【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 6）可編程的分辨率為 9～ 12 位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為 ℃ 、 ℃ 、℃ 和 ℃ ，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。 7）在 9 位分辨率時(shí)最多在 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字， 12 位分辨率時(shí)最多在 750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。 8）測(cè)量結(jié)果直接輸 出數(shù)字溫度信號(hào)，以 “ 一線總線 ” 串行傳送給 CPU，同時(shí)可傳送 CRC 校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。 9）負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作 。 綜上因素選擇 DS18B20 芯片為核心研制高速測(cè)溫儀。 存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器 ： （ Memory）是 計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)中全部信息，包括輸入的 原始數(shù)據(jù) 、計(jì)算機(jī)程序、中間運(yùn)行 結(jié) 果 和最終運(yùn)行結(jié)果都保存在存儲(chǔ)器中。它根據(jù) 控制器 指定的位置存入和取出信息。有了存儲(chǔ)器，計(jì)算機(jī)才有記憶功能，才能保證正常工作。按用途存儲(chǔ)器可分為主存儲(chǔ)器（內(nèi)存）和輔助存儲(chǔ)器（外存） ,也有分為外部存儲(chǔ)器和內(nèi)部存儲(chǔ)器的分類方法。外存通常是磁性介質(zhì)或光盤等，能長(zhǎng)期保存信息。內(nèi)存指主板上的存儲(chǔ)部件，用來(lái)存放當(dāng)前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)和程序，但僅用于暫時(shí)存放程序和數(shù)據(jù)，關(guān)閉電源或斷電，數(shù)據(jù)會(huì)丟失 。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 第 3 章 系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) 該溫度儀的電路有如下幾部分組成：（ 1）存儲(chǔ)器接口 電路；（ 2）復(fù)位和時(shí)鐘電路；（ 3）顯示器接口電路；（ 4）前向通道測(cè)量電路；（ 5）打印機(jī)接口電路；（ 6）電源等。 時(shí)鐘電路 給 TMS20F240 提供時(shí)鐘有兩種方法。一種是將外部時(shí)鐘源直接輸入 XTAL 1 /CLKIN 引腳， XTAL2 懸空，采用封裝好的晶體振蕩器。另一種是利用 DSP 芯片內(nèi)部提供的晶振電路，把一晶體連接在 TMS320F240 芯片的 XTAL 1 和 XTAL2 之間可啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器，如圖 31 所示。在實(shí)驗(yàn)中采用這種方法。 C?30PC?30PY?CRYSTALX2X1/XCLKIN 圖 31 內(nèi)部震蕩電路 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 復(fù)位電路 圖 32 所示為手 動(dòng)復(fù)位電路。剛通電時(shí)， TMS20F240 處于復(fù)位狀態(tài)， VCC50K10uFS?SWPB/XRS 圖 32 手動(dòng)復(fù)位電路 /RS 為低使芯片復(fù)位。為使芯片初始化正確，一般應(yīng)保證 /RS 為低至少持續(xù) 3 個(gè)CLKOUT 周期。但是上電后，系統(tǒng)的晶體振蕩器往往需要幾百毫秒的穩(wěn)定期，一般為 100ms200ms。圖 3 電路的復(fù)位時(shí)間主要由 R 和 C 確定。用式 31，設(shè) V1=1. 5V為低電平與高電平的分界點(diǎn)，則 : 11ln( 1 / )t RC V Vc c? ? ? （式 31） 選擇 R=100， C= ，可得 t1=l67ms，隨后的施密特觸發(fā)器保證了低電平的持續(xù)時(shí)間至少為 167ms，才能滿足復(fù)位要求。在實(shí)際的 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)特別是產(chǎn)品化的 DSP系統(tǒng)，可靠性是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。實(shí)際上 DSP 系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率較高，在運(yùn)行時(shí)極有可能發(fā)生干擾和被干擾的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，為了克服這些情況，不僅在軟件上做保護(hù)措施，在硬件上采用具有監(jiān)視功能的自動(dòng)復(fù)位電路。 向前通道測(cè)量電路 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 用 DSP 進(jìn)行測(cè)溫系統(tǒng)必須有被測(cè)電信號(hào)的輸入通道，它用來(lái)采集重要的輸入信息。在測(cè)量系統(tǒng)中怎樣能更 準(zhǔn)確獲取被測(cè)信號(hào)是核心任務(wù)；在測(cè)控系統(tǒng)中，對(duì)被控現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)視和對(duì)被控對(duì)象狀態(tài)的檢測(cè)是重要的環(huán)節(jié)。要利用傳感器將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)才能完成測(cè)量和控制任務(wù)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)只能識(shí)別和處理電量數(shù)字信號(hào)。 得到的模擬電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大并通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后才能由計(jì)算機(jī)進(jìn)行有效的處理。本方案中采用兩路熱電偶傳感器采集兩點(diǎn)的溫度信號(hào)，放大器采用高速的LM358，可以兩路同步采樣，因?yàn)?TMS320F240 內(nèi)部自帶 2 個(gè) A/D,由于傳感器的噪聲大，工作環(huán)境比較惡劣，在傳感器的輸出端上會(huì)產(chǎn)生較大的干擾信號(hào)，當(dāng)應(yīng)用于低速測(cè)溫，前向通道 中可以采取硬件濾波措施，提高信噪比。采集的信號(hào)經(jīng)放大器放大后通過(guò)濾波將噪聲和其它干擾信號(hào)濾去。而在高速測(cè)溫時(shí)，由于硬件濾波器的響應(yīng)速度慢，因此不能在前向通道中采取硬件濾波，但可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后通過(guò)軟件濾波來(lái)處理。因?yàn)?TMS 320F240 內(nèi)部自帶 ADC，所以可以將兩路電信號(hào)可以直接接入 DSP。 傳感器的選擇 為提高熱電偶的響應(yīng)速度，在此采用小直徑 的鎳鉻一鎳鋁 (硅 )熱電偶 (K型 )。含鉻 1820%的鎳合金具有良好的抗氧化性能，在還原氣氛中的穩(wěn)定性也大大改善。這種熱電偶的抗氧化能力強(qiáng) ，材料也不易變脆，熱電動(dòng)勢(shì)穩(wěn)定性好，適用于1300℃以下的溫度測(cè)量，測(cè)溫不確定度小于 400℃時(shí)為177。℃，大于 400℃時(shí)為所測(cè)電動(dòng)勢(shì)的 1%。滿足高速測(cè)溫要求，而且這種熱電偶成本低可以降低系統(tǒng)成本。 放大倍數(shù)的確定 K 型熱電偶在 1000℃時(shí)的熱電勢(shì)為 ，而 TMS 320F240 內(nèi)的 ADC 滿量程為 5V。放大器 LM358 采用單極性輸入時(shí)的飽和輸出電壓為 . 故放大倍數(shù)為3830/=92。采用二級(jí)放大，第一級(jí)放大 9 倍，第二級(jí)放大 10 倍。電路如圖33. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 33 放大電路圖 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 TMS320F240 芯片的 ADC 模塊含兩個(gè)帶采樣保持電路的 ADC。芯片內(nèi)共有 16 路模擬輸入通道，每個(gè) ADC 有 8路模擬輸入通道，通過(guò) 1 至 8多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)接入。每個(gè) ADC 完成轉(zhuǎn)換的總時(shí)間為 μ s。而高速測(cè)溫過(guò)程，如激光加熱速率約為100000～ 1000000℃ /s ，溫度變化 1℃最長(zhǎng)時(shí)間需 100μ s。因此該 ADC 完全能滿足實(shí)時(shí)高速測(cè)溫的要求。 ADC 模塊有以下功能 : ADC 可執(zhí)行獨(dú)立的或連續(xù)的采樣、保持操作。 。 、內(nèi)部或外部事件處理器啟動(dòng)。 （ 1） ADC 模塊的管腳介紹 ADC 模塊共提供 20 個(gè)管腳與外部電路接口。 ADCINOADCIN 15 這 16 個(gè)管腳是模擬輸入管腳，有兩個(gè)模擬參考電壓輸入管腳。模擬電壓信號(hào)與數(shù)字電壓信號(hào)應(yīng)分開(kāi)。為保證轉(zhuǎn)換精度電源采用標(biāo)準(zhǔn)減噪聲設(shè)備。模擬電源信號(hào)線應(yīng)盡可能的短和粗。 ADCINOADCIN7是屬于第一個(gè) ADC模塊， ADCIN8ADCIN15屬于第二個(gè) ADC模塊。ADCINO, ADCIN 1, ADCIN8 和 ADCIN9 還具有數(shù)字 1/O 的第二功能。通過(guò)軟件編程 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 這四 個(gè)管腳可用作 I/O 口。但是這四個(gè)管腳的轉(zhuǎn)換精度沒(méi)有其它 12 個(gè)模擬輸入管腳高。 （ 2） ADC 模塊的工作模式 a）兩個(gè)通道采樣和轉(zhuǎn)換可以同步進(jìn)行。 b）單獨(dú)或連續(xù)的采樣、保持和轉(zhuǎn)換操作。 c） ADC 模塊單元采用二級(jí)堆棧結(jié)果寄存器。 d）開(kāi)始轉(zhuǎn)換操作可由軟件指令、外部信號(hào)傳遞到器件的管腳或通過(guò)事件處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。 e）將位寫入 ADC 的控制寄存器時(shí)，不影響正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換過(guò)程。新寫入的位值先進(jìn)入未激活寄存器而不是激活寄存器，一旦轉(zhuǎn)變完成后新位的設(shè)置立即從未激活寄存器轉(zhuǎn)移到激活寄存器。下一個(gè)轉(zhuǎn)換由新位的設(shè)置來(lái)決定。 f）如 果中斷沒(méi)有被屏蔽的話，轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)會(huì)設(shè)置一個(gè)中斷標(biāo)志并產(chǎn)生中斷。如果第三個(gè)轉(zhuǎn)變開(kāi)始而沒(méi)有讀 FIFO 堆棧的話，第一個(gè)轉(zhuǎn)變數(shù)據(jù)將丟失。 (3)模擬信號(hào)的采樣和轉(zhuǎn)變 單個(gè) ADC 模塊執(zhí)行采樣一個(gè)時(shí)鐘周期，轉(zhuǎn)變四個(gè)半周期，因而整個(gè)采樣轉(zhuǎn)變時(shí)間是五個(gè)半周期。 ADC 模塊的結(jié)構(gòu)要求采樣轉(zhuǎn)變時(shí)間是 μ s或更長(zhǎng)以保證轉(zhuǎn)換精度。 ADC 時(shí)鐘周期數(shù)目與 μ s的最小值關(guān)系應(yīng)滿足系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。因?yàn)橄到y(tǒng)時(shí)鐘頻率可以偏離這個(gè)關(guān)系。 ADC 模塊提供的預(yù)標(biāo)定允許應(yīng)用過(guò)程中 DSP 時(shí)鐘變化時(shí) ADC 模塊保持最優(yōu)化操作。因此在選擇 ADC 模塊的 預(yù)標(biāo)定值時(shí)，應(yīng)保證這個(gè)ADC 模塊的采樣轉(zhuǎn)變時(shí)間大于或等于 s。這個(gè)預(yù)標(biāo)定值應(yīng)滿足以下公式 : 系統(tǒng)時(shí)鐘周期 ((SYSCLK)預(yù)標(biāo)定值 = s 存儲(chǔ)器接口 在 TMS320LF2407芯片中有 32K字的 FLASH程序存儲(chǔ)器， 544字雙口 RAM(DARAM)和2K字的單口 RAM(SARAM)。對(duì)于程序存儲(chǔ)器 32K字的 FLASH已經(jīng)可以滿足要求。但對(duì)于高速測(cè)溫，僅有的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是不夠的。在本方案中，一次采樣周期為 8us，采樣值占用兩個(gè)字節(jié)，則采樣的數(shù)據(jù)量為 250K字節(jié)／秒。如此大的數(shù)據(jù)量?jī)H靠片內(nèi)的 RAM是不夠的。因此必須擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。在本實(shí)驗(yàn)中采用兩片 128KX8靜態(tài)隨機(jī)讀 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 取存儲(chǔ)器 TC55V8128BJ12構(gòu)成 16位 128K的擴(kuò)展存儲(chǔ)器。 TC55V8128BJ12具有容量大、功耗低、集成度高、速度快、設(shè)計(jì)和使用方便等特點(diǎn)。圖 34是 TC55V8128BJ12的外部引腳排列圖，各引腳名稱及功能。分別如下： AO～ A16是 17條地址線： I／ 00～I(xiàn)／ 07是 8條雙向數(shù)據(jù)線；／ CE是片選線，低電平有效，／ WE是寫控制線，當(dāng)／ CS為低電平時(shí)，／ WE的上升沿將 I／ 00～ I／ 07上的數(shù)據(jù)寫到 AO～ A16選中的存儲(chǔ)單元中；／ OE是讀出允許端，低電平有效。 圖 34 TC55V8128BJ12的引腳功能圖 存儲(chǔ)器與 TMS320LF240 的接口電路如圖 35所示： 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 圖 35 存儲(chǔ)器與 TMS320F240 的接口電路 采用數(shù)據(jù)選通線 /DS接外部 RAM的 A16地址線。因此數(shù)據(jù)區(qū) RAM64K(0000HFFFH)，程序區(qū)為 RAM的后 64K(10000H1FFFFH)。對(duì) DSP而言，程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)的地址均為0000HFFFFH。由于 TC55VSl28BJ12是 8位的 SRAM， TMS320LF2407的數(shù)據(jù)線有 16位，故需要兩片 TC55VSl28BJ12并聯(lián)構(gòu)成 16位的外接存儲(chǔ)器。 如果程序區(qū)采用外部的 RAM 時(shí)，應(yīng)將 DSP 芯片的 MP／ Mc置高，使芯片工作在微處理器方式。如果內(nèi)部 FLASH 設(shè)置有效，則相同的地址的外部 RAM 自動(dòng)無(wú)效。當(dāng)外部 RAM 的存取速度不能全速運(yùn)行時(shí)需要根據(jù)速度設(shè)置插入等待狀態(tài)。 圖 36 CS2 控制數(shù)據(jù)保持時(shí)序 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 電源電路 TMS320LF2407 DSP芯片的供電電壓為 3． 3V，但有些外圍器件供電電壓為 5V。因此在 電路中需要提供 5V和 3． 3V的電源。電路如圖 37所示。 220V的交流電經(jīng)變壓器后輸出 8V的交流電， 8V的交流電由四個(gè)二極管構(gòu)成的整流電路整流后得到 8v的直流電，再經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓器 MC7805輸出 5V的直流電壓 。 5V的直流電壓再經(jīng)過(guò)低壓降穩(wěn)壓器TPS76301將電壓穩(wěn)定在 3． 3V。 F12AD412P1~220VVinGNDVoutU47815VinGNDVoutU67915T?TRANS4C?C?1000uFC?1000uF C?VinGNDVoutU47815C?C?C?+15V+5VGND15V 圖 37 電源電路 顯示器接口電路 在同一時(shí)刻只有一個(gè)顯示器通電，但是由于人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象和發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，因此在人們看來(lái)，每個(gè)顯示器都在穩(wěn)定地顯示。這種巡回掃描顯示器的操作要靠程序控制。動(dòng)態(tài)顯示的亮度要受電流平均值的影響，其電流平均值增大，顯示亮度增強(qiáng)。在本測(cè)測(cè)溫儀的顯示器是測(cè)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)地自動(dòng)地向操作人員提供必要的狀態(tài)信息的手段和途徑之一。它使操作人員能夠及時(shí)地觀察到系統(tǒng)的運(yùn)行情況和對(duì)操作命令的響應(yīng)結(jié)果。它是測(cè)控系統(tǒng)與操作者實(shí)現(xiàn)交換作用的另一個(gè)方面。在測(cè)控系統(tǒng)中，常用的顯示器主要有 LED(發(fā)光二極管顯示器 )和 LCD(液晶顯示器 )。這兩種顯示器配置靈活，與控制器接口方便。發(fā)光二極管顯示器的成本較低，顯示的亮度較大。所以本測(cè)溫儀采用發(fā)光二極管顯示器。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 對(duì)多個(gè)八段 LED數(shù)碼管的接口方法主要有兩種：動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)法和靜態(tài)驅(qū)動(dòng)法。動(dòng)態(tài)顯示是把需要顯示的字符的各字段斷續(xù)通過(guò)電流，因而其發(fā)光是不連續(xù)的。使用動(dòng)態(tài)顯示法時(shí)，在每點(diǎn)亮一個(gè)顯示器之后，必須