（材料学专业论文）基于tms320lf2407的高速测温仪的研制.pdf

基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 技术的高速测温仪的研制 摘要 本课题针对高能量密度加热过程中高速测温的需要进行专用测温仪的研制。 该测温仪具有对高速加热或降温过程进行高速测量的功能，测量的温度值经过 f f t 滤波处理后送显示或打印。 本文首先介绍了测温仪器的发展现状，并结合广泛的市场调研论证了在我国 用d s p 芯片研制高速测温仪的必要性和可行性。接着在介绍了d s p 芯片的发展与 应用领域、d s p 芯片的主要结构特点及分类的基础上，针对高速测温仪系统的特 点进行d s p 芯片的选型，并对所选芯片- - t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的结构和特征进行了详 细说明。然后详细说明了测温仪所要实现的功能，在测温仪所要实现的功能的基 础上对测温仪各部分硬件进行了设计与优化。在硬件设计的基础上。利用代码调 试器c c s 2 ( c o d ec o m p o s e rs t u d i ov e r s i o n2 0 ) 完成了各部分的软件设计。最 后详细说明了系统的抗干扰设计，印刷电路板设计以及程序调试过程。 经过了硬件和软件调试，测温仪工作正常，实现了预期的高速测温的功能。 关键字：d s p 高速c c s 测温 t h ed e v e l o p m e n to ft h eh i g h s p e e dt e m p e r a t u r e - m e a s u r i n g i n s t r u m e n t sb a s e do nt h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a b s t r a c t t h i sd is s e r ta i m sa td e v e l o p i n gt h eh i g h s p e e dt e m p e r a t u r e m e a s u r i n g i n s t r u m e n tf o rt h e a p p l i c a t i o n o f h i g he n e r g yd e n s i t yh e a t i n g t h e i n s t r u m e n td e v e l o p e dh a st h ea b i l i t yt of a s tm e a s u r eat e m p e r a t u r et h a t c a nb ed i s p l a y e do rp r i n t e da f t e rb e i n gp r o c e s s e db yt h ef f ta l g o r i t h m i ns e c t i o n i t h i sd i s s e r tf i r s t l yg i y e st h ei n t r o d u c t i o no ft h e t e m p e r a t u r e m e a s u r i n gi n s t r u m e n t s ，a n dd e m o n s t r a t e st h en e c e s s i t ya n d p r a c t i c a b i i t yo ft h ed e v e l o p m e n to f t h eh i g h s p e e dt e m p e r a t u r em e a s u r i n g i n s t r u m e n t sb a s e do nt h e h i g ht e c h n o l o g yo ft h ed s pc h i pc a p a b l eo f p r o c e s s i n gd a t aa th i g hs p e e db yt h ew i d es u r v e yo ft h ec i v i lm a r k e t s t h e no nt h eb a s i so ft h ei n t r o d u c t i o no ft h ed e v e l o p m e n ta n dt h ef e a t u r e s o ft h ed s pc h i p ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sh o wt os e l e c tt h ed s pt y p ei nm y d e v e l o p e ds y s t e m a s a r e s u l t ，b a s e d o nt h e g o o dc o n f i g u r a t i o na n d c h a r a c t e r so ft h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s pc h i p i ti ss e l e c t e da st h ed s pc h i p o f o u rd e v e l o p e dh i g h s p e e dt e m p e r a t u r e m e a s u r i n gi n s t r u m e n tf o rf a s t p r o c e s s i n g t h e t e m p e r a t u r e d a t a i ns e c t i o ni i ，t h ef u n c t i o n so fm y d e v e l o p e di n s t r u m e n ta r ee x p l a i n e di nd e t a i l b a s e do nt h e m w eo p t i m a l l y d e s i g na l lh a r dw a r e si nm yd e v e l o p e di n s t r u m e n ts y s t e mb yt h e i rd e l i c a t e s e l e c t i o n s a c c o r d i n g l y ，w ed e s i g nt h es o f t w a r es y s t e mf o rt h eh a r d w a r e s y s t e mu s i n gc c s 2 0 ( c o d ec o m p o s e r s t u d i ov e r s i o n2 0 ) f i n a l l y 。i n p a r t i c u l a r ，t h i sd i s s e r te x p l a i n s t h ek e yt e c h n i q u e so fo u rd e v e l o p e d i n s t r u m e n ts y s t e ms u c ha st h ed e s i g n sf o rr e s i s t a n ti n t e r f e r e n c ea n df o r p r i n t i n gc i r c u i tb o a r d a f t e rt h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo fi ta r ec a r e f u l l yd e b u g g e da n d t e s t e d m a n yt i m e s ，m yd e v e l o p e dh i g h s p e e dt e m p e r a t u r e m e a s u r i n g i n s t r u m e n tb a s e do nt h ed s pc h i pt e c h n o l o g ym e e t st h er e q u e s to fm e a s u r i n g t e m p e r a t u r e sa t ah i g hs p e e da n dw o r k sw e l l k e yw o r d s ：d s ph i g h s p e e dc c st e m p e r a t u r e m e a s u r e 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。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒目g 兰些厶堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同一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。 学位论文作者签字：i j 弘敖签字日期：一( ，年年月加 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金妲王些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 胆些盍堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入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) 学位论文者签名 粥谚 签字日期：u 缸年址月彩日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 ，翻高 签字日期：础年譬月 妒 电话： 邮编： 致谢 经过两年半的努力，终于完成了本课题的研究。在此，要向曾经帮助过我的 同学老师和同学表达我厚积于心中的感激之情 首先我要感谢我的指导老师周汉义副教授，他以广博的精湛学识和宽厚的仁 慈之心，激励我在材料学及电子领域里探索，启发我按照自己的愿望和理解进行 思考和科研，帮助我建立不断寻求成功的信心和勇气。尤其令我难以忘怀的是， 在我进行课题研究的过程中，导师从方案的拟定到研制过程的调试以及论文的修 改都给予了耐心的教诲和细心的指导。导师严谨的治学态度和宽容的为人方式， 既让我懂得了如何做学问，也让我懂得了如何做人，更让我懂得了一个研究者的 使命和价值。 我还要向材料学院里所有教师和领导致谢，感谢他们多年的栽培和扶持，感 谢他们在学习、做人方面给予我的关怀和帮助。感谢他们在我研究生阶段给予的 谆谆教诲和指导。 我还要感谢我的同届学友们，感谢他们以不同的方式给予我的学术上的启发、 学业上的支持。 感谢所有给予我支持、帮助和启迪的人们! 作者：廖任秀 2 0 0 4 年4 月 前言 当前，主要的测温仪表，如热电偶、热电阻及辐射温度计等在技术上已经 很成熟了。各类测温仪表不断出现、功能不断完善。但有些特殊场合如高速加 热和冷却过程其升温和冷却速度高达1 0 4 1 0 5 c s ”1 ，如此高的升温与降温速度 要求所用的测温仪还应具有高速测量的能力。目前，市场上的测温仪表种类繁多、 性能各异，仅适用于加热能量密度低、升降温速度慢的场合。这些测温仪在一般 工业和实验室中的应用已经能够满足要求，但在计算机模拟技术中，作为机理研 究的实验验证就不适用了。在温度测量的场合，传感器输出的电压或电流等信号 往往较弱，而且其中还可能含有工频、静电和磁耦合等共模干扰。3 ，这就需要对 测量的数据进行硬件和软件的抗干扰处理。由于单片机先天数据处理能力不足， 如果要建立较为完善的处理模型，例如进行线性补偿及温度补偿、卷积、相关、 f f t ( 快速傅立叶变换) 等，这时候面对大量的数据要进行复杂快速的处理，单 片机已经不可能实现实时测温了。而引入d s p 对数据进行高效处理，可以成为强 有力提升测温仪功能的手段“1 。同时由于d s p 具有丰富的硬件资源、改进的并行 结构、高速数据处理能力和强大的指令系统，已经成为世界半导体产业中紧随微 处理器和微控制器之后的又一个热点，在通信、航空、航天、雷达、工业控制、 网络及家用电器等各个领域已得到了广泛的应用。但d s p 应用于高速测温领域的 报导并不多见“1 。本课题所研制的测温仪就是针对高能量密度加热过程中高速 温度测量的需要而研制的。该测温仪以美国t i 推出的定点系列t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 数 字信号处理器( d s p ) 中的一员- - t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片为核心。 本课题的主要内容是：由温度传感器将采集到的温度信号转换为电信号， 经过放大器放大成d s p 能接收到的电压信号，然后送入d s p 内自带的a d 转换器 的模拟输入口，将模拟信号转换为数字信号。d s l 8 8 2 0 作为热电偶的冷端补偿， 在系统上电时测出环境温度并送存储器存储。当a d 转换结束后，对测量的数字 信号用快速傅立叶变换进行滤波处理。最后将滤波后的数字信号拟合成温度值， 可以根据需要利用键盘来实现显示一点或多点的温度值，也可以轮流显示各点的 温度，还可以根据需要利用微型打印机打印出时间一温度曲线。 第一章绪论 1 1 温度测量技术的现状及展望 科学技术的发展是和测温技术的发展紧密联系在一起的。温度测量技术水 平越高，科学技术发展也就越为深广。同时科学技术的发展又为测量技术的发展 提供了新的前提和新的可能性。材料学的研究也不例外：研制新材料，制定新工 艺，经常需要借助温度测量、成份分析等许多测量与控制仪表以获得必要的参数。 用最先进的自动化仪表与设备组成的自动化系统，对工艺参数( 如温度) 实行精 确的、自动的测量与控制是不断提高热处理工艺水平、对材料相变机理研究不可 或缺的条件。 当前，主要的测温仪表，如以热电偶、热电阻为传感器的温度计以及辐射 温度计等在技术上已经很成熟。国内多采用接触式测温方式，其中热电偶与热电 阻的用量占9 0 以上。这些温度计只能在传统上的场合应用，尚不能满足许多 领域的需求，尤其是高技术领域。因此各国专家都在有针对性地竞相开发各种新 型温度传感器及特殊、实用的测温技术，如采用光纤、激光及遥感等技术的新型 测温仪已经实用化。 工业应用中的测温仪大都是采用单片机作为微处理器的。普通单片机指令 周期一般为2 u s ，取指、译码、和执行等操作不能同步进行，因而不能满足某些 特殊场合的高速测温要求。本课题所设计的测温仪就是针对高能量密度加热过程 的高速温度测量的需要而研制的。此仪器对于计算机模拟技术的实验验证及建模 具有重要意义。对于高能量密度加工处理的自动化实现也有实际意义。 d s p 是在微处理器基础上发展起来的一种高速专用的数字信号处理器。d s p 的应用由最初的军用尖端技术拓展到通信、家电、办公自动化、仪器仪表、汽车 电子、工业控制等许多领域。但它在温度测量方面的应用比较少见报道。 1 2d s p 芯片的发展 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算 的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。 世界上第一个单片d s p 芯片应当是1 9 7 8 年a m i 公司发布的$ 2 8 1 1 ，1 9 7 9 年 美国i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑a 这 两种芯片内部都没有现代d s p 芯片所必须有的单周期乘法器。1 9 8 0 年，日本n e c 公司推出的u p d 7 7 2 0 是第一个具有乘法器的商用d s p 芯片。 在这之后，最成功的d s p 芯片当数美国德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ， 简称t i ) 的一系列产品。t i 公司在1 9 8 2 年成功推出其第一代d s p 芯片t m s 3 2 1 0 及其系列产品t m s 3 2 0 1 1 、t m s 3 2 0 c 1 0 c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 等，之后相继推出其第二 代d s p 芯片t m s 3 2 0 2 0 、t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 ，第三代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 0 c 3 1 c 3 2 ， 第四代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 4 0 c 4 4 ，第五代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x ，第二代d s p 芯片的改进型t m s 3 2 0 c 2 x x ，集多片d s p 芯片于一体的高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 c 8 x 以及目前速度最快的第六代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x 等。t i 将常用的d s p 芯 片归纳为三大系列，即：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x ) 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x c 5 5 x ) 、t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列( t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x ) 。如 今，t i 公司的一系列d s p 产品已经成为当今世界上最有影响的d s p 芯片。t i 公 司也成为世界上最大的d s p 芯片供应商，其d s p 市场份额占全世界份额近5 0 。 第一个采用c m o s 工艺生产浮点d s p 芯片的是日本的h i t a c h i 公司，它于 1 9 8 2 年推出了浮点d s p 芯片。1 9 8 3 年日本f u j i t s u 公司推出的m b 8 7 6 4 ，其指令 周期为1 2 0 n s ，且具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。而 第一个高性能浮点d s p 芯片应是a t & t 公司于1 9 8 4 年推出的d s p 3 2 。 与其它公司相比，m i t o r o l a 公司在推出d s p 芯片方面相对较晚。1 9 8 6 年， 该公司推出了定点处理器m c 5 6 0 0 1 。1 9 9 0 年，推出了与i e e e 浮点格式兼容的浮 点d s p 芯片m c 9 6 0 0 2 。 美国模拟器件公司( a n a l o gd e v i c e ，简称a d ) 在d s p 芯片市场上也占有一 定的份额，相继推出了一系列具有自己特点的d s p 芯片，其定点d s p 芯片有 a d s p 2 1 0 1 2 1 0 3 2 1 0 5 、a d s p 2 1 1 1 2 1 1 5 、a d s p 2 1 6 1 2 1 6 2 2 1 6 4 以及a d s p 2 1 7 1 2 1 8 1 ， 浮点d s p 芯片有a d s p 2 1 0 0 0 2 1 0 2 0 、a d s p 2 1 0 6 0 2 1 0 6 2 等a 自1 9 8 0 年以来，d s p 芯片得到了突飞猛进的发展，d s p 芯片的应用越来越 广泛。从运算速度来看，m a c ( 一次乘法和一次加法) 时间已经从2 0 世纪8 0 年代 初的4 0 0 n s ( 如r m s 3 2 0 1 0 ) 降低倒l o n s 以下( 如t m s 3 2 0 c 5 4 x 、t m s 3 2 0 c 6 2 x 6 7 x 等) ，处理能力提供了几十倍。d s p 芯片内部关键的乘法器部件从1 9 8 0 年的占模 片区( d i ea r e a ) 的4 0 左右下降到5 以下，片内r a m 数量增加一个数量级以 上。从制造工艺来看，1 9 8 0 年采用4 u m 的n 沟道m o s ( n m o s ) 工艺，而现在则普遍 采用亚微米( m i c r o n ) c m o s 工艺。d s p 芯片的引脚数量从1 9 8 0 年的最多6 4 个增 加到现在的2 0 0 个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加，如外部存 储器的扩展和处理器问的通信等。 1 3d s p 芯片的主要结构特点及分类 d s p 是以数字信号来处理大量信息的器件，是一种特别适合于实现各种数字 信号处理的微处理器，也是嵌入式处理器大家庭中的一员( 通常，嵌入式处理器 包括微处理器、微控制器、数字信号处理器和单片机等。) d s p 具有下列主要结构特点“： ( 1 ) 采用改进型哈佛结构，具有独立的程序总线和数据总线，可同时访问 指令和数据空间，允许数据在程序存储器和数据存储器之间进行传输。 ( 2 ) 高度的操作“并行性”，在一个指令周期内可完成多重操作，一般能 够完成次乘法和一次加法，而德克萨斯仪器公司( t i ) 的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列在 每个周期内甚至可以完成8 个操作。 ( 3 ) 支持流水处理。在处理器内，对每条指令的操作可分为取指、译码、 执行等几个阶段，每个阶段成为一级流水。流水处理是指在某一时刻同时随若干 条指令进行不同阶段的处理。入t i 公司的t m s 3 2 0 系列具有四重流水线，即在理 想情况下，可以同时对四条指令进行不同阶段的处理，大大提高了程序运行的速 度。 ( 4 ) 片内含有专门的硬件乘法器和高性能的运算器及累加器，能够在每秒 钟内处理数以千万乃至数亿次定点或浮点运算，其处理速度比以往最快的p c 微 处理器还快数十倍；为满足数字信号处理f f t 、卷积等运算的特殊要求，多数d s p 的指令系统中设置有循环寻址及位倒序指令和其他特殊指令，使得在作这些运算 时寻址、排序及计算速度都大幅度提高。如单片d s p 作1 0 2 4 点复数f f t 所需时 间已将到微秒量级。 ( 5 ) 新型d s p 大多设置了单独的d m a 总线及其控制器，在基本不影响数字 信号处理速度的情况下，作高速的并行数据传送，其传送速率可以达到数百兆字 节每秒。 ( 6 ) 丰富的片内存储硬件和灵活的寻址方式为数据处理应用提供了良好条 件。d s p 面向的是数据密集型应用，对数据访问的速度和灵活性有很高的要求， 同时又需要大量的数据存储空间。根据这些应用特点，d s p 片内集成了r a m 、r o m 、 f l a s h 及双口r a m 等存储空间，并通过不同的片内总线访问这些空间，因此不存 在总线竞争和速度匹配问题，大大提高了数据读写访问的速度。 ( 7 ) 新型d s p 不但具有数据处理能力，而且集成了越来越多的其它部件， 如a i d 、比较器、捕捉器、p w m 、串行口及看门狗等，为将d s p 应用于智能测控、 电机控制、电力电子技术等领域提供了资源条件，并可以组成新型的d s p 嵌入式 应用系统。这种d s p 嵌入系统不仅具有其它微处理器和单片机嵌入系统的优点， 而且还具有独特的高速数字信号处理能力。 d s p 芯片可以按照下列三种方式进行分类。 ( 1 ) 按基础特性分。这是根据d s p 芯片的工作时钟和指令类型来分类的。 如果在某时钟频率范围内的任何时钟频率上，d s p 芯片都能正常工作，除计算速 度有变化外，没有性能的下降，这类d s p 芯片一般称为静态d s p 芯片。例如，日 本o k i 电器公司的d s p 芯片、t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 x x 系列芯片属于这一类。 ( 2 ) 按数据格式分。这是根据d s p 芯片工作的数据格式来分类的。数据以 定点格式工作的d s p 芯片称为定点d s p 芯片，如t i 公司的t m s 3 2 0 c 1 x c 2 x 、 t m s 3 2 0 c 2 x x c 5 x 、t m s 3 2 0 c 5 4 x c 6 2 x x 系列，a d 公司的a d s p 2 i x x 系列，a t & t 公 司的d s p l 6 1 6 a ，m o t o l o r a 公司的m c 5 6 0 0 0 等。以浮点格式工作的称为浮点d s p 芯片，如t l 公司的t m s 3 2 0 c 3 x c 4 x c 8 x ，a d 公司的a d s p 2 1 x x x 系列，a t t 公司 的d s p 3 2 3 2 c ，m o t o l o r a 公司的m c 9 6 0 0 2 等。 不同浮点d s p 芯片所采用的浮点格式不完全一样，有些d s p 芯片采用自定 义的浮点格式，如t m s 3 2 0 c 3 x ，而有些d s p 芯片则采用i e e e 标准浮点格式，如 m o t o l o r a 公司的m c 9 6 0 0 2 、f u j i t s u 公司的m b 8 6 2 3 2 和z o r k n 公司的z r 3 5 3 2 5 等。 ( 3 ) 按用途分。按照d s p 的用途来分，可分为通用型d s p 和专用型d s p 芯 片。通用型d s p 芯片适合普通的d s p 应用，如t i 公司的一系列d s p 芯片属于通 用型d s p 芯片。专用d s p 芯片是为特定的d s p 运算而设计的，更适合特殊的运算， 如数字滤波、卷积运算和f f t ，如m o t o l o r a 公司的d s p 5 6 2 0 0 ，z o r a n 公司的 z r 3 4 8 8 1 ，i n m o s 公司的i m s a l 0 0 等就属于专用型d s p 芯片。 1 4d s p 芯片的选型 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是非常重要的一个环节。只有选定了d s p 芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其它电路。总的来说，d s p 芯片的选 择应根据实际的应用系统需要而确定。不同的d s p 应用系统由于应用场合、应用 目的等不尽相同，对d s p 芯片的选择也是不同的。一般来说，选择d s p 芯片时应 考虑到如下诸多因素。 1 d s p 芯片的运算速度。运算速度是d s p 芯片的一个最重要的性能指标， 也是选择d s p 芯片时所需要考虑的个主要因素。d s p 芯片的运算速度可以用以 下几种性能指标来衡量： ( 1 ) 指令周期：即执行一条指令所需的时问，通常以r l s ( 纳秒) 为单位。 如t m s 3 2 0 l c 5 4 9 8 0 在主频为8 0 m h z 时的指令周期为1 2 5 n s ； ( 2 ) m a c 时间：即一次乘法加上一次加法的时间。大部分d s p 芯片可在一 个指令周期内完成一次乘法和加法操作，如t m s 3 2 0 l c 5 4 9 - 8 0 的m a c 时间就是 1 2 5 n s ； ( 3 ) f f t 执行时间：即运行一个n 点f f t 程序所需的时间。由于f f t 运算 涉及的运算在数字信号处理中很有代表性，因此f f t 运算时间常作为衡量d s p 芯片运算能力的一个指标： ( 4 ) m i p s ：即每秒执行百万条指令。如t m s 3 2 0 l c 5 4 9 8 0 的处理能力为 8 0 m i p s ，即每秒可执行八千万条指令； ( 5 ) m o p s ：即每秒执行百万次操作。如t m s 3 2 0 c 4 0 的运算能力为2 8 5 m o p s ； ( 6 ) m f l o p s ：即每秒执行百万次浮点操作。如t m s 3 2 0 c 3 1 在主频为4 0 m h z 时的处理能力为4 0 m f l o p s ： ( 7 ) b o p s ：即每秒执行十亿次操作。如t m s 3 2 0 c 8 0 的处理能力为2 b o p s 。 2 d s p 芯片的价格。d s p 芯片的价格也是选择d s p 芯片所需考虑的一个重 要因素。如果采用价格昂贵的d s p 芯片，即使性能再高，其应用范围肯定会受到 限制，尤其是民用产品。因此根据实际系统的应用情况，须确定一个价格适中的 d s p 芯片。当然，由于d s p 芯片发展迅速，d s p 芯片的价格往往下降较快，因此 在开发阶段选用某种价格昂贵的d s p 芯片，等到系统开发完毕，其价格可能已经 下降一半甚至更多。 3 d s p 芯片的硬件资源。不同的d s p 芯片所提供的硬件资源是不同的，如 片内r a m 、r o m 的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口，i o 接口等。 即使是同一系列的d s p 芯片( 如t i 的t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列) ，系列中不同d s p 芯片 也具有不同的内部硬件资源，可以适应不同的需要。 4 d s p 芯片的运算精度。一般的定点d s p 芯片的字长为1 6 位，如t m s 3 2 0 系列。但有的公司的定点芯片为2 4 位，如m o t o r o l a 公司的m c 5 6 0 0 1 等，浮点芯 片的字长一般为3 2 位，累加器4 0 位。 5 d s p 芯片的开发工具。在d s p 系统的开发过程中，开发工具是必不可少 的。如果没有开发工具的支持，要想开发一个复杂的d s p 系统几乎是不可能的。 如果有功能强大的开发工具的支持，如c 语言支持，则开发的时间就会大大缩短。 所以，在选择d s p 芯片的同时必须注意其开发工具的支持情况，包括软件和硬件 的开发工具。 6 d s p 芯片的功耗。在某些d s p 应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问 题。如便携的d s p 设备、手持设备、野外应用的d s p 设备等都对功耗有特殊的要 求。目前，3 3 v 供电的的功耗高速d s p 芯片已大量使用。 7 其它。除了上述因素外选择d s p 芯片还应考虑到封装的形式、质量标 准、供货情况、生命周期等。有的d s p 芯片可能有d i p 、p g a 、p l c c 、p q f p 等多 种封装形式。有些d s p 系统可能最终要求的是工业级或军用级标准，在选择时就 需要注意到所选的芯片是否有工业级或军用级的同类产品。如果所设计的d s p 系统不仅仅是一个实验系统，而是需要批量生产并可能有几年甚至十几年的生命 周期，那么需要考虑所选的d s p 芯片供货情况如何，是否也有同样甚至更长的生 命周期等。 在上述诸多因素中，一般而言，定点d s p 芯片的价格较便宜，功耗较低， 但运算精度稍低。而浮点d s p 芯片的优点是运算精度高，且c 语言编程调试方便， 但价格稍贵，功耗也较大。例如t i 的t m s 3 2 0 c 2 x x c 5 4 x 系列属于定点d s p 芯片， 低功耗和低成本是其主要的特点。而t m s 3 2 0 c 3 x c 4 x c 6 7 x 属于浮点d s p 芯片， 运算精度高，用c 语言编程方便，开发周期短，但同时其价格和功耗也相对较高。 d s p 应用系统的运算量是确定选用处理能力为多大的d s p 芯片的基础。运算 量小则可以选用处理能力不是很强的d s p 芯片，从而可以降低系统成本。相反， 运算量大的d s p 系统则必须选用处理能力强的d s p 芯片，如果d s p 芯片的处理能 力达不到系统要求，则必须用多个d s p 芯片并行处理。那么如何确定d s p 系统的 运算量以选择d s p 芯片呢? 我们主要分以下两种情况来考虑。 1 按样点处理 所谓按样点处理就是d s p 算法对每一个输入样点循环一次。数字滤波就是 这种情况。在数字滤波器中，通常需要对每一个输入样点计算一次。例如，一个 采用l m s 算法的2 5 6 抽头的自适应f i r 滤波器，假定每个抽头的计算需要3 个 m a c 周期，则2 5 6 抽头计算需要2 5 6 * 3 = 7 6 8 个m a c 周期。如果采用频率为8 k h z ， 即样点之间的问隔为1 2 5 u s ，d s p 芯片的 l a c 周期为2 0 0 n s ，则7 6 8 个m a c 周期 需要1 5 3 6 u s 的时间，显然无法实时处理，需要选用速度更高的d s p 芯片。 2 按帧处理 有些数字信号处理算法不是每个输入样点循环一次，而是每隔一定时间间 7 隔( 通常称为帧) 循环一次。例如，中低速语音编码算法通常以l o m s 或2 0 m s 为一帧，每隔l o m s 或2 0 m s 语音编码算法循环一次。所以，选择d s p 芯片时应该 比较一帧d s p 芯片的处理能力和d s p 算法的运算量。假设d s p 芯片的指令周期为 p ( n s ) ，一帧的时间为t ( n s ) 。则该d s p 芯片在一帧内所能提供的最大运算量 为t p 条指令。例如t m s 3 2 0 l c 5 4 9 8 0 的指令周期为1 2 5 n s ，设帧长为2 0 m s ， 则一帧内t m s 3 2 0 l c 5 4 9 8 0 所能提供的最大运算量为1 6 0 万条指令。因此，只要 语音编码算法的运算量不超过1 6 0 万条指令，就可以在t m s 3 2 0 l c 5 4 9 8 0 上实时 运行。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是美国t i 公司推出的1 6 位定点数字信号处器t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 中 的一员。处理能力可达3 0 m i p s ，几乎所有的指令都可以在一个周期内完成。这种 处理能力可适用执行复杂算法，例如适应控制、卷积、相关、f f t 等。片内自带 a d c 模块。使用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片构成的温度测量系统，具有扩充的外围电路少、 控制电路简单、控制手段灵活、易调试和易维护等很多特点。因此，综合上述因 素本课题选用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片为核心芯片研制高速测温仪。 1 5t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的基本结构和特征 在t m s 3 2 0 系歹i j d s p 的基础上，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 有以下一些特点1 “： ( 1 ) 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的 功耗；3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短至0 3 3 n s ( 3 0 m h z ) ，从而提高了控制 器的实时控制能力。 ( 2 ) 基于t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 核，保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 代码核t m s 3 2 0 系歹o d s p 代码兼容。 ( 3 ) 片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达1 5 k 字的数据程序r a m ， 5 4 4 字双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) 。 ( 4 ) 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时器；8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道。它们能够实现：三相反相器控制；p w m 的对称和 非对称波形；当外部引脚p d p i n t x , h , 现低电平时快速关闭p w m 通道：可编程的p w m 死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3 个捕获单元；片内光电编码器接 口电路；1 6 通道a d 转换器。事件管理器模块适用于控制交流感应电机、无刷直 流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器。 ( 5 ) 可扩展的外部存储器( l f 2 4 0 7 ) 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：6 4 k 字i 0 寻址空间。 ( 6 ) 看门狗定时器模块( w d t ) 。 ( 7 ) 1 0 位a d 转换器摄小转换时间为5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理器来触 发两个八通道输入a d 转换器或一。个1 6 通道输入的a d 转换器。 ( 8 ) 控制器局域网络( c a n ) 2 o b 模块。 ( 9 ) 串行通信接口( s c i ) 模块。 ( 1 0 ) 基于锁相环的时钟发生器。 ( 1 1 ) 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚( g p i o ) 。 ( 1 2 ) 5 个外部中断( 两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) 。 ( 13 ) 电源管理包括3 种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作 模式。 因为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 运算速度快，可以实时的进行各种数字信号处理算法； t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 自带1 0 位的a d 转换器，不需要外接a d 采集卡就可以实现快速 测温；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 片内集成了大容量的闪速存储器，使该测温仪不需外接程 序存储器就能解决程序的存储问题；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 具有快速的数据处理语句。 所以本课题以t i 公司推出的d s p 产品t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片为核心构成高速测温 仪。 第二章测温仪的工作原理与硬件设计 系统的设计包含系统功能设计、可靠性设计和产品化设计”。一个功能复 杂的系统，通常由若干数字电路和模拟电路构成。一般系统的设计步骤如图1 所示： 分析系统功能 f 确定系统方案! l 设计系统方框图l 逻辑功能划分 j 单元电路的设计 上 系统电路的综合与优化 i 系统性能测试l 图l 系统设计步骤 系统设计者第一要明确的是系统的任务、所要达到的技术指标、精度指标、 接口设备、使用环境以及其它的特殊要求。功能的确定要以实用为原则，既要防 止考虑不周造成功能不齐全的问题，又要避免增加那些用途不大又过多增加系统 成本的功能。 明确了系统功能及技术指标以后，应考虑如何实现这些功能，即采用什么 样的结构和电路形式。就目前的技术现状而言，实现系统功能的电路形式可分为 数字逻辑电路形式和微控制器形式。可以根据需要适当的选择。 根据已确定的方案画出系统的电路方框图，不仅可以直观、恰当地描述系 统方案，以及时纠正方案中的错误或不合理之处，而且使设计过程条理清楚。系 统方框图往往与系统方案交叉进行、反复更改，直到画出最后的合理框图。 一个系统就其组成而言，可以分为信息处理单元和控制单元。信息处理单 元的主要任务是完成信息的采集、整理、传输、处理等工作；控制单元的作用是 协调和管理各信息处理单元的工作，即定时发出控制信号，使各部分电路协调一 致地完成系统规定的任务。逻辑功能的划分就是根据系统的方框图和工作情况将 系统划分为上述的两个单元。逻辑功能的划分的原因是信息处理单元电路和控制 电路的设计方法不同。 单元电路的设计包括信息处理电路的设计和控制电路的设计。对于信息处 理电路的设计，首先根据功能划分为若干模块，然后逐步设计出各个模块。控制 电路是整个系统的核心，它根据外部输入信号及信息处理电路来的状态信号，产 生对受控电路的控制信号，有时也产生外部输出信号。 图2 测温仪的研制过程流程图 完成单元电路的设计以后，即可将各个单元电路予以综合和优化，以构成 系统电路。 系统性能测试主要用于检查系统所规定的功能是否实现；设计要求的性能 指标是否达到。若系统功能或性能达不到要求，则必须修改电路设计。 本课题所设计的测温仪是针对高能量密度加热过程中高速测温的需要而研 制的。该测温仅实现的功能是对高速加热或快速降温过程实现快速的测量，测量 的温度值经过滤波处理后显示或打印。经过分析我们采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片为 核一队辅助其它的一些外围电路来实现这些功能。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片是美国t i 公司推出的1 6 位高性能的定点数字信号处理器。它所具有的哈佛总线结构、高 速并行处理能力、低功耗以及强大的嵌入功能使得它在智能仪器仪表等领域得到 了广泛应用。基于该芯片的诸多优越性能，故本方案选用性价比高的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为核心芯片来研制高速测温仪。基于d s p 的高速测温仪的研制 过程见图2 。 2 1 测温仪的工作原理及硬件设计 本课题研制的是高速测温仪。由温度传感器将温度信号转换为电信号，经 过放大器放大成d s p 能接收到的电压信号，然后送入d s p 内自带的a d 转换器的 模拟输入口，将模拟信号转换为数字信号。d s l 8 8 2 0 作为热电偶的冷端补偿，在 系统上电时测出环境温度并送存储器存储。软件滤波可以使用两种方法来实现： 在a d 转换的过程中，对己转换的数字信号用快速傅立叶变换进行滤波处理， 转换和滤波处理同时进行：当a d 转换结束后，对转换的所有数字信号用快速 傅立叶变换进行滤波处理。最后将滤波后的数字信号拟合成温度值，可以根据需 图3 系统的硬件框图 要利用键盘来实现显示一点或多点的温度值，也可以轮流显示各点的温度，还可 以根据需要利用微型打印机打印出时间一温度曲线。 该系统主要是由以型号为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的数字信号处理器以及其它外围器 件组成。该系统的硬件框图如图3 所示： 2 2 测温仪的电路设计 该测温仪的电路主要由以下几个部分组成：电源电路、复位电路、时钟电 路、存储器接口电路、前向通道测量电路、热电偶冷端补偿电路、显示器接口电 路、打印机接口电路等。 2 2 1 电源电路 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片的供电电压为3 3 v ，但有些外围器件供电电压为5 v 。 因此在电路中需要提供5 v 和3 3 v 的电源。电路如图4 所示。2 2 0 v 的交流电经 变压器后输出8 v 的交流电，8 v 的交流电由四个二极管构成的整流电路整流后得 到8 v 的直流电，再经过稳压器m c 7 8 0 5 输出5 v 的直流电压。5 v 的直流电压再 经过低压降稳压器t p $ 7 6 3 0 1 将电压稳定在3 3 v 。 2 2 2 时钟电路 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片内含时钟发生器和时序控制逻辑，它们用来产生c p u 的 操作时序。与该部分有关的引脚有四个，分别是： ( 1 ) 引脚1 1 9x c l k o u t 主时钟输出端。 ( 2 ) 引脚7 7x 1 x c l k i n 时钟输入端。 ( 3 ) 引脚7 6x 2 时钟输出端。 ( 4 ) 引脚1 4 0x f x p l l d i op l l 禁止位。复位时c p u 会对此引脚进