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1 C5402DSP的應用特點 盡管從一般意義上講，基于MCU（單片機）與DSP（數字信號處理器）這兩類器件的系統都有各自的用途，但現在很多新興的嵌入式應用，尤其是那些大型的復雜系統，在系統內同時實現信號與控制兩種處理，它們既需要DSP的功能又需要MCU的功能。筆者正是基于這種嘗試，在PID溫度控制系統中，將DSP應用到MCU的應用場合，取得了較好的控制效果。隨著DSP（數字信號處理器）制造技術的發展，其成本已經下降到較低水平;而DSP的處理速度可滿足控制的實時性需求。本設計中選用了性價比高、運算能力強、實時性好的TMS320C5402DSP來實現PID溫度控制算法。C5402DSP相對于單片機的主要優勢在于：首先，C5402DSP采用的是哈佛結構，有多組總線分別連接到程序存儲空間和數據存儲空間結構，片內有三組16bit數據總線CB、DB、EB和一組程序總線PB以及對應的4組地址線CBA、DBA、EBA、PBA;其次，具有硬件乘加器，包括一個17＊17bit乘法器和一個40bit專用加法器，可以在單周期內完成乘、加運算各一次，運算能力很強;還有，采用了流水線技術，指令具有6級流水線，相對于單片機而言，速度大大提高;另外，還具有串行口和并行口等外設，可滿足控制的輸入輸出要求。 2 系統硬件結構與工作原理 系統的硬件結構如圖1所示。本設計主要分為溫度采集和PID控制兩部分。DSP檢查所得溫度是否超過上下限值，若超過則報警并轉入相應處理;否則根據所要求的標準溫度值計算采集溫度與標準值的偏差e（n），轉入PID算法程序進行處理，得到輸出控制信號y（n），通過y（n）來控制加熱/降溫裝置進行工作，達到控溫的效果。 圖1系統結構原理框圖 3 軟件設計 本設計主要包括主程序、溫度采集子程序、上下限溫度值查詢子程序、PID子程序等。其中，溫度采集子程序和PID子程序是核心，本文將著重介紹。 3.1溫度采集程序 DSP芯片通過串口0與單總線溫度傳感器DS18B20的數據線相連，對現場溫度進行采集，DSP芯片TMS320C5402通過串口0讀出采集到的溫度并對它進行濾波處理;通過串口1寫中斷，調用顯示程序進行溫度顯示。為便于讀者參考，下面給出DS18B20的DSP溫度讀寫程序。 （1）DSP寫數據子程序 TX0STM#PCR0,SPSA0 STM#0011001000000010B,McBSP0 RPT#100 NOP STM#PCR0,SPSA0 STM#0011001000000000B,McBSP0 RPT#1500 NOP STM#PCR0,SPSA0 STM#0011001000000010B,McBSP0 RET （2）DSP讀數據子程序 RXSTM#PCR0,SPSA0 STM#0011001000000010B,McBSP0 RPT#120 NOP STM#PCR0,SPSA0 STM#0011001000000000B,McBSP0 RPT#120 STM#PCR0,SPSA0 STM#0011001000000010B,McBSP0 RPT#120 NOP LD#04H,A STLA,TMP PORTWTMP,7H STM#PCR0,SPSA0 LDMcBSP0,A AND#0001H,A BCRX1,ANEQ RSBXC BRX2 RX1SSBXC RX2RORB LD#02H,A STLA,TMP PORTWTMP,7H RET 3.2 PID算法在DSP上的實現 經典PID控制算法的表達式為： y（t）=KP＊[e（t）+1/TI＊∫e（t）dt+TD＊de（t）/dt]（3.1） 式中： y（t）—調節器的輸出信號 e（t）—調節器的偏差信號，它等于給定值與測量值之差 KP—調節器的比例系數 TI—調節器的積分系數 TD—調節器的微分時間 為了用DSP實現上式，必須將其離散化，用數字形式描述為： y（n）-y（n-1）=KP[e（n）-e（n-1）]+KI＊e（n）+KD[e（n）-2e（n-1）+e（n-2）]（3.2） 其中： KI=KP＊T/TI; KD=KP＊TD/T T—采樣周期 e（n）—第n次采樣的偏差; e（n-1）—第n-1次采樣時的偏差; e（n-2）—第n-2次采樣時的偏差。 由式（3.2）可知，要計算第n次輸出值y（n），只要知道y（n-1），e（n）、e（n-1）、e（n-2）即可。 式（3.2）還可以表示為下式： y（n）-y（n-1）=d0＊e（n）+d1＊e（n-1）+d2＊e（n-2）（3.3） 式中： d0=KP（1+T/TI+TD/T） d1=-KP（1+2TD/T） d2=KP＊TD/T 將式（3.3）代入（3.2）得： y（n）=d0＊e（n）+d1＊e（n-1）+d2＊e（n-2）+y（n-1） 上述式子是典型的乘加算式，而DSP具有專門的乘加指令，在DSP上非常容易實現;所以，該式成為PID算法在DSP上實現的依據。 在C5402DSP上實現的PID算法程序包括：PID各參量的初始化，計算偏差值e（n），PID算法處理，e（n）、y（n）參數更新等。這些功能在DSP上實現較之單片機而言，顯得非常方便。 在DSP上實現的程序代碼如下。 （1）PID初始化 startpid:SSBXFRCT;小數方式標志位 STM#en+1,AR1;取e（n-1）地址送AR1 RPT#1;重復2次 MVPD#table,＊AR1+;傳送初始數據e（n-2）,e（n-1） STM#yn,AR1;取y（n-1）地址送AR1 MVPD#table+2,＊AR1;傳送初始數據y（n-1）） STM#Kpid,AR1 RPT#2;重復3次 MVPD#table+3,＊AR1+;傳送初始數據d2,d1,d0 （2）PID算法程序 STM#en,AR1;取e（n）地址送AR1 LD@Tx,A;調入溫度值 SUB#TSTD,A;計算溫度值與標準值的偏差 STHA,＊AR1+;輸入偏差e（n） STM#en+2,AR1 STM#Kpid+2,AR2 STM#2,AR0 LD＊AR1-,T;e（n-2）送T MPY＊AR2-,A;d2＊e（n-2） LTD＊AR1-;e（n-1）送T,e（n-1）送e（n-2） MAC＊AR2-,A;A+d1＊e（n-1） LTD＊AR1+0;e（n）送T,e（n）送e（n-1） MAC＊AR2+0,A ADDA,@yn,A STHA,@yn;保存y（n） PORTW@yn,PA1 RET 4 結語 在過去的設計中我們選用了80C51MCU實現了PID溫度控制，但由于單片機的運算功能較差，程序實現的效率不夠高，實時性不好。本設計中由于選用了性價比高、運算能力強、實時性好的TMS320C5402DSP來實現PID溫度控制算法，取得了較好的控制效果。目前，許多MCU制造廠家在它們的體系結構中增加或擴充了各種DSP功能，例如增加了MAC（乘法累加）指令等。同樣，一些DSP體系結構也增加了像集成的外圍設備、可編程的外部芯片選擇連線、中斷驅動的I/O、定時器以及較大的外部存儲器等功能部件。將來，對復雜的應用系統，可能不會再明確地區分DSP應用還是MCU應用。因此，DSP與MCU融合的時代即將到來。 |
