（通信与信息系统专业论文）微波协助化学反应温度控制系统设计与仿真研究.pdf

摘要 摘要 本文主要研究微波协助化学反应智能温度控伟4 系统。微波技术与传统加热方 法相比具有独特的效应和优点：在微波协助化学反应系统中，反应物温度是一 个非常重要的参数，必须进行精确控制。 本文提出一种基于嵌入式应用的智能温度控制系统方案，采用以f p g a 作为 人机接口控制器，辅助以d s p 芯片作为算术协处理器，详细论述了系统的硬件 线路的结构和设计要点。软件上采用以模糊控制为基础的温度控制算法，在 j 1 4 a t l a b 中进行了系统仿真。本文还提出一种新颖的采用l m s 算法的自调整模糊 控制器，并将其应用到微波协助化学反应系统的温度控制中，仿真结果表明， 这种改进的模糊控制器与传统模糊控制器相比，可以获得更加优良的性能。同 时还讨论了系统的软件体系结构，论述了d s p 的底层驱动程序设计和控制算法 在d s p 上的实现。 关键词：d s pf p g as i m u l i n kl m s自调整模糊控制 a b s 订a c t a b s t r a c t t h i st h e s i s 吐- - i 2 st or e s e a r c ht h ei n t e l h g e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mf o rt h e m i c r o w a v ea s s i s t e dc h e m i c a lr e a c t i o n t h em i c r o w a v et e c h n o l o g yh a su n i q u ee f f e c t s a n da d v a n t a g e sa sc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lh e a t i n gt e c h n i q u e s ；i nt h em i c r o w a v e a s s i s t e dc h e m i c a lr e a c t i o ns y s t e m ，t h er e a c t a n t st e m p e r a t u r ei sav e r yi m p o r t a n t p a r a m e t e r , w h i c hm u s tb ec o n t r o l l e dp r e c i s e l y t h i st h e s i sb r o u g h tf o r w a r dab l u ep r i n to f i n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m f o re m b e d d e da p p l i c a t i o n , d e s i g n e dt h em m i 埘廿lf p g a a s s i s t e d 谢t l lt h ed s pa s t h ea r i t h m e t i ca u x i l i a r yp r o c e s s o r , t h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ea n dt h ek e yo ft h ed e s i g n a r ei n t r o d u c e di nd e t a i l a d o p t e dt h ef u z z yc o n t r o la st h ea r i t h m e t i co ft e m p e r a t u r e c o n t r o l ，a n dm a d et h es y s t e ms i m u l a t i o ni nm a t l a b 删sp a p e rp u tf o r w a r dan o v e l s e l f - t u n i n gf u z z y c o n t r o l l e rb a s e do nl m sa r i t h m e t i c ，a n d i m p l e m e n t e dt h e a r i t h m e t i ct ot e m p e r a t u r ec o n t r o lo ft h em i c r o w a v ea s s i s t e dc h e m i c a lr e a c t i o n ，t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o w e dt h a t 也ei m p r o v e df u z z yc o n t r o l l e rc a na c h i e v eh e t t e r p e r f o r m a n c e st h a nt h ec l a s s i cf u z z yl o g i cc o n t r o l l e r t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h e s o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，a sw e l la st h ed s pb o t t o md r i v e r sa n dt h er e a l i z a t i o i l so f c o n l r o la r i t h m e t i ci nd s pa r ed i s s e r t a t e d k e y w o r d s ：d s pf p g a s i m u l i n kl m s s e l f - t u n i n gf u z z yc o n t r o l i i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：确 盛神、f 年，月o 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 金辑 解密时间：年 月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 内部5 年( 最长5 年，可少于5 年) 秘密1 0 年( 最长l o 年，诃少于1 0 年) 机密2 0 年滠长2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：金辱鱼 a 咖5 年r 月a ；日 第一章引言 第一章引言 第一节课题背景 本论文来源于微波协助化学反应智能控制系统的科研工作。微波协助化学反 应智能控制系统的研究，是我的导师孙桂玲老师负责的天津市应用基础研究重 点项目微波超声波复合智能化系统及其应用研究工作的一部分。 微波技术与传统加热方法相比具有独特的效应和优点，可大大降低反应时 间，省溶剂( 可较常规方法少5 0 9 6 9 0 ) 、节约能源、减少废物的产生，同时提 高了吸收率和提取物的纯度，最大程度降低了后处理的复杂性，使化学反应环 境更面向清洁和绿色，无污染，属于绿色工程，有利于环境保护，它是一种具 有广阔发展前途的新技术，在理论及方法上具有很大研究和研制价值。 本文的研究工作都是围绕微波协助化学反应智能控制系统，由于未涉及超声 波部分的科研工作，所以本文只论述温度在线实时检测与控制以及微波功率连 续可调，重点研究温度在线实时智能控制系统软、硬件实现。 第二节微波协助化学反应智能温度控制系统概述 微波协助化学反应智能控制系统温度控制部分的设计目的，是以智能仪器理 论为基础，将信息检测技术与数字信号处理技术、智能控制技术结合，实现微 波协助化学反应智能控制系统的温度控制自动化。微波协助化学反应智能温度 控制系统框图如图卜l 所示。 该系统采用模糊控制算法实现溶剂温度闭环控制，并可以进行微波功率的连 续调整。系统的被控对象是微波协助化学反应谐振腔，该谐振腔工作在2 4 5 g h z ， 微波发生源是磁控管，磁控管产生的微波经波导耦合到谐振腔，在谐振腔中化 学反应物质吸收微波能量温度升高，物质的温度变化由传感器检测并转换成电 压信号，送入控制器进行处理，控制器根据模糊控制算法，计算出控制量。微 波功率调整是通过控制磁控管阳极电流的变化，从而调整磁控管产生的微波功 率。对于温度的控制，则是在设定功率的幅值稳定的前提下，利用磁控管可以 第一章引言 工作在脉冲方式的特性，改变脉冲的占空比，就改变了单位周期内的平均功率 从而使温度发生了相应变化。 图i - l微波协助化学反应智能温度控制系统框图 1 2 1 强微波场温度在线实时检测方案m 汹啪啪嘲 控制微波协助化学反应的温度，首先需要采集处于强微波场下的反应物温 度。在强微波场中测温，通常有两种实现方法：其一是用非接触式的红外线温 度传感器，其二是用接触式的光纤温度传感器，红外线温度传感器虽然价格相 对便宜，但精度很差；光纤温度传感器精度高但价格非常昂贵。本系统中采用 了传统的热电阻传感器实现在线实时测量。 传统的温度传感器，例如带有金属探头的热电偶，不能置于电磁场中测量温 度。主要原因是产生尖端放电。本系统中采用一种特殊处理方式的铂电阻温度 传感器，既要考虑铂电阻与谐振腔的良好接触，又要预防微波的泄漏。并通过 实验得到良好的效果。在系统的输入部分，采集点的温度经p t l 0 0 铂电阻、桥路、 a d 6 2 6 放大器形成输入电压信号，然后由a d 转换器进行采集。温度检测与转 换电路框图如图1 2 所示。 图1 屹温度检测与转换电路框图 一2 一 第一章引言 1 2 2 微波功率连续调整方案嘲n 儿”州川 对于微波协助化学反应系统的功率调整，是通过控制微波产生器件磁控管的 输出功率来实现的。磁控管的功率控制有以下两种方法，其是控制电压，其 二是控制电流，本文采用控制磁控管阳极电流的方式。 磁控管有一个非线性的电压电流特性曲线1 1 1 l 如图l 一3 所示。由图可见，在磁 控管阳极电流i a 很小时，随着电流的增大，磁控管阴极电压v k 急剧上升，在阳 极电流到达某一个值i t 之后，v k 就只有很少的变化，几乎保持恒定，如果磁控 管的效率是常数，并且磁场相当稳定( 如果磁控管采用永磁材料，实际情况确 实如此) ，输出功率p o 就与阳极电流i a 近似成比例变化。因此控制磁控管的阳 极电流就能控制基于磁控管的功率源的输出功率。可以看到，当i a 小于i t 时， 很小的v k 的变化就对1 a 和p o 造成很大的影响，这就是传统的功率源不能产生 稳定的功率输出的原因。 c t l r t c l a t 图1 - 3 磁控管电压电流特性曲线 这种方法使输出功率与阳极电流成比例变化，输出功率便于调整，本论文中 即采用控制磁控管阳极电流的方法来调整磁控管输出功率。 本系统采用的脉冲源示意图隅i 如图1 _ 4 所示，控制接口接收控制器发来的门 极控制信号和电流幅度控制信号，反馈给控制器一个磁控管阳极电流强度信号。 门极信号用来决定磁控管工作的脉冲宽度，这使得磁控管即可工作在连续状态， 也可工作在脉冲状态。电流幅度控制信号用来编程控制磁控管阳极电流强度， 该控制信号是一个电压信号，经过运放与真空三极管组成的压控电流源调整磁 一3 o鼬io 第一章引言 控管的阳极电流。大功率运放控制真空三极管栅极电压并接受从真空三极管的 阴极的反馈电阻处的电流反馈信号，大功率运放与真空三极管及反馈电阻共同 组成压控单端输出电流源。因为磁控管腔电压是高压直流电，所以控制器与脉 冲器之间宜采用光纤接口。 l 门控信号- 电流幅度信号卜 反馈电流信号+ 一 1 2 3 系统控制器电路设计 图1 4 脉冲源示意图 直流高压 5 k v 温度控制算法在d s p 上实现，为了提高d s p 的运算效率，另外采用由f p g a 实现的人机接口( m m i ) 控制器，而将d s p 作为协处理器，专门负责控制算法 事物，这样做大大提高了d s p 的工作效率。 系统采用a l t e r af p g ae p f i o k i o 芯片作为i 控制器，而采用t id s p t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 作为数学运算协处理器。将f p g a 的寄存器放在i ) s p 的i o 空间中， d s p 通过对i o 空间的操作同f p g a 进行数据交互，而f p g a 负责人机接口事物， 通过中断d s p 的方式通知d s p 执行相应功能。 因为本系统的磁控管可以工作在脉冲方式，那么当设定磁控管的功率为一定 值时，改变脉冲的占空比，就可以改变单位时间内的平均功率。因为改变磁控 一4 一 第一章引言 管输出功率会改变微波场的场强，进而影响化学反应物质的温度变化，当温度 达到某一值时，谐振腔与外界达到热平衡，此时的占空比与温度就是在该功率 下的一个对应点。当d s p 由系统的当前状态和过去的若干状态计算出当前的控 制量后，d s p 将控制量写入f p g a 相应寄存器，然后由f p g a 产生定时信号， 控制d a 输出幅度和脉冲占空比为控制量要求的电压信号，进而调整微波场的功 率，从而达到对温度的控制作用。 第三节本文的研究内容与作者完成的工作 本文内容共分为五章：第一章“引言”，概述了课题背景及微波协助化学反 应智能控制系统概况；第二章“微波协助化学反应智能控制系统硬件设计与实 现”，论述微波协助化学反应智能控制系统数字控制器的硬件系统设计与实现方 案；第三章“模糊控制器设计与仿真”，分析本系统采用的温度控制算法，本系 统中采用模糊控制实现温度的智能控制，在i d a t l a b 中对控制算法进行系统级仿 真，并提出一种改进的基于l m s 算法的自调整模糊控制器，仿真分析得到比传 统模糊控制器更好的效果；第四章“d s p 相关软件设计”，介绍系统软件的体系 结构，重点介绍了d s p 底层驱动软件的设计，及控制算法的d s p 实现：第五章 “结论与展望”，对完成的工作进行总结，并对今后的工作提出建议。 本论文基于作者在微波协助化学反应温度控制系统设计中所进行的相应科 研工作：重点设计了基于d s p 与f p g a 的数字控制器；提出采用基于l 醛算法的 自调整模糊控制器的温度控制方案，并进行了计算机仿真，取得较好效果；规 划了控制系统软件体系结构，并着重对d s p 底层驱动软件及f p g a 的m m i 软件加 以实现。 一5 一 第二章微波协助化学反应智能控制系统硬件设计与实现 第二章微波协助化学反应智能控制系统硬件设计与实现 微波协助化学反应智能系统的数字控制器设计是我的主要研究任务。控制器 的硬件体系采用人机接口控制器加数学协处理器结构，利用f p g a 实现人机接口， 辅助以d s p 实现数学协处理器。温度控制算法在t id s pt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 上实现， 为了提高d s p 的工作效率，另外采用由a l t e r ae p f i o k i of p g a 实现的删i 控制 器。进行人机接口事务。 第一节控制器硬件体系设计思想 基于微波场加热的化学反应速度很快，而且考虑到今后该系统还会加上超声 波装置，以超声波振动来实现微波协助化学反应智能系统的搅拌，使反应更加 均匀、快速，所以该系统对控制器软硬件的要求都相对较高。为了实现复杂算 法的高速实现，以及软件的升级容易，本系统采用t e x ai n s t r u m e n t 的1 6 位定 点数字信号处理器t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 作为控制器，利用d s p 的运算能力强和软件升 级便利的特点来满足系统要求。 本系统中，温度控制算法主要在t id s pt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 上实现，而d s p 的运 算能力虽强，但是对于外围电路的控制能力却有限，如果只利用一块d s p 处理 器处理控制系统全部事宜，包括控制算法及人机接口，以及考虑到今后的系统 能力的括充，还要用与高档微机接口，那么d s p 的效率将大大降低，该系统也 将丧失d s p 处理器的优越性。为了提高d s p 的工作效率，在本系统的设计中， 另外采用由f p g a 实现的删i 控制器负责人机接口，而将d s p 作为协处理器，专 门负责控制算法，这样做大大提高了d s p 的工作效率。控制器硬件体系结构图 如图2 一l 所示。 如今，d s p 与f p g a 器件在各类电子产品中应用广泛，而它们的结合使用， 则广泛应用于软件无线电等3 g 、b 3 g 通信系统中，或者是需要有高速数据处理 能力的智能仪器中，其优点是采用f p g a 做前端高速a d 采样数据后的数字中频 处理“”，然后由f p g a 将速率降低的数字流送给d s p 进行各种复杂算法的d s p 处 理，这样在利用现有器件处理能力的条件下，大大提高了处理模拟前端信号的 7 一 第二章微波协助化学反应智能控制系统硬件设计与实现 频率和带宽，并且由于i s p 技术的应用，使得软件升级更为容易。 叫竺h 州燃温 厦 州 d s po 即g a 匝 h 眄潭面 图2 - i 控制器硬件体系结构图 本系统采用a l t e r af p g ae p f i o k i o 芯片做为m m i 控制器，而采用t id s p t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 做为数学运算协处理器。f p g a 负责人机接口事物，每次进行试验 前，先输入预定的温度、功率等参数，然后按运行键开始工作，当f p g a 接到运 行命令后，会发中断信号给d s p ，d s p 中断服务程序从主控制器中读取温度及功 率设定数据，然后驱动a d 采样，进行控制算法的运算。将f p g a 的相应几个寄 存器放在d s p 的i o 空间，这样d s p 从1 0 空间读取设定数据即可。d s p 也在计算 出控制量后，将当前控制量及温度值送给f p g a ，此操作是通过d s p 向1 0 空间写 入数据，而其地址就是f p g a 中相应寄存器的地址，f p g a 执行相应的控制量输出 和显示功能。总结以上，将f p g a 的寄存器放在d s p 的i o 空间中，d s p 通过对 i o 空间的操作同f p g a 进行数据交互，而f p g a 负责键盘事物，当有相应任务需 要执行时，通过中断d s p 的方式通知d s p 执行相应功能。d s p 与f p g a 间工作信 号流图如图2 2 所示。 读取设定窆趁一二 d s pf p g a 实时运行叁数一二 p 一 图2 - 2d s p 与f p g a 间工作信号流图 8 一 第二章微波协助化学反应智能控制系统硬件设计与实现 第二节d s p 芯片及外围电路分析 2 2 1 d s p 芯片选型 d s p 的选型，主要考虑处理速度、功耗、程序存储器和数据存储器的容量、 片内的资源，如定时器的数量、i o 口数量、中断数量、d m a 通道数等。d s p 的 主要供应商有t i 、a d 、m o t o r o l a 、l u c e n t 和z i l o g 等，其中t i 占有最大的国 内市场份额，在国内市场容易购买，价格较便宜，代理商较多，技术资料丰富， 软件开发环境为c c s ，为国内广大d s p 工程师所熟悉。a d 公司的d s p 属高端产 品，其d s p 性能优良，符合军品品质，价格昂贵，国内代理较少，软件开发环 境为v i s u a ld s p ，国内d s p 工程师应用较少。与前两种相比，m o t o r o l a 公司的 d s p 则相对来说使用者更少一点。基于成本与技术支持的原因，本系统决定选用 t i 公司d s p 产品。 t i 公司现在主推四大系列d s p ： 1 ) c 5 0 0 0 系列( 定点、低功耗) ：相比其它系列的主要特点是低功耗，所 以最适合个人与便携式上网以及无线通信应用，如手机、p d a 、g p s 等应用。处 理速度在8 0 m i p s 一4 0 0 m i p s 之间。 2 ) c 2 0 0 0 系列( 定点、控制器) ：该系芯片具有大量外设资源，是针对控制 应用最佳化的d s p 。 3 ) c 6 0 0 0 系列：该系列以高性能著称，最适合宽带网络和数字影像应用。 其中：c 6 2 x x 和c 6 4 x 是定点系列，c 6 7 x x 是浮点系列。 4 ) o m a p 系列：o m a p 处理器集成a r m 的命令及控制功能，另外还提供d s p 的 低功耗实时信号处理能力，最适合移动上网设备和多媒体家电。 t i 的不同类型d s p 均有其适用场合，应根据具体应用确定选型，总的说来， 高速与双核是未来发展的主流。c 5 0 0 0 系列的d s p 价格最低，运算速度要高于 c 2 0 0 0 系列的决大多数芯片。c 2 0 0 0 系列最新c 2 8 x x 的运算速度可以和c 5 0 0 0 相比，但其价格较高，由于是新产品，技术资料较少。t i 的c 6 0 0 0 系列的性能 极其强大，但其价格较高。伽a p 则是集a r m 与d s p 于一体的双核芯片，功能强 大，不足之处也是其价格较高。综合以上考虑，本系统中选型初步确定为c 5 4 x 系列，而c 5 4 x 系列中以v c 5 4 0 2 在国内外使用最为广泛，技术资料最为丰富， 所以确定t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 为最终选定芯片。 一9 一 第二章微波协助化学反应智能控制系统硬件设计与实现 2 2 2 数字信号处理器t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 硬件结构 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 是t i1 6 位定点d s p ，速度高达i o o m h z ( 1 0 n s ) ，其内核供应电 压为1 8 v ，i o 电压3 3 v ，t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 特性如下m 船1 ： ( 1 ) 具有1 6 k 1 6 内部r a m ； ( 2 ) 具有4 k * 1 6 内部r o m ； ( 3 ) 数据存储器的寻址为6 4 k 1 6 ： ( 4 ) 程序内存寻址达i m * 1 6 ( a o a 1 9 ) ： ( 5 ) 具有存储器选通讯号蟠t r b ，程序空间及数据空间选择信号p s 、d s 控 制线； ( 6 ) 对应于i o 控制寻址为6 4 k 1 6 ，由i o s t r b 输出加以选择控制： ( 7 ) 总线选择控制h o l d 信号，输入设定及回传告知h o l d a 作多d s pm c u 控 制处理； ( 8 ) 有二个多信道缓冲串行端口m c b s p 以及内含p c m 的a - l a w 及u l a w 压 伸器； ( 9 ) 一个六信道的d m a 作快速内存搬移控制； ( 1 0 ) 一个用于主机接口的h p i 并行接口； ( 1 1 ) 两个1 6 b i tt i m e r ： ( 1 2 ) m c u 工作频率除了可由外部接脚加以设定控制外且可由内部软件加已 规划，利用软件锁相环可以改变d s p 工作主频； t m s 3 2 0 v c 5 4 x 的c p u 结构如图2 3 所示。为了快速地实现数字信号处理运算， t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片采用特殊的软硬件结构包括： ( i ) 哈佛结构； ( 2 ) 流水线操作； ( 3 ) 专用的硬件乘法器； ( 4 ) 特殊的d s p 指令。 一、哈佛结构 传统的微处理器采用的冯诺依曼( y o nn e u m a n ) 结构将指令和数据存放在 同一存储空问中，统一编址，指令和数据通过同一总线访问。而d s p 芯片采用 的哈佛结构则是不同于冯诺依曼结构的一种并行体系结构，其主要特点是程 序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独 一1 0 第二章微波协助化学反应智能控制系统硬件设计与实现 立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。与之相对应的是系统中设置的 两条总线即：程序总线和数据总线，此结构使数据的吞吐率提高了一倍。 图2 - 3t m s 3 2 0 c 5 4 x 的c p u 结构 c 5 4 xd s p 体系结构共有8 条主要的1 6 位总线( 四条程序数据总线，四条 地址总线) 。程序总线p b 执行从程序空间寄存器取指令和立即数的功能；数据 总线c b 、d b 、阻连接到片内各种单元，如c p u 、数据地址产生逻辑单元、程序 第二章微波协助化学反应智能控制系统硬件设计与实现 地址产生逻辑单元、片上外围和数据空间，c b 和d b 执行从数据空间寄存器读取 数据功能，e b 执行把数据写到数据空间寄存器。四条地址总线( p a b ，c a b ，d a b 和e a b ) 传送指令执行所需要的各种地址。c 5 4 xd s p 通过使用两个寄存器算术单 元( a r a u o 和a r a u i ) ，在一个周期中可以进行两次数据寄存器寻址。p b 总线可 以从程序空间取数据到乘法器和加法器进行乘加操作，或者执行数据移动指令 ( m v p d 和r e a d a ) 。这个能力与操作数读的特性结合，可以完成单周期三操作数 指令( 如f i r s ) 。c 5 4 xd s p 也有一个用于接触片上外围的片上双向总线，这个 双向总线在c p u 接口处通过总线交换器连接到d b 与e b 总线。根据外围结构不 同，对外围的访问需要不同的周期。 二、流水线 d s p 芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，增强处理器的处理能力。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 采用六级流水线，处理器可并行处理六条指令。六级流水线为： 取指令地址、取指令、指令译码、取操作数地址、取操作数、执行和写回结果。 当处理器并行处理六条指令时，各条指令处于流水线的不同单元。在不发生流 水线冲突的情况下，具有流水线结构的处理器的长时间执行效率接近于没有流 水线结构的处理器的六倍。使用c 语言编程的用户不用考虑流水线冲突问题， 因为编译器自动处理流水线冲突，丽使用汇编语言编程的用户需要对流水线冲 突的基本概念与情况了解清楚。c 5 4 xd s p 流水线结构如图2 - 4 所示。 d b 出现操作数i i p r e f t t c hf 戗c hd e c o d ea c c e s sr 髑de x e c u t e w r i t e c a b 出现操作数2 地址 更新寄存器与堆栈指针 图2 _ 4c 5 4 x d s p 流水线结构 一1 2 第二章微波协助化学反应智能控制系统硬件设计与实现 2 2 3d s p 芯片与外围电路接口设计与实现 2 2 3 1d s p 芯片及其外围接口电路总体设计 d s p 芯片及其外围电路框图如图2 5 所示。d s p 电路模块包括d s p 芯片、a d 采样芯片、f l a s h 芯片、c p l d 芯片、总线驱动、j t a g 调试接口、复位电路和电 源模块。f l a s h 放在d s p 的数据空间，d s p 的运行代码放在f l a s h 中，当系统上 电后，d s p 运行片上b o o t l o a d e r 程序，将f l a s h 中的代码搬移到片上d a r a m 中 运行。a d 放在d s p 的i o 空间，d s p 对a d 的操作就是向1 0 空间相应地址写入命 令、读出数据。f p g a 实现的脒i 控制器的相应寄存器，也处于d s p 的i o 空间， d s p 对i o 空间相应地址进行操作即可实现与删i 控制器的交互。d s p 的仿真开 发由j t a g 仿真器实现。 图2 - 5d s p 芯片及其外围电路框图 此系统中t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的程序空间采用片内d a r a m 作为程序、数据共用空 间，程序存储在片外的f l a s h 中，f l a s h 位于d s p 的数据空间，在系统上电启动 时，采用数据空间1 6 位并行引导方式，将f l a s h 中的可执行程序代码搬移到片 内的d a r a m 中，d s p 对于片内空问的访问，在一个时钟周期内可以完成一条指令， 完全不需要等待周期，大大加快了执行速度。 由于本控制系统需要采样多路模拟量，以便实现对系统的控制，所以该系统 一1 3 第二章微波协助化学反应智能控制系统硬件设计与实现 采用了m a x i m 公司的多路a d 转换器m a x l 2 9 5 。由于微波加热的反应较迅速，需 要控制及时而准确，这就对系统提出了很高要求，下面就详细分析一下此系统 是否能完成此项控制任务。d s p 的特点就是可执行高速的运算，d s p 可在一个 时钟周期内完成一条乘加运算，包括取指，取操作数，保存结果。又由d s p 的 独有的寻址方式，决定了d s p 非常适合于f f t ，f i r ，f i r 等运算，进而实现相 应算法。此系统中d s p 工作在i o o m 的时钟下。a d 转换器m a x l 2 9 5 的最高采样率 为2 6 5 k s p s ，极限情况采样6 路信号的话，每路信号每秒可以采样约4 0 k 次之多， d s p 大约可执行3 0 0 条指令。由于一般温度控制的采样速率为1 s 即可满足控制 要求，且只有一路信号采样，这样对应一次采样可以执行i 0 0 0 0 0 0 0 0 条指令， 完全满足本系统采用的控制算法的执行时间要求。 若控制程序比较大，5 4 0 2 片内的1 6 k 空间不够时，解决方法有两个，一是 采用片外s r a m ，由于s r a m 的高速特性，d s p 与其可以不用等待周期而进行数据 交换，而5 4 0 2 的片外程序空间可以寻址1 m ，足以满足程序空间要求。第二种方 法是用t i 的5 0 0 0 系列另一款性价比很高的1 6 位数字信号处理器t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 来代替t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ，t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 的c p u 最高工作速度可达l o o m ，片内d a r a m 空间有3 2 k ，支持外部扩展程序空间达8 m 。对应于t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 与t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 的替换也非常简单，两种晶元的引脚基本兼容，只是一种晶元的n c 对应于另一 种晶元的g n d ，或是一种晶元的外部扩展地址总线对应于另一种晶元的n c ，经 过测试，在本文所描述的d s p 系统板上，v c 5 4 0 2 与v c 5 4 0 9 皆可正常运行。 本控制系统的结构设计考虑到d s p 的与外围i o 器件的接口，因t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 是3 3 伏d s p ，而很多外围接口芯片的i o 电平是5 伏，为了保护t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ， 在d s p 与外围电路之间采用了总线驱动电路。总线驱动电路采用7 4 l v t h l 6 2 4 4 与7 4 l v t h l 6 2 4 5 接口芯片，该芯片的输入可以承受5 伏电压，输出则为3 3 伏， 3 3 伏系统与5 伏系统的低电平相同，而3 3 伏系统的输出高电平可以和5 伏系 统的输入高电平兼容，故该系统可以正常工作。至于控制信号线的电平兼容问 题则很好解决，因本系统的控制信号由c p l d 对地址线和控制信号线译码组成， 而c p l d 的i o 输出可以配置成3 3 伏、5 伏兼容，这样就确保了系统在多电平标 准下正常工作。 一1 4 第二章微波协助化学反应智能控制系统硬件设计与实现 2 2 3 2d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 基本配置 d s p 芯片的使用非常灵活，依应用不同而有不同配置，这里只讲述本系统中 的应用配置。 一、时钟 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 在运行时系统时钟最高可达1 0 0 m ，根据具体配置而不同。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 有片上锁相环，可以在片外接频率较低的晶体，而利用片上锁相 环，使系统时钟工作在预定的频率上，这样可以防止外部输入晶体频率过高而 产生射频干扰。当5 4 0 2 芯片处于r e s e t 状态，时钟模式选择引脚c l k m d l 、c l k m d 2 、 c l k m 9 3 上的逻辑电平被锁存，时钟模式选择寄存器用这个值来初始化，r e s e t 后，系统时钟运行在时钟模式寄存器的设定值上，当d s p 复位以后，改变时钟 模式选择引脚c l k m d i 、c l k m d 2 、c l k m d 3 上的逻辑电平不再有效，但是，可以通 过软件更改时钟模式选择寄存器的值来改变系统时钟。5 4 0 2 时钟模式寄存器设 定值如表2 - 1 所示。 表2 - 15 4 0 2 时钟模式寄存器设定值表 c l k m d c l k m d lc l k m d 2c l k m d 3 c l k m o d e r e s e tv a l u e 000e 0 0 7 h p i 上1 5 ool9 0 0 7 h p l l l o 01o 4 0 0 7 hp l l 5 ol1 1 0 0 7 hp l l 2 loo f 0 0 7 hp 【工1 lol0 0 0 0 h i 2 口l ld i s a b l e d ) l10f 0 0 0 h 1 4 ( p l ld i s a b l e d ) ll1 r e s e r v e d 本系统d s p 的脉冲输入是以2 0 i l z 晶体连接到x 1 与x 2 引脚，再经由 c l k m d i ，c l k m d 2 ，c l k m d 3 = i1 0 设定成1 倍的p l l ，使系统开始工作在2 0 t 心t z 的频 率下，这样利于与f l a s h 这样的慢速外设接口，以保证b o o t 过程的稳定。当系 统b o o t 结束后，片上程序开始运行时，在5 4 0 2 初始化程序中再更改c l k m d = 4 0 0 7 h ，改变锁相环到5 倍频，使系统运行在1 0 0 m 频率的时钟下。 注意5 4 0 2 的时钟输入引脚只能接与内核电压相同的时钟信号，即接有源晶 振的时候，应该选择1 8 伏的有源晶振，但是1 8 伏的有源晶振难以买到，所 以最好的办法就是接一个无源的晶体，利用5 4 0 2 片上振荡器产生时钟信号。 一1 5 第二章微波协助化学反应智能控制系统硬件设计与实现 二、存储器映射 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 内含1 6 k ( 0 0 6 0 h 一3 f f f h ) 的d a r a m 可作程序内存，也可设定 完全作为数据存储器，而内部含有2 k ( f o o o h f f f f h ) 的r o m 是出厂就由t i 将其烧 录一些起始预载激活监控程序( b o o t l o a d e r ) 、中断及起始向量或正弦波( 2 5 6 1 6 ) 的资料表、语音解压缩的a - l a w 及”一l a w 转换表( 2 5 6 1 6 2 ) 资料于其内部。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 片上r o m 是否使能由m p m c 引脚输入作设定，当r e s e t 后，d s p 将此引脚状态予以读入d s p 的程序模式状态缓存器( p r o c e s s o rm o d es t a t u s r e g i s t e rp m s t ) 的第6 位m p m c 作d s p 的执行模态设定。若m p m c = 1 则设定为 m i c r o p r o c e s s o r 微处理机模式，不执行内部r o m 中b o o t l o a d e r ：若m p m c = o 则 为m i c r o c o m p u t e r 微电脑模式，执行内部r o m 中b o o t l o a d e r 。5 4 0 2 片上r o m 内 容及对应地址如表2 2 所示。 表2 - 25 4 0 2 片上r o m 程序内容及地址 a d d i u s sr a n g ed e s c r i p t i o n f 0 0 0 - f 7 f f hr e s e r v e d f 8 0 0 一f b f f hb o o t l o a d e r f c 0 0 一f c f f hu l a we x p a n s i o nt a b l e f d 0 0 一f 】) f i 啊a l a we x p a n s i o nt a b l e f e 0 0 一f e f f h s i n e1 0 0 k - u pt a b l e f f 0 0 一f f 7 f hr e s e r v e d f f s 0 一f f f f h i n t e r r u p tv e c t o rt a b l e 5 4 0 2 片上d a r a m 即可只映射入数据空间，也可同时映射入程序与数据空间， 由o v “位决定。当o v l y = o 时，片上d a r a m 只映射入数据空间，当o v l y = 1 时， 片上d a r a m 同时映射入程序与数据空间。 因为5 4 0 2 对片上d a r a m 的接触不用等待周期，所以在条件允许的条件下( 程 序代码占用空间不是太大，程序中不用处理特别大量的数据) ，程序代码应尽量 放在片上r a m 中运行。地址映射影响程序空间与数据空间的片选、读写信号的 产生。如将片上1 6 k r a m 映射到程序空间，则当c p u 访问程序空间时，如果地址 处于0 0 8 0 h 一3 f f f h ，则访问片上r a h i ，此时并不产生片外的程序空间的片选、读 写信号；如果地址处于4 0 0 0 h - e f f f h ，则访问片外存储器，此时片外的程序空间 的片选、读写信号正常产生。程序空间映射设定如表2 3 所示。 本系统中，将片上d a r a m 映射到程序空间与数据空间，d s p 工作在 m i c r o c o m p u t e r 微电脑模式，使用片上r o m 中的b o o t 程序，所以将m p m c 引脚 一1 6 第二章微波协助化学反应智能控制系统硬件设计与实现 接低电平，而0 v l y 在d s pr e s e t 后默认是0 。 表2 - 35 4 0 2 程序空间映射表 m p m 僵c o v l yr o md a r a m 外部存储器 0of 0 0 0 h - f f f f h0 0 0 0 h e f f f h 01f o o o h - f f f f h 0 0 8 0 h - 3 f f f h ( 程序，资料) 4 0 0 0 h - e f f f h 1o0 0 0 0 h - f f f f h 1l 0 0 8 0 h - 3 f f f i - i ( 程序，资料) 4 0 0 0 h - f f f f h 2 2 3 3f l a s h 模块 v c 5 4 0 2 的b o o t 可以采用很多方法乜1 “，在本系统中采用数据空间并行1 6 位b o o t 方式，所以需要一块f l a s h 来保存系统的源代码，在d s p 上电r e s e t 后， d s p 片上的b o o t 程序会将f l a s h 中的代码搬移到片内r a m 中运行。f l a s h 模块 原理图如图2 - 6 所示。 【璐p d s pa d d r d d r 器!i 1 5 1 64 8： flash47 1 6 l 。d 。s ，p 。a d d 。r 3； i a l ，v s s i”h 篇黧： d a t a 叫 a 1 2 d q l 5 l 。d s ；。a d 。d r 。l ；i a i id 0 7 1 0d q l 4 餐跨茹蔷一 a 9d 。6 |dql3 擎耍慧争 牟 n cd 0 5 厂贰蕊雨一卜 一 n c d o l 2 w ed q 一? 1 藩磷；箫。 寺 正t 4 n c d q l l_ 葺詈_ 一d s pd a t a l l n c d q s_ 亏 叫d s pd a t a 3 n c d 0 1 0i i 、dspd a t a l 0l n c d q 2_ 看看- d s pd a t a 2l 一 n c d q 9詈_ d s pd a t a 9 7d o l畸 - d s pd a t a l a 6 d o s_ 吾吾_ 叫d s pd a t a b 嚯d s t , , a d 需d k 5 二专 ，doo_ _ 哼 1 趔望丛垫f m o e箬： s r a mr d 旧争器 三盘盏a i 焉巨= 拦墼。 图2 - 6f l a s h 模块原理图 f l a s h 芯片采用s s t