（机械制造及其自动化专业论文）基于psoc的智能温控仪的研发.pdf

上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n l v e r s i t y 摘要 随着嵌入式芯片技术的日新月异，温度控制仪朝向多功能，智能化，结构简 单化方向发展。本论文利用了具有高集成度和可编程性的嵌入式芯片p s o c ，设 计了热电偶、热电阻两种传感器信号输入电路，配置了开关量输出和模拟量输出 两种控制信号的输出电路，从而保障了温控仪功能多但结构简单这些特点的实 现。 在控制策略上，本论文设计了三种可供选择的控制方案即用户可以根据实际 控制系统的需要选择手动p i d 控制、自整定p i d 控制、存储式分段p i d 控制。对 于自整定p i d 控制方案，在常规p i d 控制理论分析的基础上引入智能控制策略， 采用f u z z y 控制与p i d 控制相结合的温度控制算法。利用f u z z y 规则在线整定 p i d 控制器的三个控制参数，使控制器具有自适应能力，不仅解决了温度控制参 数需要逐个整定的问题，而且实现了同一系统在不同阶段、不同环境下的最优 p l d 控制。从获取的实验数据可知，本温控仪在对电炉的温度控制效果上不仅动 态特性好，抗干扰能力强，鲁棒性好，而且达到了较高的稳态精度。 另外，本论文还为温控仪设计了r s 2 3 2 通讯接口，开发丁基于w i n d o w s 平台 的温控仪监控软件，该软件不仅能实时监控温度控制情况，还可对温控仪控制参 数进行初始设定、p i d 参数手动或计算机自动在线整定。 关键词：嵌入式，温度控制，模糊，p 1 d ，串行通讯 上海大学硕士研究生学位论文 t h e p o s t g r a j a t et h e s l so fs h a n g h a iu 帆r s i t y a b s t r a c t w i t ht h ee m b e d d e dc h i pt e c h n o l o g y d e v e l o p i n g ，t h ed e s i g n o ft e m p e r a t u r e c o n t r o l l e rt e n d st ob em u l t if u n c t i o n s ，s i m p l es t r u c t u r ea n dm o r ei n t e l l i g e n t i z e d t h i s d i s s e r t a t i o nt a k e a d v a n t a g e o fp s o c ( p r o g r a m m a b l es y s t e mo fc h i p ) w h i c hi s p r o v i d e dw i t hh i g hi n t e g r a t i o na n db e i n gp r o g r a m m a b l e i np s o c ，t h i sd i s s e r t a t i o n c o n f i g u r et w oi n p u t s i g nc i r c u i t s o ft h e r m o c o u p l ea n dt h e r m a lr e s i s t a n c ea n dt w o o u t p u t s i g nc i r c u i t so f s w i t c hv a l u ea n d a n a l o g v a r i a b l e o nt h es i d eo fc o n t r o l s t r a t e g y , t h i s d i s s e r t a t i o n p r o v i d e s t h r e es e l e c t a b l e p r o p o s a l s t oc o n t r o l t e m p e r a t u r ea c c o r d i n g t oc u s t o m s d e m a n d s t h e y a r e m a n u t u n i n gp d ，a u t o t u n i n gp i d ，s u b s e c t i o np i df o c u s i n go nt h ea u t o t u n i n g p i d ，i ti n t r o d u c e sf u z z ys t r a t e g yb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eg e n e r a lp 1 dc o n t r o l a c c o r d i n gt ot h er e s p e c t i v ee 舵c t so f t h et h r e ep a r a m e t e r so ft h ep i dc o n t r o l l e r , t h e f u z z y p i dc o n t r o l l e rt u n e st h e mi e k p ，k i ，k do nl i n ew h i c h m a k e st h ec o n t r o l l e r a d a p t i v e t h e p r o b l e m o ft h ep a r a m e t e r st u n i n gi ss o l v e di nt h ef u z z y p i dc o n t r o l l e r a n da l s ot h eo p t i m a lp i dc o n t r o lc a nb ea c h i e v e d ，n o to n l yt h eg o o dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ee x c e l l e n tr o b u s t ，b u tt h eh i g hp r e c i s i o nc a nb ei n d i c a t e df r o mt h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s i na d d i t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e s i g n sr s 2 3 2i n t e r f a c ef o rt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r a n dd e v e l o p sas o f t w a r eu s e dt ow a t c ht e m p e r a t u r ea n dc o n t r 0 1t h ei n s t r u m e n tb a s e d o nw i n d o w s ，w h i c hn o to n l yc a nw a t c ht h ec o n t r o lc o n d i t i o n ，b u ta l s oc a ns e tt h e p a r a m e t e r so ft e m p e r a t u r e c o n t r o l l e ri n i t i a l l ya n do n l i n et u n ep i e ) b yh a n do rb y c o m p u t e r k e y w o r d s ：e m b e d d e d ，t e m p e r a t u r e c o n t r o l ，f u z z y , p i d ，s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n - 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名： 日期兰丛圭。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留，使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容。 ( 保密的论文存解密后应遵守此规定) 签名：主垦垄车导师签名：圃醛日期：二蚴。 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a i et h e s i so fs h a n g h a iu n _ e r s i t y 第一章绪论 1 1 课题背景及来源 在工业控制领域里，温度控制应用得非常广泛。从硬件设计到温度控制算法， 曾有许多学者抱着能在前人基础上有更上一层楼的目的从不同的角度对它进行 过分析和实验，他们也取得了不同程度的成绩，归纳起来，大多数研究还是面向 特定的温控对象。然而，作为产品化的温控仪，它不仅要求在控制性能方面适应 强，而且对于仪器本身也涉及到多种温度传感器的输入，不同控制模式输出，人 机通讯方式等许多功能的实现。可以说，它是一个不仅要求结构简单，成本低廉， 而且还能针对不同的温控对象有良好的控制效果的完整系统。 从工业温度控制器的发展过程看，大致可分为三代：第一代温控器为定值开 关控制，其方式是利用机械和电气开关，当系统温度达到事先设定的温度时，对 加热源进行通断控制。目前，这种控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被 使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电，当系统温度f 降 至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使系统温度波动 较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。第二代温控仪是采用p i d 方式控制的设备，它包括了采用逻辑电路的电动p i d 和微计算机软件p i d 控制调 节方式，由于p i d 调节模型中考虑了系统的误差，误差变化及误差积累三个因素， 因此，其控制性能大大地优越于第一代控制式。i i d 控制的品质的好坏，t 要取 决于三个系数即比例值、积分值、微分值，只要选取的正确，对于一个确定的受 控系统，其控制精度是令人满意的。但是，它的不足也冶恰在于此，当三个参数 一旦改变，二个控制参数也必须相应地跟着改变，此时控制品质就难以得到保证。 为了克服p i o 调节方式的这一弱点，人们提出一系列自动调整参数的方法，即参 数的自学习，自整定方法。这种基于具有自适应的p i d 算法研制的温控仪，就是 目前的第三代温控仪表。 目前国内温控仪柏对国外温控仪而言在性能方面还存在一定的差距，它们之 间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程内温度 控制精度低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的温 控对象，由于控制算法的不足导致控制精度不稳定。但在价格方面，国内的温控 仪相对来说要便宦一些。针对这种不足，宁波阳明机电有限公司委托我们来研发 一种新的智能温控仪。 1 2 温控仪硬件控制方案分析 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u m 1 1 也s i so fs h a n g i a i1m i v e r s i t y 目前，温度控制仪硬件一般有单片机控制( s i n g l e c h i p ) 和模拟电路( a n a l o g c jf c h i t ) 控制两种方式。 、 夺模拟电路控制主要由放大器、加法器、电容、电阻等元器件组成各控制环节。 它的最大优点是速度快，能实现对系统的实时控制。根据计算机控制理论可 知，数字控制系统的采样速率并非越快越好，还取决于被控系统的响应特性。 由于温度的变化是一个相对缓变的过程，温控系统的实时性要求不高，所咀 模拟电路的优势得不到体现。另外，用模拟电路实现复杂的控制算法还是比 较困难的。 夺嵌入式微处理器的飞速发展不仅带来了功能上的不断强大，而且价格上越来 越便宜。因此，采用单片机则能在开发成本低且结构简单的前提下实现温控 仪复杂的功能，其算法以软件的形式实现不仅很容易，而且也能够满足大多 数温控系统的控制要求。 通过两种控制方案的对比，很显然温控仪采用单片机控制方案有明显的优 势。目前，市面上的单片机不仅总类繁多，而且在性能方面也各有所长。对于温 控仪硬件电路设计，设计者通常首先会选好某种单片机，然后再根据功能需要确 定一些滤波器、放大器、模数转换器、通讯器等不同的元器件，最后再外加上一 些附加的外围电路以构成整个温控仪的硬件电路。但是，这样不仅设计出来的电 路板体积较大，电路可靠性差，在批量生产中，由于各器件的质量不易控制以致 产品的性能降低。随着微电子技术和半导体工业的不断创新和发展，嵌入式芯片 s o c 3 1 ( s y s e m o nc h i p ) 被先进仪表工业大量的采用。s o c 芯片通常含有一个微 处理器核( c p u ) ，同时，它还含有几十个外围特殊功能模块和一定规律的存储器 ( r a m 、r o m ) ，它不仅能满足复杂的系统性能的需要，而且还使整个硬件成本降 低。所以，本温控仪在硬件部分的核心器件采用了美国c y p r e s s 半导体有限公司 最近推出的最新产品一p s o c 口1 ( p r o g r a m m a b l es y s t e mo nc h i p ) ，它并不是传统 意义上的单片机，它在片内融合了d s p 技术，可以根据应用需求来配置片内功能 模块，具有很强的灵活性，可编程性，在本论文的第二章将会有详细的阐述。 1 3 温控仪控制算法方案分析 温度控制中，基于解析模型的经典控制方法主要体现在p i d 控制上，这是冈 为p i d 控制器的原理简单，使用方便的原故。但是，经典控制方法一般是建立在 被控对象精确或近似的数学模型上，而数据模型的建立本身就存在许多不足之 处，因而其表面上看是精确控制，而实际上是简单控制。另外，在设计p i d 控制 器时，传统的做法是依靠经验和试验在系统调试时确定p d 控制器的参数k p 、 k i 、k d ，随后在控制过程中，p 1 d 参数一般是保持不变的，除非因外部条件发生 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a lu n i v e r s i t y 重大变化时工程人员重新手动选择。然而，被控系统在实际运行中负荷发生变化、 外界噪声等各种因素的干扰，都会引起被控对象的近似数学模型参数变化较大， 从而导致控制效果大打折扣。基于上述情形，如果能将近似的数学模型与实际情 况结合起来，这样的控制方式往往要比经典控制方法精确得多，这就意味着p i d 参数能够在线调整，以适应改变了的模型，显然常规p i b 控制器是不能满足这一 要求。因此在设计控制器时，一个关键的问题就是如何实现p i d 参数的实时整定。 对于p d 参数的整定的方法有很多神，如通过减少约束条件的p i i ) 归一参数整定 法，设定多组p i d 参数以便当工况发生变化时能及时改变p i d 参数的变参数p i d 控制法。实际上，无论何种整定方法，这都与工程人员对被控对象的控制经验有 关，为了有效的描述这种经验知识，一些从事智能技术的专家一直在探索如何表 达这些经验和知识的方法。模糊控制方法它能将工程人员的经验用数学符号的形 式表达成一些模糊规则，而模糊控制则就是基于规则的控制，它不需要建立精确 的数学模型，根据实际系统的输入、输出的结果，通过模糊推理也获得所需的控 制量。 在模糊控制中，模糊逻辑是由许多相互独立的规则组成。它与随机事件、多 值逻辑既有区别，又有联系。 - 隶属函数是模糊控制中一个很重要的概念，它描述了某一事件本身多大程度 上属于某个分量的度量，是将二f = 程人员的经验描述成数学符号的中转器，表示了 事务本身性质的内在不确定性：但是概率是事件发生可能性大小的度量，它表示 事件结果的不确定性；例如如果你在沙漠中不幸迷了路，而且已经好几天没有见 到水丁。这时你突然看到两个装着液体的瓶子，其中一个贴有标签表示它盛有纯 净水的概率是0 9 l ，而另一个瓶子上的标签表尔瓶中液体属于纯净水的隶属度 也是0 9 l 。此时你将选哪一瓶呢? 很显然你肯定会选用后者因为前者可能会 是有毒液体，后者尽管不是太干净，但是一定能喝。这个例子说明隶属函数和概 率不是一回事，不能相互替代。但是，这两者又可能相互结合，那就是模糊概率， 用来描述模糊随机事件的概率。例如求“明天下大雨”的概率，其个“下大雨” 便是模糊事件。对于模糊逻辑和多值逻辑而言，二值逻辑排斥真值的中介过渡性， 认为事物在形态和类型方面是非此即彼的。多值逻辑首先突破了真值的两极性， 承认了真值具有中介过渡性，认为事物在形态和类型方面并非足非此即彼，是可 能此亦可能彼，或者可能非此也可能非彼。但是，多值逻辑是通过穷举。p 介的方 法表示过渡性，把所有的中介看成是彼此独立、界限分明的对象，真值是精确的， 因此，多值逻辑本质上是一种精确逻辑，只不过是二值逻辑的简单推广。而模糊 逻辑不仅承认真值的中介过渡性，还认为事物在形态和类型具有亦此亦彼性、模 棱两可性，或者说是模糊性，相邻之间是相互交叉和渗透，其真值也是模糊的。 另外，模糊逻辑中的规则与专家系统的规则也是有区别的。所谓专家系统就 上海大学硕士研究生学位论文 1 mp o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n e r s y 是可以对用户提出的问题从其知识库中提取恰当答案的信息系统。典型的专家系 统都具有不寻常的推理能力，特别是它具有根据不精确、不完整或者不完全可靠 的前提进行推理的能力。在传统专家系统中，规则要么被激活，要么就不被激活。 如果对组输入，仅有一个规则被激活，那么这个规则就完全控制了专家系统的 输出。但是在模糊专家系统中，规则不是开关式响应，而是可以不同程度地被激 活，那就是说规则产生的是“灰度”响应，而这灰度的大小取决于在每一个舰 则前提下的可信度。通常对于给出的一组输入，可有不止一个规则被激活。那么 专家系统的输出可能是几条规则结合的结果。这样，模糊专家系统就能与人对大 量的问题进行直观思考的方法相一致，成为一种对非线性编码系统易于理解的方 法，并且可以在现有传统计算机上以更快的速度运行。 随着控制算法的不断发展，模糊控制技术与神经网络技术相结合得到了广泛 的应用。这是因为模糊逻辑控制规则是靠人的直觉经验制定的，它本身并不具备 学习功能。在软件实现的复杂系统中，模糊控制规则越多，控制运算的实时性也 越差，而且需要识别和建立规则的时间随规则数增加而以指数形式增长。基于神 经网络的模糊控制技术它也能依靠神经网络自适应被控系统，通过实现自动修改 功能来获取更佳的控制效果。但是由于这种方法所处理的数据量比较大，那也就 意味较大的随机存储空问，对于目前的单片机而言，采用这种控制算法的硬件成 本显得偏高。 当然，模糊控制算法还是一项正在发展中的技术，至今它还没有成为完善的 系统分析技术，一般而言，目前在理论上还无法像经典控制理论那样证明运用模 糊逻辑的控制系统的稳定性，因而被控系统有易产生振荡的不足之处。 对于温控系统，由于常常存在滞后和随机干扰以致无法获得精确的数学模 型，因此本温控仪结合了模糊控制灵活性、适应性强的优点和p i d 控制器结构简 单的优点，在p i d 控制的基础上采用模糊控制，根据经验制定出p i d 参数的调整 规则，进行在线模糊推理，分别调整出p i d 的三个参数，解决p i d 参数自适应整 定的问题，以获取最佳的控制效果。 1 4 研究内容 本课题研究的内容包括两种温度传感器信号的输入电路设计、两种控制信号 的输出电路设计、r s 2 3 2 通讯接口电路设计、人机接口电路设计、智能控制算法 设计、基于w i n d o w s 平台的温控仪监控软件设计。所设计的温控仪在硬件方面不 仅要对信号的分辨率高、控温范围要广，而且要结构简单、成本低廉。在温度控 制算法方面要求鲁棒性强，能自适应控制，控制精度要高。具体性能和参数如下： 审兼容热电偶，热电阻两种温度传感器 夺可控硅固态继电器控制信号输出 上海大学硕士研究生学位论文 n 讴p o s t o r a d u a t e1 s i so fs h a n g h a ju n i v e r s i t y 夺手动p i d 控制、自整定p i d 控制、存储式分段p i d 控制 夺温控范围：室温一9 9 9 、 夺温度控制精度：o 2 ，5f s 提供r s 2 3 2 通讯接口 5 上海大学坝研究生学位论文 t h ep o s t g r a l ) l l a l et ii i ? s i so fs h a n g h a 【u n i v e r s i t y 第二章温控仪的硬件设计 2 1 温控仪的硬件方案设计 在工业温度控制仪表的硬件设计中，通常主要由前级放大器、多路开关、a d 转换或v f 转换、i e d 、按键组成，但相对多功能、多输入、多输出的温控仪表 而言，传统的温控仪在硬件方面还难以满足这些特点的需要。另外，随着网络技 术的r 新月异，工业温度控制仪表趋向远程监控的方向发展，还需外加能与计算 机通讯的接口。 针对温控仪的硬件发展趋势，而今嵌入式芯片的广泛运用为全新的温控仪设 计带来了新的亮点。本论文在硬件上以结构简单，成本低廉，功能多样化，温度 分辨率高为设计目标，结合当前先进的嵌入式芯片p s o c ，在硬件上采用了了一 种新的设计方法，其硬件设计方案如图2 一i 所示。 图2 温控仪硬件结构图 从图2 一l 可知，本论文所设计的温控仪在硬件电路部分主要由传感器信号 输入电路、p s o c 、人机接i z ! 电路、i $ 2 3 2 通讯接v i 电路、开关电源电路以及外围 相关的辅助电路共同组成。 其中，核心芯片p s o c 主要完成数据采集( 配置1 3 位a d 转换器) ，数据输 出( 附、1 开关量，d a 模拟量输出) ，控制算法处理，i f d 数据显示，温度数据保 存，环境温度采集等功能。另外，为了满足温控仪与计算机通讯的功能，在p s o c 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t el h e s so fs h a n g h a iu n j v e r s ir y 芯片内还配簧了全双工通讯器。 2 2 传感器信号的输入电路 温度传感器是温度测量中的重要部件，对于不同的温度传感器，温控仪内部 一般都会有相应的转换电路。温控仪兼容的温度传感器越多，也就意味者该种温 控仪的硬件电路越复杂。本论文所设计的温控仪涉及到两种温度传感器即热电偶 与热电阻，两者有相同之处，都是将温度信号最终转化为电压信号。但由于两者 的转换的原理有所不同，现予以分开介绍。 2 2 1 热电偶的输入电路 1 热电偶传感器原理 热电偶传感器一种应用广泛的、比较简单的温度传感器，它在测温精度上仅 次于热电阻传感器；它灵敏度好，测温范围宽，高温热电偶可达2 8 0 0 。c ，而且 除铂铑一铂热电偶外，其他的热电偶的价格低廉。 热电偶测温是基于热电效应或赛贝克( t h o m a ss e e b e c k ) 效应。在两种不同 的导体或半导体a 和b 组成的闭合回路中，如果它们的两个接点的温度不同，在 回路中产生一个电动势，这样两种丝状的不同导体或半导体组成的闭合回路称之 为热电偶。其热电偶原理图如图2 2 所示 图2 2热电偶原理图 目前国际上公认的应用较为普遍的热电偶只有几种，在国内应用更广泛的是 国家标准热电偶，它规定了其他热电势与温度的关系和允许误差，并有统一的标 准分度表。具体有铂铑。一铂型( s 型) 热电偶，铂铑。一铂。( b 型) 热电偶， 镍铬一镍硅热电偶( k 型) ，镍铬一考铜热电偶，铜一康铜热电偶( t 型) 。 根据热电偶测温的基本原理可知，热电偶的输出电势为1 】： e 。( ，o ) = f 。( ，) 一 h ( ，o ) ( 2 - 1 ) 当热电偶的材料一定时，只要保持热电偶的参考端( 冷端) 的温度，o 恒定，则其 输出热电势与被测温度t 有单值的函数关系。由2 一l 式可知，当用热电偶作为 传感器时，还需附加冷端补偿电路。 2 热电偶信号输入电路 热电偶的输出电压极小，其值为几十uv 。c ，以k 型热电偶为例，l 。c 所 上海大学硕j 一研究生学位论文 t h ep o s t g r a d ua _ i 卜t t l e s i so fs h a n g h a lu n i v e r s i t y 产生的电势信号约为4 0 uv ，而传感器在转换温度过程中会带入电源产生的各种 干扰信号，由地电流引入的共模干扰也很大，所以对于热电偶的输入电路而言必 须具有高精度，低损耗，抗干扰性强的特点。现如果考虑采用如下的前级反相放 大电路，它的原理图如图2 3 所示。 r 2 7 ， 川 二、l d 图2 3反相放大电路原理图 反相放大电路原理图的传递函数如下 4 1 ： e o ( s ) ：堕。 ! ( 2 2 ) e i ( s )r 1 月2 ( l s + 1 从式2 2 中可以看出，只要合理的配置月、r ，( 的值，不仅可以获得预设的 增益，而且还可以实现低通滤波的功能。但是，原理图中的运放器事实上起的是 反相放大的作用，而对于反相放大器来说，它的输入电阻近似等于尺l 。为了防 止传感器电势信号在传输电路中损耗，r l 的电阻不能设定太小。现假设尺。的阻 值为5 0 kq ，如果要让放大器的信号增益为2 0 ，那么r ! 的阻值至少要为l m q ， 显然这对与实际电路来说是很不合理的，而且它所带来的误差也很大。综合上述， 为了实现较大的输入电阻，避免采用大于兆一级的电阻，现考虑图2 - 4 所示的 运算放大器电路，它的反馈环中包含有一个1 形网络。 在输入端有 十 图2 - - 4 ，i 形网络反相放大原理图 y o 一 一 。，一 y 江 2 上海大学硕士研究生学位论文 t h e , p o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g i a iu _ n i v e r s l t y 矿 仁昔刮： i z y = - - i 2 昝叫( 鲁) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 现求p ：处接点电流之和有： 一旦一堡：一丛( 2 5 ) r !r 4r 1 结合式2 3 ，2 4 ，2 5 可得出输入和输出之间的关系。 一矿( 堕) ( 土+ 土+ 上) ：丘 ( 2 6 ) 只lr !月4r 3r 1 从式2 6 中可以看出，使用t 形网络的优点是在使用大小适中的电阻前提下， 可以获碍很高的增益，这样可以解决上述所阐述的设计矛盾。 尽管采用t 形网络避免了使用大阻值电阻，但由于本温控仪在p s o c 内部配 置的1 3 位a d 转换器的输入电压范围为4 0 m v s v 之间，那么当低温时，热电偶 电势信号较弱，为了获取信号，不得不将放大倍数选得很大，这样才能达到a d 转换器得电压范围，而一旦较大的放大倍数被固定后，不仅会引起较大的误差等， 而且当热电偶电势信号较大时，放大器输出的电压就会超出j v ，显然在全量程内 放大倍数的选择是非常难以取舍的。为了解决这个矛盾，笔者在t 形网络放大器 之后加入差动放大器，利用该放大器不仅能为热电偶电势信号提供了一个基准偏 置电压，同时还可对输入信号二级放大。其原理如下图所示。 ” - f _ 上f _ 、。| l 、， 一：、1 ，r 。 。 | 。+ l 图2 一j 差动输入电路图 根据上图可知，对于理想的运算放大器，我们用叠加定理和虚短的概念分析 该电路。首先设 i ，= 0 时的情况。此时运放相当一个反相放大器，则有 = 一鲁_ 。( 2 - 7 ) 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs i i a n g l t a iu n l v e r s i t y 然后在设_ l = 0 的情况。因为流入运算放大器本身的电流为0 ，所以r 。和r 。 构成分压器。于是有 肾击 ( 2 - s ) 根据虚短的概念，此时运放相当一个同相放大器，则有 艮，7 j ” 等蔫彤z ( 2 _ 9 ) 根据电路叠加原理，图2 5 的总输出电压是每个输入电压单独作用产生的 输出电压之和，所以有l “ r 4 一：- ( 1 + 鲁) 意彤! - ( 轨( 2 _ 1 o ) 现在假设鲁的比值为j ，由p s 。c 捷供精准的稳定电压，这个电压可以 在p s o c 内部实现在线更改。k 来自图2 - - 5 的输出电压，此时只要合理的配置 r ，和r 。的阻值，就相当于在_ 上加上了一个固定的电压以满足a d 转换器的要 求。现在如果放大电路的总的信号增益为2 0 x 5 ，即为l0 0 倍，基准偏置电压u ：设 为3 0 0r n v 。由k 型温度分度表可知，当10 0 0 。c ，热电偶的电势信号为4 1 2 6 4 m v ， 电路的最大输出电压为4 1 2 v ，它没有超出a d 转换器的电压输入范围。 本论文所设计的温控仪对于热电偶传感器的输入电路如图2 - - 6 所示： 一2 ，。l ；一t 。一 1 ；f二二 i r 图2 6 热电偶输入电路 上海大学硕上研究生学位论文 t h ep o s i g r a d u a let i e s i so fs i i a n g h a iu n 【v e r s i t y 3 热电偶冷端补偿 由( 2 1 ) 所示的热电偶输出电势公式可知，热电偶的冷端补偿是热电偶传 感器测温的重要一环。对于热电偶来说，通常的做法是采用冰槽法作为冷端补偿， 但这对于工业测量及其校验十分不便。由于冷端温度变化的范围一般在o 一5 0 0 c 之间，而二极管在温度变化时，其正向导通电压变化较稳定，为2 m v o c ，因此 在此笔者自行设计了一种冷端补偿法即自调二极管冷端补偿法。具体做法如下： 第一步，根据二极管的特性，可以线性地描述出冷端温度每变化1 。c 时其 对应a , d 值变化的系数k ，该值可以从二极管电气参数获得，该系数被存储在p s o c 的 ：, e p r o m 中。 第二步，p s o c 芯片内集成有一温度传感器，它占用一个开关电容模拟模块， 测温范围为- - 4 0 。c 到8 j 。c ，在2 0 。c 内无需校正。温控仪在刚进入工作状态时， 采样该温度传感器，测得当前的环境温度，及时获取二极管端电压经a d 转换后 的值d a ，并将t e m p 和d a 存储到p s o c 的e e p r o m 当中去。这样在温控仪随后的 工作状态当中，只要实时地获取二极管端电压经a d 转换后的值d b ，再将d b 减 去d 。1 所得到的差值d b a 除以变换系数k 之后就能得到一个冷端温度变化差值 c ，那么实际的冷端温度为冷端温度变化差值c 与当前环境温度t e m p 的和。尽管 环境温度在一定时期内变化不大，但当冷端温度变化差值c 超过m a x c = 1 5 0 c 时， 程序将自动重新测量当前的环境温度。 2 2 2 热电阻的输入电路 1 热电阻的工作原理 热电阻是利用电阻与温度呈一定函数关系的金属导体或半导体材料而制成 的温度传感器。目前，在工业中大量使用的金属材料为铂、铜和镍三种。其中铂 金属易于提纯，在氧化性介质中，其物理化学性质都很稳定。以铂电阻为例，它 的阻值与温度之间的关系接近于线性，在o 6 3 0 。c 范围内可以用下式表示”1 ： rl t 时的电阻值 r 0 一o 时的电阻值 a 一3 9 6 8 1 7 1 01 b 一一5 8 4 7 1 0 。 r ，= r o 1 + 一，+ 口，! 】( 2 - - 1 1 ) 上海大学埘j 研究生学位论文 t h ep o s t f g r a d u a lelh e s 【so fs l l a n ( j l i a iu n 【v e r s i t y 电阻率o o 厂一 l7 i 2 0 002 0 0 0 0r i 0 0 温度 图2 7 p l 铂电阻温度一电阻率关系曲线 2 热电阻的输入电路 热电阻的输入接口电路有恒流工作电路与恒压工作电路两种方式。笔者为了 简化温控仪的硬件结构，利用p s o c 内部所提供的持续型模拟模块构成热电阻传 感器测量电路。如图2 8 所示 图2 - - 8p s o c 测量热电阻原理图 由图2 - - 8 可求l b t 作中的v l 的电压值。具体的公式可以通过以下的公 式来求出 k 刮 筹麓 ，) 一 他叫2 由于在测量电路中的偏移误差被两个被测电压相减而消除掉，而这两个不同 电压值的比例关系又可以消除测量线路的增益误差，这使得测量误差主要取决于 电阻i ( r e f 、a 当i j 为3 9 v ，i j 为1 3 v 时( h ( 】c 内部提供的精准的基准电压) ，式2 1 2 可以表示为p i = 1 3 + i 兰2 6 伏。此时，根据式2 - - 1 0 可知，当标准铂 热电阻标称值为4 6 q 时，每0 ，l 热电阻阻值变化为0 0 1 8 4 q ，假设参考电阻r ，旷 圈 _，j， 陵 孵 上海人学硕士研究生学位论文 1h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs ii a n g i a i 【j n i v e r s i t y 为标准值j 1q ，那么变化0 1 所产生的电压约为4 9 3uv ，对于1 3 位a d 转 换器，其模拟地为2 6 v ，电压在1 3 v 的变化范围内，那么转换器的最小分辨 率约为3 1 7 3uv ，显然采用这样的电路能满足温控仪的设计要求。 2 3 p s o c 内部电路设计 本论文所设计的温控仪在硬件上是以嵌入式芯片c y 8 c 2 6 4 4 3 为核心芯片，在 该芯片内主要设计了a d 转换电路，两种控制信号输出电路( d a 转换电路，p w m 电路) ，通讯器，环境温度采集电路，基准电压电路等。 2 3 i 可编程控制系统p s o c ( p r o g r a m m a b l es y s t e mo nc h i p ) 嵌入式芯片c y 8 c 2 6 4 4 3 是由美国c y p r e s s 半导体有限公司推出的一种全新设 计概念的可编程片上系统( p s o c ) ，其工作电压为j v ，采用p d i p 2 8 封装，工作最 高频率可达2 4 l h z 。其管脚封装图如图2 9 所示： r o b r 讣r r c 忙 f 3 i o f ：1 6l ：。- l d ? ， r 二l ：l ，：、r i 6 h u r 2 1 2 ： r 二1 0 r 1 r 1 卜 f f l j ：2 c 1 】k i 。 图2 - 9p s o c 管脚封装图 p s o c 微控制器和其它的微控制器相比，它具有独特的性能，不仅仅是具有 模拟模块的微控制器，更为重要的足，它完全可以作为一个片内印刷电路板来使 用，因为它是由基本的c p i z 内核和预设外围部件组成，就是在一个专有m c u 内核 周围集成了p s o c 块，利用芯片内部可编程互联阵列，可以有效地配置芯片上的 模拟和数字电路资源，达到可编程片上系统的目的。p s o c 片内有一个高速的8 位h a t v a t d 结构处理器内核( ) , 1 8 cc p lc o r e ) ，它具有独立的程序存储器和数据 存储器总线，处理器速度可达2 , 1 t , i h z 。同时，它还具有一个快闪内存和s r a m 数 据内存，以及设计者可自行配制的模拟模块阵列和数字模块阵列。每个p s o c 模块都能够独立或者组合使用，并融合了一些d s p 技术来实现各种复杂的功能。 其中l2 个p sc ，( ：模拟模块可以提供位一模数转换、8 位逐次逼近式模数转 换、1 2 位增量式模数转换、8 位直接数模转换、可编程增益放大器、采样和保持 功能、可编程滤波器、差分比较器和片内温度传感器等功能；8 个数字p s o c 模 块不仅提供多用途时钟：事件定时器，实时h , 扮e e ，脉宽调制( p w ) 4 ) ，还可以组合 实现循环冗余核对( c r c ) 模块、全双工u a r t s 、s p i 主从通信功能以及为模拟 刚剐嗣刚端删掣 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s r r g r a d j a t et i i e s i so fs h a n g h a lu n l v e r s i t y p s o c 模块提供多种可选的时钟源。我们可以通过模块图来进一步认识，如图2 1 0 所示： 、 事实上，在对p s o c 硬件配置过程中，我们无需对相关的模块的寄存器加以 配置，因为c y p r e s s 公司为该芯片提供了一套支持汇编和c 语言的应用开发环境， 该环境已经配置好了客户可能所需求的器件，如a d 转换器，d a 转换器，定时 器，p w 、 ，全双工通汛器等。所以，我们只要根据实际需要选择好相应的模块， 确定各模块之间以及模块与内部总线之1 日j 的相互关系，并设定好i 0 口即可。 2 3 2p s o c 内部配置方案 从温控仪的硬件结构图2 一l 中可以看出，本论文所设计的温控仪对于温度 信号的二级放大、数据采集和a d 转换以及控制信号的输出、人机接1 3 的驱动电 路，数据存储都是由p s o c 芯片来承担。另外，还利用p s o c 内部的通讯模块配置 了全双工通讯器，经过电平转换后，可以按照i _ $ 2 3 2 通讯协议与计算机相连，数 据传输波特率为9 6 0 0 b jl s ，这样利用温控仪监控软件的通讯接口函数不仅能很 方便地配置温控仪二级可编程放大器的放大倍数、定时采样的时间、温控仪的输 出方式，而且还可以实现基于w i 1 d o w s 平台的温度远程监控。根据以上功能需要， 对p s o c 芯片内部的1 2 个数字、模拟模块进行了具体的配置： 夺1 3 位a d 转换器：占用1 个b 类开关电容模拟模块和3 个数字基本模块 上海大学硕士研究生学位论文 t i t i ! p o sr g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i r y 夺l a r t 占用两个数字通讯模块和一个提供时钟频率的数字模块 夺m 脉宽调制器占用一个数字模块、 夺片内温度传感器占用一个a 类开关电容模拟模块 夺9 位d a 占用两个开关电容模拟模块 夺数码管显示定时器占用一个数字模块 夺二级可编程放大器占用一个连续时间模拟模块。 具体的p s o c 配鼍方案图如下 图2 1jp s o c 芯片配置方案图 2 3 3 传感器信号采集电路 二级放大器的放大倍数与温度信号采集分辨率是有关系的，放大倍数选得越 大，温度采集的分辨率就越高，但是过大的放大倍数下测温范围就交窄了。例如 k 型热电偶在6 0 0 。c 的时候输入信号约2 4 9 m i ，如果信号总的放大倍数为2 4 0 ， 此时输入到p s o c 的模拟电压为j q 7 v ，而p s o c 芯片中所配簧的a d 转换器的最大 输入电压不能超过j v ，因此对于i ，s o c 芯片内的a d 转换器来说就会发生溢出情 况，即模拟输入电压超过j v 后，它通过a d 转换器转换的结果总是相同的。所 以要选择较大的放大倍数就不得不选择较窄的测温范围。 为了达到全范围内o 2 。c 的控制精度，那么就需要小于o 2 。c 的温度 采集分辨率。因此就在温控仪的数据采集模块中中配置了一个l ： 位增量式模数 转换器，它占用了一个p s o c 开关电容模拟模块和三个数字模块。其中一个模拟 r 海大学硕- k i j 究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et 1l e s l so fs h a n g h a lt i n i v e r s ir y 模块构成比较器，个数字模块构成8 位计数器用于记录大于参考电压的次数， 另两个数字模块构成一个1 6 位的p w m ，它用于提供积分时钟周期以及控制8 位 计数器的通断。在p s o c 内部所配置的】3 位a i ) 转换器原理图如2 一1 2 所示 图2 一1 2i ： 位a d 转换器原理图 为了提高a d 转换器对信号的抗干扰能力，本论文中的a d 转换时间设为 1 0 0 m s 。根据1 3 位a d 转换器的转换原理，我们可以得出输入电压与转换的数字 电压的对应关系如下 2 8 1 ： 耽，= 面n - 4 0 9 6 + 貉( 2 - - 1 3 ) 丁 从式2 一i ： 可知，1 3 位a ，7 d 转换器的分辨率达到了三兰，当参考电压硅片 4 1 0 9 6 间的间隙电压1 ： v 时，那么转换器的分辨率约为3 1 7 3pv ，所产生的最大误差 还不到j ouv 2 8 1 ，所以可以忽略不计。事实上以k 型热电偶为例，每0 1 。c 热 电偶的输出电位信号约为4hv ，该信号经过i o o 倍放大之后，输入到a d 模块中 的电压为0 3 2 m y ，因而此时的温度采集分辨率在室温一10 0 0 。c 的测温范围内 可以达到0 1 。c 的测温分辨率。 2 3 4 控制信号输出电路 本论文所设计的温控仪共有有三