基于DSP的帶時間標(biāo)簽的溫度采集記錄儀的設(shè)計

摘要：為了提高產(chǎn)品熱處理爐的爐溫均勻性和穩(wěn)定性控制性能，通常要按照爐溫均勻性的檢測方法與標(biāo)準(zhǔn)對熱處理爐的爐溫均勻程度進行測定和記錄。為此，文中給出了以DSP為基礎(chǔ)，并通過具有時間標(biāo)簽的溫度監(jiān)控記錄儀來對爐溫進行測量與記錄的實現(xiàn)方法。通過該方法還可將具體的檢測數(shù)據(jù)記錄在FLASH閃存中以備后用。
關(guān)鍵詞：DSP；溫度監(jiān)控；自動測量；時間標(biāo)簽

O 引言
    自從20世紀(jì)70年代能源危機爆發(fā)以來，人們便逐漸意識到世界上的能源并不是取之不盡，用之不竭的。因此，如何應(yīng)用科學(xué)的方法，結(jié)合生產(chǎn)實踐，設(shè)計出低耗能、高產(chǎn)出、高效率的產(chǎn)品，已成為從業(yè)人員研究的重點。本文針對具體情況，給出了對冶金加熱爐爐溫控制系統(tǒng)進行溫度檢測和記錄的系統(tǒng)設(shè)計方法，以便為改善設(shè)備的性能提供數(shù)據(jù)依據(jù)，提高能源的利用率，減少產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

1 檢測系統(tǒng)的組成和功能
1．1 主要組成
    本檢測儀以DSP(TMS320LF2407A)作為系統(tǒng)的微控制器來實現(xiàn)系統(tǒng)信號的采集、通信、人機接口和檢測數(shù)據(jù)的存貯(掉電不丟失)等功能。本檢測儀的最大特點是可以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動信號采集并存貯數(shù)據(jù)，其中每個數(shù)據(jù)都有自己的時間標(biāo)簽，可供使用者隨時查詢和統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
    圖1所示是該溫度監(jiān)測儀的功能結(jié)構(gòu)框圖。圖中，該溫度監(jiān)測儀劃分為微控制器部分、人機接口、溫度傳感器信號處理電路、存貯器、實時時鐘和通信部分。

1．2 主要功能
    為了適應(yīng)溫控系統(tǒng)工作時間長，系統(tǒng)慣性大，無人值守等特點。本自動監(jiān)控記錄儀系統(tǒng)具有以下功能：
    首先是能精確檢測8路溫度值，并可對檢測值進行自動修正；監(jiān)測儀采用的TMS320LF2407A控制芯片具有豐富的內(nèi)部資源，其中所具有16通道lO位AD轉(zhuǎn)換通道，可大大簡化系統(tǒng)對外部硬件的擴展，提高系統(tǒng)的集成度和可靠性；
    其次，本檢測儀具有實時時鐘記錄和數(shù)據(jù)存儲功能。系統(tǒng)采用美信公司的實時時鐘芯片，可為系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)提供時間標(biāo)簽。系統(tǒng)定時采集數(shù)據(jù)后會附加時鐘標(biāo)志，然后存貯在存儲器中，以方便以后的隨時調(diào)出和查閱。
    第三，本檢測儀具有良好的人機接口。本系統(tǒng)的人機接口采用了鍵盤和液晶顯示，可完成按鍵的輸入，各手動功能的檢測，各項檢測數(shù)據(jù)的顯示以及與PC機的通信等。
    最后就是與上位PC機的通信功能。本檢測儀通過RS485通信方式與上位機進行必要的通信。當(dāng)上位機需要調(diào)用某些數(shù)據(jù)時，檢測儀將定位該數(shù)據(jù)并立刻上傳。同時通信方式也為實現(xiàn)DCS系統(tǒng)的控制提供了可能，它可由多臺檢測儀和一臺工控機實現(xiàn)DCS控制網(wǎng)絡(luò)。

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2 主要硬件設(shè)計
2．1 A／D前端信號調(diào)理電路
    因為從熱電耦過來的信號為0～5 V的電壓信號，而DSP的A／D采樣信號范圍只能在0～3．3 V之間。所以，在輸入到DSP的A／D電路之前必須經(jīng)過信號調(diào)理，其調(diào)理電路如圖2所示。圖中，運算放大器Ul構(gòu)成電壓跟隨器，可提高信號的驅(qū)動能力和精度。R1，R2可組成簡單的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)。其中二極管D1和D2的作用是對DSP的MD進行輸入電壓的限幅鉗位保護。當(dāng)輸入A／D采樣電壓高于3．3 V時，二極管D1導(dǎo)通，而使輸入電壓始終不得高于3．3 V，同樣的，當(dāng)?shù)陀贠V時，二極管D2導(dǎo)通，其輸入電壓也始終不得低于O V，從而將輸入到AD的電壓限制在被允許的范圍之內(nèi)。

2．2 實時時鐘接口電路
    為了使檢測儀能自動地記錄數(shù)據(jù)。并提供數(shù)據(jù)的采集時間以供使用者參考。本系統(tǒng)采用美信公司生產(chǎn)的新型實時時鐘芯片M14ST95Y／W，并采用SPI通信協(xié)議方式，來減少對系統(tǒng)的端口資源占用，SPI通信只占用系統(tǒng)的SCL、SDI、SDO、片選功能E端以及定時中斷信號IRQ。表l所列是M14ST95Y／W的引腳功能，圖3為其引腳排列圖，M14ST95Y／W內(nèi)部集成有時鐘晶振。同時具有低電壓保護功能的電壓比較器，當(dāng)系統(tǒng)供電電壓處于低壓狀態(tài)(內(nèi)部集成1．25V電壓比較器)時，系統(tǒng)會自動轉(zhuǎn)入后備電源供電，并在此狀態(tài)下啟動寫保護功能，以防止控制器在欠電壓運行狀態(tài)下對實時時鐘的錯誤修改。此外，該芯片還具有看門狗實時復(fù)位電路。所以，這款實時時鐘芯片資源豐富，功能強大，所需外部分立元件少，可以提高系統(tǒng)的可靠性。

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    本檢測儀中的DSP與實時時鐘芯片的連接圖如圖4所示。

2．3 DSP與FLASH貯存器的連接
    Flash存儲器又稱閃存，它結(jié)合了ROM和RAM的特點，不僅具備電子可擦除可編程(EEPROM)功能，而且斷電不會丟失數(shù)據(jù)，同時又能快速讀取數(shù)據(jù)，具有可在線電擦寫、低功耗、大容量、擦寫速度快等特點。屬于EEPROM的改進產(chǎn)品。AM29LV800B是AMD公司的一種Flash存儲器件，其訪問時間為90 ns；存儲容量為8 Mbit；工作溫度范圍為-55～+125℃；在線編程電壓為3．0～3．6V；而且功耗低；讀操作時的電流為7m-A，編程／擦除時的電流為15 mA。圖5為DSP與AM29LV800B的連接電路圖。

2．4 人機接口
    本系統(tǒng)的人機接口部分主要由DSP與液晶的連接電路和按鍵掃描電路組成。根據(jù)TMS320LF2407A的I／O口資源利用情況。本設(shè)計的液晶顯示采用并行I／O口實現(xiàn)顯示控制；又由于按鍵鍵盤所需不多，故采用普通的矩陣掃描式鍵盤結(jié)構(gòu)。由于其硬件實現(xiàn)比較簡單，因此，在此就不列出詳細的電路了。

3 檢測儀軟件設(shè)計
    根據(jù)以上功能，可以將本系統(tǒng)的程序分為系統(tǒng)初始化、按鍵處理程序、液晶顯示程序、數(shù)據(jù)采集中斷程序、數(shù)據(jù)保存程序和通信程序等幾個部分。[!--empirenews.page--]
3．1 系統(tǒng)主程序設(shè)計
    系統(tǒng)中的DSP運行主程序流程圖如圖6所示。該程序主要完成系統(tǒng)的初始化、初次上電系統(tǒng)自我故障檢測(包括各個溫度傳感器是否正常，AD采樣值是否正常)，同時完成鍵盤和顯示的人機接口等功能，

3．2 定時采樣程序設(shè)計
    定時采樣程序是檢測儀的關(guān)鍵功能程序，主要完成對各個檢測點溫度的定時采集，同時將讀取采樣時的時鐘標(biāo)簽一同記錄到外部的FLASH存貯器中。其具體的采樣程序流程圖如圖7所示。

4 結(jié)束語
    該檢測記錄儀經(jīng)測試證明，能自動采集監(jiān)測點的溫度，并具有良好的人際交互界面，同時可實現(xiàn)具有時間標(biāo)簽的數(shù)據(jù)采集和存貯，便于用戶對生產(chǎn)產(chǎn)品熱處理過程中的溫度效果和工作情況進行分析和跟蹤，及時調(diào)整控制策略，提高產(chǎn)品質(zhì)量并節(jié)省生產(chǎn)成本。