DSP温度测量.doc

沈阳理工大学信息科学与工程学院 DSP 课程设计报告 1 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 分院 系 信息科学与工程学院专业电子信息工程 学生姓名于胜军学号0803030324 设计题目 基于 PT100 温度测量系统设计 内容及要求 内容及要求 1 完成 PT100 温度转换电路设计 2 使用 TMS320C5509 进行数据采集 3 计算出温度 进度安排 2011 年 12 月 12 日 进行课程设计动员 分配课程设计题目 查阅资料 12 月 13 日 到 12 月 22 日为上机时间 12 月 22 日验收结果 12 月 23 日写报告答疑 12 月 29 日上午交电子档 12 月 30 日上午收课程设计报告和答辩 指导教师 签字 年 月 日 分院院长 签字 年 月 日 沈阳理工大学信息科学与工程学院 DSP 课程设计报告 1 摘要摘要 DSP 芯片是一种高性能的微处理器 其技术发展大大推动了温度测量的精确度 PTloo 铂电阻的阻值随温度变化而变化 利用它的这个特性来测量温度是近年来温度测 量技术的研究热点 实际应用中 由于刀 D 不能直接对电阻信号进行采样 所以一般将 电阻信号转换成电压信号再进行处理 基于 DSP 查表方式的 PT100铂电阻测温方案设计提出一种用恒流源给 PT100供电的 方法 将 PT100在不同温度下的电阻信号转换成电压信号 经过信号处理电路将输出电压 信号控制在0 3 3V DSP2407内部 AD 对其进行采样 对采样值进行软件低通滤波 提高 测温精度 通过查采样值与温度的关系表格得温度值 关键词关键词 DSP 芯片 温度 PT100 沈阳理工大学信息科学与工程学院 DSP 课程设计报告 1 目 录 绪 论 1 1 基本原理 2 1 1 PT100 原理 2 1 2 C55X 的 CPU 简介 3 1 2 1 指令缓冲单元 I 10 1 2 程序流单元 P 5 1 2 3 地址程序单元 A 6 1 2 4 数据计算单元 D 6 3 设计方案 7 3 1 系统框图 7 3 2 温度信号采集电路 7 3 3 放大电路 9 3 4 电源电路 9 3 5 时钟电路 9 3 6 复位电路 10 结 论 14 参考文献 15 致 谢 16 附录 17 沈阳理工大学信息科学与工程学院 DSP 课程设计报告 1 基于 PT100 温度测量系统设计 绪 论 21 世纪是数字化的时代 随着越来越多的电子产品将数字信号处理 PSP 做为技术 核心 DSP 已经成为推动数字化进程的动力 作为数字化最重要的技术之一 DSP 无 论在其应用的深度还是广度 正在以前所未有的速度向前发展 数字信号处理器 也称 DSP 芯片 是针对数字信号处理需要而设计的一种具有特 殊结构的微处理器 它是现代电子技术 相结合的产物 一门主流技术 随着信息处 理技术的飞速发展 计算机技术和数字信号处理技术数字信号处理技术逐渐发展成为 它在电子信息 通信 软件无线电 自动控制 仪表技术 信息家电等高科技领域得 到了越来越广泛的应用 数字信号处理由于运算速度快 具有可编程特性和接口灵活的特点 使得它在许 多电子产品的研制 开发和应用中 发挥着重要的作用 采用 DSP 芯片来实现数字信 号处理系统是当前发展的趋势 数字图像处理 Digital Image Processing 是指将图像信号转换成数字信号并利用 计算机对其进行处理的过程 图像处理中 输入的是质量低的图像 输出的是改善质 量后的图像 图像处理方法有图像增强 复原 编码 压缩等 随着计算机技术 电子技术 和通信技术的发展 数字图像压缩在计算机和便携 式系统中的应用越来越广泛 数字化图像使得图像信号可以高质量地传输 并便于图 像的检索 分析 处理和存储 但是数字图像的表示需要大量的数据 由于存储空间 和网络带宽的限制 对图像进行存储 处理和传输之前先要对图像进行压缩 数字图像 压缩是减小图像数据量 方便图像的传输 存储和处理的有效手段 研究图像压缩的 实现有着其重要的现实意义 数字信号处理器 DSP 有其独特的硬件结构特别适合 于数字信号处理领域 大量地使用在各种便携式 实时信号处理场合 它的高速度和 良好的运算性能特别适合于图像处理 沈阳理工大学信息科学与工程学院 DSP 课程设计报告 1 1 设计原理 1 1 PT100 原理 基本原理 PT100 是电阻时温度传感器的一种 电阻式温度传感器 RTD Resistance Temperature Detector 一种物质材料做成的电阻 它会随温度的 上升而改变电阻值 如果它随温度的上升而电阻值也跟着上升就称为正电阻系数 如果 它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数 大部分电阻式温度传感器是以 金属做成的 其中以铂 Pt 做成的电阻式温度检测器 最为稳定 耐酸碱 不会变质 相当线性 最受工业界采用 PT100 温度传感器是一种以铂 Pt 做成的电阻式温度传感器 属于正电阻系数 其 电阻和温度变化的关系式如下 R Ro 1 T 其中 0 00392 Ro 为 100 在 0 的电阻值 T 为摄氏温度 因此铂做成的电阻 式温度传感器 又称为 PT100 R 100 1 0 00392T R 100 0 392T T R 100 0 392 T 2 551 R 100 PT100 的分度值 铂热电阻是利用铂丝的电阻值随着温度的变化而变化这一基本原 理设计和制作的 按 0 时的电阻值 R 的大小分为 10 欧姆 分度号为 Pt10 和 100 欧姆 分度号为 Pt100 等 测温范围均为 200 850 10 欧姆铂热电阻的感温原 件是用较粗的铂丝绕制而成 耐温性能明显优于 100 欧姆的铂热电阻 只要用于 650 以上的温区 100 欧姆铂热电阻主要用于 650 以下的温区 虽也可用于 650 以上温 区 但在 650 以上温区不允许有 A 级误差 100 欧姆铂热电阻的的分辨率比 10 欧姆 铂热电阻的分辨率大 10 倍 对二次仪表的要求相应地一个数量级 因此在 650 以下 温区测温应尽量选用 100 欧姆铂热电阻 感温元件骨架的材质也是决定铂热电阻使用温区的主要因素 常见的感温元件 有陶瓷元件 玻璃元件 云母元件 它们是由铂丝分别绕在陶瓷骨架 玻璃骨架 云 母骨架上再经过复杂的工艺加工而成 由于骨架材料本身的性能不同 陶瓷元件适用 于 850 以下温区 玻璃元件适用于 550 以下温区 近年来市场上出现了大量的厚膜 和薄膜铂热电阻感温元件 厚膜铂热电阻元件是用铂浆料印刷在玻璃或陶瓷底板上 薄膜铂热电阻元件是用铂浆料溅射在玻璃或陶瓷底板上 再经光刻加工而成 这种感 沈阳理工大学信息科学与工程学院 DSP 课程设计报告 1 温元件仅适用于 70 500 温区 但这种感温元件用料省 可机械化大批量生产 效率 高 价格便宜 PT100 的结构 就结构而言 铂热电阻还可以分为工业铂热电阻和铠装铂热电阻 工业 铂热电阻也叫装配铂热电阻 即是将铂热电阻感温元件焊上引线组装在一端封闭的金 属管或陶瓷管内 再安装上接线盒而成 铠装铂热电阻是将铂热电阻元件 过渡引线 绝缘粉组装在不锈钢管内再经模具拉实的整体 具有坚实 抗震 可绕 线径小 使 用安装方便等优点 1 2 C55X 的 CPU 简介 C55X 有 1 条 32 位的程序数据总线 PB0 5 条 16 位数据总线 BB CB DB EB FB 和 1 条 24 位的程序地址总线及 5 条 23 位地址总线 这些 总线分别与 CPU 相连 总线通过存储单元接口 M 与外部程序总线和数据总线相连 实现 CPU 对外部存储器的访问 这种并行的多总线结构使 CPU 能在一个 CPU 周期内 完成 1 次 32 位程序代码读 3 次 16 位数据读和两次 16 位数据写 C55X 根据功能的 不同将 CPU 分为 4 个单元 指令缓冲单元 I 程序流程单元 P 地址流程单元 A 和数据计算单元 D 读程序地址总线 PDA 上传送 24 位的程序代码地址 由读程序总线 PB 将 32 位的程序代码送入指令缓冲单元进行译码 1 1 2 1 指令缓冲单元 I C55X 的指令缓冲单元有指令缓冲队列 IBQ 和指令译码器组成 在每个 CPU 周期 内 I 单元将从程序数据接收的 4B 程序代码放入指令缓冲队列 指令译码器从队列中 取 6B 程序代码 根据指令的长度可对 8 位 16 位 24 位 32 位和 48 位的变长指令 进行译码 然后把译码数据送入 P 单元 A 单元和 D 单元去执行 1 2 2 程序流单元 P 程序流程单元有程序地址产生电路和寄存器组凑成 程序流程单元产生所有程序 空间的地址 并控制指令的读取顺序 沈阳理工大学信息科学与工程学院 DSP 课程设计报告 1 程序地址产生逻辑电路的任务是产生读取空间的 24 位地址 一般情况下 它产生的是 连续地址 如果指令要求读取非连续地址的程序代码时 程序地址产生逻辑电路能够 接收来自 I 单元的立即数和来自 D 单元的寄存器值 并将产生的地址传送到 PAB 在 P 单元中使用的寄存器分为 5 种类型 程序流寄存器 包括程序计数器 返回地址寄存器和控制流程关系寄存器 块重复寄存器 包括块重复寄存器 0 和 1 BRC0 BRC1 BRC1 的保存寄存器 BRS1 块重复起始地址寄存器 0 和 1 以及块重复结束地址寄存器 0 和 1 单重复寄存器 包括单重复寄存器和计算单重复寄存器 中断寄存器 包括中断标志寄存器 0 和 1 中断使能寄存器 0 和 1 以及调试中断使 能寄存器 0 和 1 状态奇存期 包括状态寄存器 0 1 2 和 3 1 2 3 地址程序单元 A 地址程序单元包括数据地址产生电路 算术逻辑电路和寄存器组构成 数据地址产生电路能够接收来自 I 单元的立即数和来自 A 单元的寄存器产生读取 数据空间的地址 对于使用间接寻址模式的指令 有 P 单元向 DAGEN 说明采用的寻 址模式 A 单元包括一个 16 位的算术逻辑单元 它既可以接收来自 I 单元的立即数也可以 与存储器 I O 空间 A 单元寄存器 D 单元寄存器和 P 单元寄存器进行双向通信 A 单元包括的寄存器有以下几种类型 数据页寄存器 包括数据页寄存器和接口数据页寄存器 指针 包括系数数据指针寄存器 堆栈针寄存器和 8 个辅助寄存器 循环缓冲寄存器 包括循环缓冲大小寄存器 循环缓冲起始地址寄存器 临时寄存器 包括临时寄存器 1 2 4 数据计算单元 D 数据计算单元由移位器 算数逻辑电路 乘法累加器和寄存器组构成 D 单元包 含了 CPU 的主要运算部件 沈阳理工大学信息科学与工程学院 DSP 课程设计报告 1 D 单元移位器能够接收来自 I 单元的立即数 能够与存储器 I O 单元 A 单元寄 存器 D 单元寄存器和 P 单元寄存器进行双向通信 此外 还可以向 D 单元的 ALU 和 A 单元的 ALU 提供移位后的数据 移位可以完成以下操作 对 40 位的累加器可以完成向左最多 32 位的移位操作 移位数乐意从零食寄存器读 取或由指令中的常数提供 对于 16 位寄存器 存储器或 I O 空间数据可完成左移 31 位或 32 位的移位操作 对于 16 位立即数可完成向左移最多 15 位的移位操作 沈阳理工大学信息科学与工程学院 DSP 课程设计报告 1 3 设计方案 3 1 系统框图 本设计系统主要包括温度信号采集单元 时间信号采集单元 单片机数据处理单 元 时间 温度显示单元 其中温度信号的数据采集单元部分包括温度传感器 温度 信号的获取电路 采样 放大电路 A D 转换电路 系统的总结构框图如图 3 1 所示 信号放大 调理电路 PT100 温 度传感器 A D 转 换电路 时钟电 路 复位电 路 TMS320C5509 芯片 电脑观 察 图 3 1 系统的总结构框图 3 2 温度信号采集电路 由 PT100 构成信号的获取电路常用的方法有 2 种 一种是构成的十分常见的电桥 电路 当然 在本系统中 考虑成本的问题 一般采用单臂桥 还有一种是运用恒流 源电路 将恒流源通过温度传感器 温度传感器两端的电压即反映温度的变化 上述两种电路的结构形式见图 3 2 所示 沈阳理工大学信息科学与工程学院 DSP 课程设计报告 1 单臂桥式 恒流源式 图 3 2 两种信号获取的结构电路 本课程设计采用图 3 2 的单臂桥式电路采集温度 在电源下连接一个电阻 减小通 过单臂桥式电路的电压 3 3 放大电路 放大器的选择好坏对提高测量精度也十分关键 根据查阅的相关资料 在放大器 电路精选中 一般在首级放大器有低噪声 低输入偏置电流 高共模抑制比等要求的 大多采用自制的三运放结构 如下图 3 3 所示 三运放中由 A1 A2 构成前级对称的同 相 反相输入放大器 后级为差动放大器 在这个结构图中 要保证放大器高的性能 参数的对称性与一致性显得尤为重要 不仅包括外围的电阻元件 R1 与 R2 R3 与 R4 R5 与 R6 还包括 A1 与 A2 放大器的一致性 因此 要自制高性能的放大器对器 件要求相当高 沈阳理工大学信息科学与工程学院 DSP 课程设计报告 1 A1 A2 A3 R2R1 R7R6 R3 R5 R4 V IN V OUT 图 3 3 三运放结构的高性能放大器原理图 随着近年来微电子技术的发展 市面上出现了不少专用的高性能的芯片 AD620 AD623 就是具有上述描述的三运放结构 AD620 的内部结构是由 OP 07 组成的三运放结构 性能大大优于自制的三运放 IC 电路设计 其基本接法是在 1 脚与 8 脚之间外接一 RG 电阻 增益由式 G 1 49 4K RG 确定 由于它的外围电路十分简单 由于我们的温度测量范围是 0 100 而此时的温度传感器的电阻值根据分度表 为 100 欧姆 138 51 欧姆 由于我们设计的恒流源为 5 3 毫安 因此 AD620 的输入端 为 166 7 毫伏 假设考虑我们的 TLC2543 的最大输入为 5 000V 我们设计的放大器的 增益在尽量保证分辨率的条件下 则为 20 倍 假设我们只用一个 AD620 则 AD620 的输出为 2V 5V TLC 只能转换 5V 这样 12 位的 A D 转换器的分辨率则大于题目的 要求 0 1 因此 我们必须将 100 欧姆以下的值通过偏置的方法将其减掉 然后通过 增加放大倍数来尽量提高分辨率 这里我们设计的偏置电路同样 这里设计的首级放 大器的倍数是 20 倍 而后级放大则为 4 倍 合计的放大倍数为 80 倍 这样就完全满 足设计分辨率的要求 3 4 电源电路 我们选用 TI 公司的具有两路输出的电源芯片 TPS767D301 芯片 一路未 3 3V 电源 另一路为可调的电压电源 我们把它固定到 1 6V 图 3 4 为 TPS767D301 引脚分部图 沈阳理工大学信息科学与工程学院 DSP 课程设计报告 1 图 3 4 为 TPS767D301 引脚图 图 3 5 是利用 TPS767D301 芯片产生线性电源的原理图 该电路可产生 3 3V 和 1 6V 两路输出电源电压 图 3 5 TPS767D301 芯片产生双路电源 TPS767D301 电源芯片具有上电复位和监控功能 上电后在输出电压达到正常输出 电压的 95 时 TPS767D301 的 RSTS2 引脚就保持 200MS 的低电平信号 RST2 在系 统正常运行时 如果电源电压一旦降到该门限值以下 同样也会产生一个 200MS 的低 沈阳理工大学信息科学与工程学院 DSP 课程设计报告 1 电平脉冲信号 3 5 时钟电路 DSP 芯片工作是需要外部提供合适频率的时钟信号 给 DSP 芯片提供时钟一般有 两种方法 种是利用 DSP 芯片内部提供的晶振电路 在 DSP 芯片的 XI 和 XZ CLOCKIN 之间连接石英晶体可启动内部振荡器 另一种方法是采用外部振荡源 将外部时钟源直接输入 X2 CLOCKIN 引脚 XI 悬空 采用封装好的晶体振荡器 芯 片内部有 PLL 时钟模块可以倍频或分频外部时钟 由于通常为减小高频晶振影响 所 以外部晶振频率取得较低 本设计 DSP 运行在40MHZ 频率下 采用10MHZ 晶振 通 过内部倍频到40MHZ 图3 6 时钟电路 沈阳理工大学信息科学与工程学院 DSP 课程设计报告 1 3 6 复位电路 硬件上最有效的保护措施就是采用具有监视功能的自动复位电路 自功复位电路 除了具有上电复位功能外 还具有监视系统运行并在系统发生故障或死机时再次进行 复位的能力 其基本原理就是电路提供一个用于监视系统运行的监视线 当系统正常 运行时 应在规定的时间内给监视线提供一个高低电平发生变化的信号 如果在规定 的时间内这个信号不发生变化 自动复位电路就认为系统运行不正常 并重新对系统 进行复位 的能力 其基本原理就是电路提供一个用于监视系统运行的监视线 当系 统正常运行时 应在规定的时间内给监视线提供一个高低电平发生变化的信号 如果 在规定的时间内这个信号不发生变化 自动复位电路就认为系统运行不正常 并重新 对系统进行复位 本课程设计采用复位电路如图3 7 图3 7 复位电路 沈阳理工大学信息科学与工程学院 DSP 课程设计报告 1 结 论 在本温度测量系统设计中 PT100铂热电阻被密封在金属棒中 这样使得本温度测 量系统不但可以检测室内的气体温度 还可以检测土壤 液体 种子等内的温度 大 大提高了温度测量系统的适用范围 且采用 PT100铂热电阻为温度采集元件 可有效 地降低开发成本 而且在设计中所采用的 TMS320C5509芯片 但具有抗干扰性能好 处理速度快 转换精度高 这些优点使得我们能够实时并且敏锐的测量温度值 本课程设计中 我们采用了复位电路 能够使得系统更准确的应对误差 总之 本温度测量系统电路设计简单方便 实用性好 电路工作稳定 可靠性高 沈阳理工大学信息科学与工程学院 DSP 课程设计报告 1 参考文献 1 张邹彦 DSP 原理及应用 电子工业出版社 2005 1 2 黄鹤松 TMS320C55X DSP 应用程序设计与开发 北京航空航天大学出版社 2008 3 郑建国 一种高精度的铂电阻温度测量方案 自动化仪表 M 1997 4 樊尚春 传感器技术及应用 M 北京航天航空大学出版社 2004 5 张琳娜 刘武发 传感检测技术及应用 M 中国计量出版社 1999 6 JONE G PROAKIS DIMITRIS G MANOLAKIS DSP PRINCIPLES ALGORITHMS AND APPLICATIONS 电子工业出版社 2008 7 CHAASSAING R DSP APPLICATIONS USING C AND THE TMS320C6X DSK 电子工业出版社 2002 沈阳理工大学信息科学与工程学院 DSP 课程设计报告 1 致 谢 通过两周以来同学和老师的共同努力 我们终于完成了设计要求 但大家脸上的 表情都是欣慰和欢喜的 到底工夫不负有心人 回想过去两周 这里面的辛苦只有做 是课程设计的人才明白 才能体会 这次设计我们学到了很多东西 虽然作出来的东西很基础 但是我们加深了对知 识的理解和掌握 作为一名大四的学生 我觉得能做类似的课程设计是十分有意义的 通过此次设计试验也着重能够学到许多东西 机会谁都有 关键在于自己怎么利用一些外部条件去创造 与其等待机会的来临 还不如自己去创造机会 变被动为主动 事情才能成功 过去在自己的心里 老是有 种恐惧的心理在作祟 怀疑自己的能力 认为自己不能胜任某件事情 甚至连尝试的 胆量都没有 自己本身还是存在着很大的欠缺 这样才能不断地提升自身的素质 素 养 不断地改进自己的知识结构水平 让自己投入到理论学习中 好好积累基础理论 知识 方能厚积薄发 也将随着自身能力水平和环境的不断变化而更加完善 最后感 谢指导老师姜阳和周锡青给予我很多的关注和指导 沈阳理工大学信息科学与工程学院 DSP 课程设计报告 1 附 录 附录 A WZP 型铂热电阻 Pt100 分度特性表 R0 100 欧 温度 0123456789 电阻值 欧姆 0100 00100 40100 79101 19101 591