基于DSP處理器的光纖高溫測量儀的設(shè)計(jì)

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)過程中測控的重要參數(shù)，溫度過高或過低都會(huì)對產(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)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，采用比色法原理進(jìn)行測溫的光纖高溫測量儀，具有測量精度高、溫度響應(yīng)速度快、抗電磁干擾、信號損耗少、體積小等優(yōu)點(diǎn)，能有效減小被測物體的發(fā)射率變化、環(huán)境干擾、器件老化等因素帶來的測量誤差，因此，在高溫測量領(lǐng)域，光纖測溫儀得到廣泛的應(yīng)用[2]。

　　目前，光纖高溫測量儀通常采用單片機(jī)對數(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，其信號處理的算法比較簡單，因此容易造成測量精度的降低。當(dāng)要建立較為完善的信號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)測溫就有困難。

　　近年來，隨著DSP技術(shù)的廣泛應(yīng)用，DSP芯片也運(yùn)用到光纖高溫測量儀中，對大量的現(xiàn)場數(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)的光纖高溫測量儀主要是針對高精度快速測量高溫的需要而開發(fā)的。

　　2 硬件結(jié)構(gòu)

　　光纖高溫測量儀由光學(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、信號放大器、信號處理與顯示打印輸出等部分。

　　圖1 測溫儀的結(jié)構(gòu)框圖

　　在光路部分設(shè)計(jì)中，為了保證采樣轉(zhuǎn)換后的信號是平行的，應(yīng)盡量使兩路光路保持對稱。同時(shí)，還應(yīng)該使光路信號不受干擾和衰減，以保證轉(zhuǎn)換成電信號后有較強(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開發(fā)系統(tǒng)。CCS2.0代碼調(diào)試器是一種針對標(biāo)準(zhǔn)TMS320調(diào)試接口的集成開發(fā)環(huán)境IDE[4,5]。

　　光纖高溫測量儀的軟件設(shè)計(jì)主要是將前向通道采集到的一對高溫物體輻射出的不同波長能量的模擬電壓信號，采用AD轉(zhuǎn)換程序并行的轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后經(jīng)過濾波和數(shù)據(jù)處理程序擬合成溫度值后顯示或打印出來。其中，可以對溫度范圍做出限制，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TMS320F2812進(jìn)行一些初始化操作，以及調(diào)用其它子程序來構(gòu)成一個(gè)功能程序；中斷程序主要是用來對按鍵進(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為波長的轉(zhuǎn)換值，U2為波長 的轉(zhuǎn)換值。根據(jù)測溫原理，可知 與T的關(guān)系為：式中的A、B、C三個(gè)系數(shù)將通過轉(zhuǎn)換得到的R(T)與用溫度計(jì)實(shí)測的T的數(shù)據(jù)對照表經(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來驅(qū)動(dòng)8位LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。HD7279A采用串行接口，無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/CS變?yōu)榈碗娖胶?，DATA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TMS320F2812芯片的8位通用I/O口并行地送給打印機(jī)，并通過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。

　　光纖高溫測量儀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)測溫度是否超過設(shè)定值）來確定接口電平的高低。由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境十分惡劣，單靠硬件濾波有時(shí)無法濾除干凈，必須加上軟件濾波來進(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

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