基于DSP處理器的光纖高溫測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)方案

1 引言

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中測(cè)控的重要參數(shù)，溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量造成影響，甚至使產(chǎn)品報(bào)廢、設(shè)備損壞。因此，溫度的測(cè)量和控制具有十分重要的作用[1]，在冶金、化工等領(lǐng)域，高溫測(cè)量占有極其重要的地位。

光纖傳感技術(shù)是繼光纖成功地用于通訊之后發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，采用比色法原理進(jìn)行測(cè)溫的光纖高溫測(cè)量?jī)x，具有測(cè)量精度高、溫度響應(yīng)速度快、抗電磁干擾、信號(hào)損耗少、體積小等優(yōu)點(diǎn)，能有效減小被測(cè)物體的發(fā)射率變化、環(huán)境干擾、器件老化等因素帶來(lái)的測(cè)量誤差，因此，在高溫測(cè)量領(lǐng)域，光纖測(cè)溫儀得到廣泛的應(yīng)用[2]。

目前，光纖高溫測(cè)量?jī)x通常采用單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到溫度值。由于單片機(jī)數(shù)據(jù)處理能力不足，其信號(hào)處理的算法比較簡(jiǎn)單，因此容易造成測(cè)量精度的降低。當(dāng)要建立較為完善的信號(hào)處理算法以提高精度時(shí)，例如線性補(bǔ)償、修正發(fā)射系數(shù)等，面對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜快速的處理，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)溫就有困難。

近年來(lái)，隨著DSP技術(shù)的廣泛應(yīng)用，DSP芯片也運(yùn)用到光纖高溫測(cè)量?jī)x中，對(duì)大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理。DSP芯片的使用大大提高了數(shù)據(jù)處理的能力，從而使儀器的響應(yīng)速度得到提高。本文所設(shè)計(jì)的光纖高溫測(cè)量?jī)x主要是針對(duì)高精度快速測(cè)量高溫的需要而開(kāi)發(fā)的。

2 硬件結(jié)構(gòu)

光纖高溫測(cè)量?jī)x由光學(xué)部分和電路部分組成，如圖1所示，包括高溫探頭、光電轉(zhuǎn)換部分、信號(hào)放大器、信號(hào)處理與顯示打印輸出等部分。

圖1 測(cè)溫儀的結(jié)構(gòu)框圖

在光路部分設(shè)計(jì)中，為了保證采樣轉(zhuǎn)換后的信號(hào)是平行的，應(yīng)盡量使兩路光路保持對(duì)稱。同時(shí)，還應(yīng)該使光路信號(hào)不受干擾和衰減，以保證轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后有較強(qiáng)的和干凈的輸出。在電路部分設(shè)計(jì)中，要盡可能采用典型電路，電路中的相關(guān)器件性能必須匹配，擴(kuò)展器件較多時(shí)，要設(shè)置線路驅(qū)動(dòng)器。為確保儀器長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，必須采取相應(yīng)的抗干擾措施[3]。

一個(gè)基于DSP的儀器，硬件與軟件相互支持，缺一不可。本文重點(diǎn)介紹軟件設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)分析，我們采用TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320F2812作為處理器的核心，并輔以一些外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的功能要求。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)使用CCS2.0開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。CCS2.0代碼調(diào)試器是一種針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)TMS320調(diào)試接口的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE[4,5]。

光纖高溫測(cè)量?jī)x的軟件設(shè)計(jì)主要是將前向通道采集到的一對(duì)高溫物體輻射出的不同波長(zhǎng)能量的模擬電壓信號(hào)，采用AD轉(zhuǎn)換程序并行的轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后經(jīng)過(guò)濾波和數(shù)據(jù)處理程序擬合成溫度值后顯示或打印出來(lái)。其中，可以對(duì)溫度范圍做出限制，若實(shí)際溫度超出設(shè)定范圍，則引發(fā)報(bào)警，同時(shí)顯示“HHH”標(biāo)志。鍵盤操作由中斷程序進(jìn)行響應(yīng)。中斷程序流程圖如圖2所示，主程序流程圖如圖3所示。主程序主要是對(duì)TMS320F2812進(jìn)行一些初始化操作，以及調(diào)用其它子程序來(lái)構(gòu)成一個(gè)功能程序；中斷程序主要是用來(lái)對(duì)按鍵進(jìn)行響應(yīng)操作的。

圖2 中斷程序流程圖

AD轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)

從前向通道采樣到的一組并行模擬信號(hào)輸入到TMS320F2812芯片中的ADC模塊進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，流程圖如圖4所示。為了保證兩路并行信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間保持同步，采用并發(fā)采樣模式。AD轉(zhuǎn)換后，得到兩個(gè)數(shù)字量U1和U2，其中U1為波長(zhǎng) 的轉(zhuǎn)換值，U2為波長(zhǎng) 的轉(zhuǎn)換值。根據(jù)測(cè)溫原理，可知 與T的關(guān)系為： 式中的A、B、C三個(gè)系數(shù)將通過(guò)轉(zhuǎn)換得到的R(T)與用溫度計(jì)實(shí)測(cè)的T的數(shù)據(jù)對(duì)照表經(jīng)最小二乘法擬合曲線獲得。

圖3 主程序流程圖 圖4 AD轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理程序流程圖

顯示程序設(shè)計(jì)

顯示器采用芯片HD7279A來(lái)驅(qū)動(dòng)8位LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。HD7279A采用串行接口，無(wú)需外圍元件可直接驅(qū)動(dòng)LED。串行數(shù)據(jù)從DATA引腳送入芯片，并由CLK端同步，當(dāng)片選信號(hào)/CS變?yōu)榈碗娖胶螅珼ATA引腳上的數(shù)據(jù)在CLK引腳的上升沿被寫入HD7279A的緩沖寄存器，然后不停的將緩沖寄存器中保存的數(shù)據(jù)輸出，驅(qū)動(dòng)LED顯示。流程圖如圖5所示。

打印程序設(shè)計(jì)

采用SPRM系列微型熱敏打印機(jī)作為打印輸出。該打印機(jī)除了提供傳統(tǒng)的ESC打印命令外，還提供漢字打印控制命令。采用并行接口設(shè)計(jì)，打印程序較串口更簡(jiǎn)單一些。初始化打印機(jī)后，程序判斷打印機(jī)是否“忙”，若“忙”，則等待，直至打印機(jī)“不忙”時(shí)，才能將需要打印的字符或數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)TMS320F2812芯片的8位通用I/O口并行地送給打印機(jī)，并通過(guò)STB口告知打印機(jī)該段數(shù)據(jù)已發(fā)送可以接收后，打印機(jī)才可以讀并口數(shù)據(jù)并打印輸出。流程圖如圖6所示。

光纖高溫測(cè)量?jī)x除了上述介紹的程序外，還有一些其它程序，如：最小二乘法擬合曲線程序、報(bào)警程序、濾波程序等。報(bào)警程序主要是控制報(bào)警接口的電平，根據(jù)報(bào)警條件（即實(shí)測(cè)溫度是否超過(guò)設(shè)定值）來(lái)確定接口電平的高低。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境十分惡劣，單靠硬件濾波有時(shí)無(wú)法濾除干凈，必須加上軟件濾波來(lái)進(jìn)一步清除噪聲，提高儀器的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力[6]。

圖5 顯示程序流程圖 圖6 打印程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，本系統(tǒng)響應(yīng)速度快（響應(yīng)時(shí)間小于15ms）、使用壽命長(zhǎng)、抗電磁干擾、靈敏度高，測(cè)溫范圍為750~1500度。通過(guò)軟件調(diào)整，能夠完成許多特殊環(huán)境下的在線測(cè)量。DSP芯片用于高溫測(cè)量，可充分發(fā)揮其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，提高測(cè)量的實(shí)時(shí)性，在傳統(tǒng)的高溫測(cè)量領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景。