基于PT100温度测量系统设计DSP实现

1 绪  论

1.1 设计目的

1 通过课程设计加深对DSP软件有关知识的学习与应用。

2 学习汇编语言并能熟练掌握与应用

3 熟练dsp与电路的结合分析

1.2 设计任务    

1 完成PT100温度转换电路设计

2 使用TMS320C5509数据采集

3 计算出温度

2 设计原理    

2.1 PT100传感器介绍

    温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，达到测温的目的。在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比运用多的是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用，目前得到广泛使用的接触式温度传感器主要有热电式传感器，其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。

热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻如Pt100、Pt1000等。

热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。常用的热电偶材料有铂铑-铂、铱铑-铱、镍铁-镍铜、铜-康铜等，各种不同材料的热电偶使用在不同的测温范围场合。热电偶的使用误差主要来自于分度误差、延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差等。

    非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高低，这种测温方法可避免与高温被测体接触，测温不破坏温度场，测温范围宽，精度高，反应速度快，既可测近距离小目标的温度，又可测远距离大面积目标的温度。目前运用受限的主要原因一是价格相对较贵，二是非接触式温度传感器的输出同样存在非线性的问题，而且其输出受与被测量物体的距离、环境温度等多种其它因素的影响。

由于本设计的任务是要求测量的范围为0℃～100℃，测量的分辨率为±0.1℃，综合价格以及后续的电路，决定采用线性度相对较好的PT100作为本课题的温度传感器，具体的型号为WZP型铂电阻，该传感器的测温范围从－200℃～＋650℃。具体在0℃～100℃的分度特性表见附录A所示。

    温度是过程控制中主要的被控量，对温度信号的采集与处理已经广泛应用于工业领域和其他的领域中。目前的温度控制系统多采用单片机进行控制，由于单片机的运算速度慢，在处理一些实 时性强、数据运算量大的控制系统过程中，难以实现实时控制。随着微处理器的发展，数字 信号处理器（DSP）以其强大的运算能力，逐步成为控制领域的主流选择。TI公司的 TMS320C55X型DSP微控制器以其处理能力强，外设功能模块集成度高及存储器容量大等 特点广泛应用于数字化控制与通信领域，可满足对信号的快速、精确和实时处理。

    基于DSP设计的温度控制器利用DSP强大的高速运算能力，以及其片内集成的丰富的控制外围部件和电路,从而简化了电路的硬件设计,可以实现各种控制算法和控制策略,并通过异步串行通信接口来读取用户所需要的数据,便于用户分析实验结果。此外，还具有脱离DSP的高温硬件保护功能．可消除由于DSP系统意外失控所造成的系统超温危险，提高了温度控制系统工作的可靠性和使用安全性。信号采集电路是温度控制系统的重要组成部分．其对温度测量的精确性直接影响整个温度控制系统的精度。本系统选用性能稳定应用广泛的PT1000铂电阻传感器作为温度测量的敏感元件。金属铂电阻温度系数大、感应灵敏，其电阻值随温度变化基本呈线性关系，在测温范围内性能 稳定、长期复现性好、测量精度高。PT100温度传感器的电阻温度系数为3.9×10－3／℃，电阻变化率为0.3851Ω/℃，线性度小于0.5%。本系统的信号采集电路采用差动对称式电桥电路实现温度信号的测量，PT1000温度传感器和精密电阻R1、R2及R3组成测量电桥。由于采集的温度信号是较弱的电压信号，因此在A/D转换之前需要经过放大电路，使其满足TMS320C55X 片内A/D转换器的输入信号要求。为了提高系统的采集精度，电桥采用美国 模拟器件公司的高精度基准电压源供电，并在电桥前加限流电阻 R0，使其流过PT1000的电流小于10mA，减小PT1000在工作时产生的自身热效应对采集信号的影响。

2.2  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]。

2.2.1 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。

2.2.2 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。

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。

2.2.3 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。

2.2.4 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。

    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。

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。

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。

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。

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+49.4KΩ/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。

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

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

4 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。

5 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.

6 致  谢

通过这次课程设计，对硬件设计与应用有了更深的理解，也积累的对硬件电路设计的很大的兴趣。但我发现我在基于dsp平台的编程方面还不是很到位，平时学习的知识也欠缺全面性。这次在老师的耐心指导下，我学到了很多很实际的解决问题的方法。同时通过这次课程设计，使我对DSP技术有了更进一步的了解。通过这次课程设计使我大体了解了DSP工程中的诸多进程，为我在今后的工作中奠定了坚实的实践基础。我会在今后的日子里，继续努力学习的。

 对于电路系统的设计，我有了更全面的理解，对于我以后工作有一定的促进作用，相信以后能做的更好。

在整个课程设计过程中，指导老师姜阳和周锡青给予我很多的关注和指导，勤勉教学，诲人不倦，帮助我顺利的完成这次设计任务，在这里我要对两位老师表示诚挚的谢意。   

7 附  录  

附录A   WZP型铂热电阻（Pt100）分度特性表

  R0=100欧