据寻址空间；和t m s 3 2 0 f 2 4 刚f 2 4 0 x 系列的d s p 芯片代码兼 容。 ( 3 ) 串行通信外设：u a r t 接口模块( s e t h 、s c i b ) ；串行外设接口( s p i ) ；增强型控制 器局域网( c c a n ) 模块。 ( 4 ) 片上存储器：4 k 1 6 位单周期访问s 削认m 两块l o 和厶；1 k 1 6 位单周期访问 s a r a m 两块m o 和m l ；8 k 1 6 位单周期访问s a r a m 一块h o ；1 2 8 k 1 6 位f l a s h 存储 器。 ( 5 ) 系统控制和时钟：支持动态改变片上振荡器、锁相环倍频系数、看门狗定时模块。 8 南京信息工程大学硕士论文基于t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 的智能变送器的设计与实现 ( 6 ) 5 6 个可配置通用加引脚。 ( 7 ) 1 2 位模数转换模块：2 8 通道复用输入接口，两个采样保持电路；单通道最快转 换周期为2 0 0 n s ，流水线最快转换周期可达6 0 n s 。 ( 8 ) 外部存储器扩展接口：3 个独立片选信号；最多1 m b 寻址空间：读写选择时序可 编程；可编程等待周期1 0 l 。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部集成了e c a n 模块，它是t i 公司3 2 位新一代内部结构的c a n 控制 器，完全兼容c a n 2 0 b 协议。它具有3 2 个可以被完全控制的邮箱以及时间标识特性，同时 提供了一个通用并且可靠的串行通信接口。e c a n 模块使用己有协议在存在电子干扰的环境 和其它芯片进行串行通信，有较强抗干扰能力。t m s 3 2 0 f 2 81 2 具有一般d s p 内嵌c a n 控制 器所有功能，而与其他系列的d s p 的c a n 模块相比较，它还主要具有一些增强特性： ( 1 ) 支持c a n 2 0 b 协议。 ( 2 ) 有3 2 个邮箱，且全部邮箱都独立具有接收屏蔽寄存器。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的邮箱占用 5 1 2 字节的r a m 空间，都有一个可编程的接收屏蔽寄存器，且都可以配置为接收或是发送 邮箱，这样使得数据传输十分方便灵活、信息量大幅度增加。 ( 3 ) 为确定所有信息都在预定的时间里接收或送出，每个邮箱都有超时寄存器 ( m o t o ) 。如信息接收或者发送没有在超时寄存器设定时间内完成，相应的标志位将在超时 状态寄存器被设置，据此可判断出传输是否超时。 ( 4 ) 可编程总线唤醒，可通过3 2 位定时邮递计数器和特定消息同步。 ( 5 ) 可以在低功耗的模式下工作。 以上这些特性，使t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 在进行c a n 通信时功能更完备、传输更加方便灵活， 数据量更大i n 。 3 1 2t m s 3 2 0 f 2 8 12 硬件结构框图 图3 1 为t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 硬件结构框图1 2 】： 9 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的智能变送器的设计与实现 图3 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 硬件结构框图 3 1 3t m s 3 2 0 f 2 8 12 地址结构框图 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 地址结构框图见图3 2 所示： 1 0 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的智能变送器的设计与实现 0 x 0 00 0 0 0 0 x 0 0 0 4 0 0 0 x 0 0 0 8 0 0 0 x 0 00 d 0 0 0 x 0 01 0 0 0 0 x 0 0 6 0 0 0 0 x 0 07 0 0 0 0 x 0 0 8 0 0 0 0 x 0 0 9 0 0 0 0 x 0 0a 0 0 0 0 x 3 d7 8 0 0 0 x 3 d 7 c 0 0 0 x 3 d8 0 0 0 o x 3 f8 0 0 0 0 x 3 fa 0 0 0 o ) 【3 f f 0 0 0 数据 l 程序 数据 i 程序 l m 0s a r a m ( i k ) m 1s a r a m ( 1 k ) p f0 ( 2 k )r e s e r v e dr e s e r v e d p i ev b c t o r ( 2 5 6 )r e s e r v e d e n p i e = 10 x 0 0 2 0 0 0 r e s e r v e d | x i n tz o n e 0 ( 8 k ) 0 x 0 0 4 0 0 0 n tz o n e l ( 8 k ) p f2 ( 4 k )r e s e r v e d p fl ( 4 k )r e s e r v e dr e s e r v e d l 0s a r a m ( 4 k ) l 1s a r a m ( 4 k ) x i n t z o n e 0 ( 8 k )0 x 0 8 0 0 0 0 r e s e r v e d ( 0 x 1 0 0 0 0 0 o t p ( 1 k )x i n tz o n e0 ( 8 k )0 x l8 0 0 0 0 r e s e r v e d f l a s h ( 1 2 8 k ) r e s e r v e d 12 8b i tp a s s w o r d h 0s a ra m ( 8 k ) r e s e r v e d 0 x 3 f 0 0 0 0 n tz o n e 7 b o o tr o m ( 4 k )( 1 6 k ) m p m c = 0m p m c = 1 b r o mv e c t o r ( 3 2 )x i n t m p m c = 0 v e c t o r - r a m ( 3 2 ) e n p i e = om p m c = i 3 2d s p 最小系统 图3 21 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 地址结构图 d s p 最小系统是能使d s p 正常工作的最基本d s p 系统。在本设计中，d s p 最小系统以 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为中心，在其外围扩展电源模块、复位模块、时钟模块、j t a g 接口。 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的智能变送器的设计与实现 3 2 1 电源模块 在本装置中，各种器件所用电源电压不尽相同，如t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片外部接口电压为 3 3 v ，本身内核电压为1 8 v ，而系统的外围其它芯片则需要5 v 电压，同时电路中不同器件 之间易发生干扰，因此在设计电源电路时分为数字及模拟电压两部分：数字器件选用5 v 和 3 3 v 的电源、模拟采用5 v 以及3 3 v 的电源。 本装置给t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 供电采用专用的d s p 电源芯片t p s 7 6 7 d 3 1 8 。它是t i 公司推出的 双路低压差电源调整器，主要应用在需要双电源供电的d s p 设计中，内部具有两个电压转 换器，可以分别提供1 8 v 以及3 3 v 的两种电源，且能够同时输出两路转换电压。此电压转 换器芯片输出电流范围为0 m a 1 0 a ，有2 温度及电压容限，且电压转换速度快，低电平有 效，复位延时为2 0 0 m s ，有两个复位引脚，可以为外部电路提供上电复位信号，芯片以双 罗；i j 2 8 脚t s s o p 封装。 采用t p s 7 6 7 d 3 1 8 搭建的电源电路采用的是t i 公司所提供的标准电路。在电路中，输入 电压为+ 5 v ，输出电压为+ 3 3 v 及+ 1 8 v ，同时输出一个复位信号供t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上电复位。 在具体设计中，电源的输入输出端需加去藕电容f 1 3 1 。系统电源模块的硬件电路图如图3 3 所 示： 图3 3 电源电路 本装置的看门狗电路，直接使用的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 自带看门狗模块来检测软件和硬件运 行状态。 看门狗模块内有一个专属的定时计数器，可利用它来定期地检测系统是否正常运行。 一旦系统出现错误，如软件陷入一个死循环或c p u 运行到了非法的程序空间，从而使系统 无法正常工作，到看门狗定时计数器设置的时间后，就会自动产生一个系统复位信号，使 c p u 复位，程序重新初始化系统后继续执行。通过这种方法，大大提高了系统的可靠性【1 4 】。 1 2 南京信息工程大学硕士论文 基于1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的智能变送器的设计与实现 3 2 2 复位电路 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部带有复位电路，所以可直接在复位引脚艘s 外面接一上拉电阻。但 为了在调试时方便，常采用手动复位电路，在调试时可方便的进行手动复位。图3 4 是系统 的手动复位电路： 3 2 3 时钟电路 图3 4 系统手动复位电路 晶振电路用于向d s p 提供工作时钟。为d s p 芯片提供时钟一般有两种方法，一种是采 用外部有源时钟芯片，另一种是采用晶体。本设计采用有源晶体震荡器，且采用的晶体震 荡器是3 3 v 供电的低电压的型号。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片的时钟引脚连接3 0 m h z 的有源晶振。 晶振的电路连接如图3 5 所示： 图3 5 时钟电路 x l c l i 矾引脚外接一个3 0 m h z 的晶振。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 有一个基于p l l 时钟模块。这 一模块可以为芯片提供时钟信号。p l l 有4 位比例控制，用以选择不同c p u 时钟效率。p l l 的控制寄存器为p l l c r 寄存器，它的0 3 位是p l l 时钟预定标选择位，对输入的时钟选择不 同的p l l 倍频系数。当将p l l c r 寄存器设置为1 0 1 0 时，系统内部时钟频率可达到 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 最高1 5 0 m h z 的频率工作【”】。 3 2 4j t a g 接口电路 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片提供了两个仿真引脚( e m 0 0 、e m u i ) 以及五个标准j t a g 信号 1 3 南京信息t 程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的智能变送器的设计与实现 ( t r s t 、t c k 、t m s 、t d i 、t d o ) 。为了能采用仿真器对t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 进行调试及程序烧 写，必须将t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的仿真接口信号连到标准插座上。其具体的接线方法参考j t a g 信 号的定义。图3 6 为j t a g 电路接法。 + 3 3 v + 3 3 v + s v 图3 6j t a g 接口电路 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 引脚电压为3 3 v ，所以对仿真接口中e m u 0 信号以及e m u l 信号采用上拉 电阻以便增强驱动【1 6 】。 3 3 传感器模块 本次设计是研发一种基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 智能变送器系统，它可以直接与各种传感器连 接，然后通过c a n 总线与上位机进行双向数据传输。在调试中，本装置采用扩散硅式压力 传感器。 3 3 1 压力传感器的选择 从广义上来说，传感器是一种能把物理量信号转变成便于利用的电信号的器件。国际 电工委员会i e c 的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可 供测量的信号”。传感器已成为自动化技术中的关键部件，它作为系统中的信息检测前端， 其重要性变得越来越明显。如今，微处理器已在测量和控制系统中得到了广泛的应用，随 着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。 电容式、扩散硅式和硅谐振式为目前常用的压力传感器。电容式压力传感器常用来测 量表压及差压。而硅谐振式、扩散硅式传感器多用来测量表压和绝对压力，常用于真空和 液位测量。扩散硅式压力传感器具有性能稳定、灵敏度高、滞后和蠕变小、量程范围广等 优点，应用潜力巨大。伴随着半导体工艺技术发展以及对压阻效应非线性深入研究，扩散 1 4 南京信息工程大学硕士论文 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的智能变送器的设计与实现 硅式压力传感器的各项技术指标得到了大幅度的提高，为它在压力测量方面应用创造了有 利的条件。 扩散硅压力传感器可等效为电桥电路，其具体等效电路如图3 7 所示： 殛 图3 7 扩散硅压力传感器等效电桥 电阻羁、恐、忍、r 是四个桥臂电阻，电桥的输出电压： = 毋黼 协。 设计中使r 、恐有正增量，而恐、r 具有负增量，之后将桥臂电阻设计为相等且变 化量i n 时相等，则3 - 1 式微分求增量，整理得： = 等 ( 3 - 2 ) 其中月= 型墨出，歙= 觚一必；皑一哦 从上式得知，电桥的输入电压与输出电压成正比，其中是恒定电压。当电 桥受到压力的时候，电桥的电阻发生变化导致电桥失去平衡，说明输出电压分别和电流以 及压敏电阻有关，这种情况不利于电路的稳定。因此选择恒流源供电，这样输出电压只 所压敏电阻变化而产生变化。 另外，扩散硅压力传感器的满量程输出g 与压力是满量程时应变电阻最大的变化量 叱成正比关系，而压阻系数与温度成反比关系。所以灵敏度一定随着温度上升而下降， 导致灵敏度温度漂移。灵敏度温度系数为： ：二鱼( 3 - 3 ) ( 互一剐 其中g r ，是温度为乃下的满量程输出，g n 为温度为五下的满量程输出，b 表示温度 1 5 南京信息工程大学硕士论文基于1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的智能变送器的设计与实现 每变化1 满量程输出相对变化值1 7 1 。 3 3 2 压力传感器的温度补偿 半导体电阻具有温度系数，产生温度误差，所以采用压力传感器进行高精度的测量时， 需要对压力传感器由于温度变化而导致的误差进行补偿。环境温度的变化会引起传感器灵 敏度、桥臂电阻以及零位输出电压的变化：灵敏度指电压激励型的标准化输出幅度，这一 灵敏度表现为负温度系数：电桥电阻随温度而变化，它的温度系数是正值；零位输出电压 是在不加任何压力的情况下电桥输出电压。其中温度补偿的关键设计因素是电阻温度敏感 度【1 8 】。 对压力变送器由温度的变化而引起的非线性可从硬件和软件两个方面上进行补偿，本 设计选用简单温度补