基于C5402DSP和DS18B20實(shí)現(xiàn)PID溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

作者：肖洪兵，李冬梅，李朝暉

1 C5402DSP的應(yīng)用特點(diǎn)

盡管從一般意義上講，基于MCU（單片機(jī)）與DSP（數(shù)字信號處理器）這兩類器件的系統(tǒng)都有各自的用途，但現(xiàn)在很多新興的嵌入式應(yīng)用，尤其是那些大型的復(fù)雜系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)同時實(shí)現(xiàn)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(tǒng)中，將DSP應(yīng)用到MCU的應(yīng)用場合，取得了較好的控制效果。隨著DSP（數(shù)字信號處理器）制造技術(shù)的發(fā)展，其成本已經(jīng)下降到較低水平;而DSP的處理速度可滿足控制的實(shí)時性需求。本設(shè)計中選用了性價比高、運(yùn)算能力強(qiáng)、實(shí)時性好的TMS320C5402DSP來實(shí)現(xiàn)PID溫度控制算法。C5402DSP相對于單片機(jī)的主要優(yōu)勢在于：首先，C5402DSP采用的是哈佛結(jié)構(gòu)，有多組總線分別連接到程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間結(jié)構(gòu)，片內(nèi)有三組16bit數(shù)據(jù)總線CB、DB、EB和一組程序總線PB以及對應(yīng)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(nèi)完成乘、加運(yùn)算各一次，運(yùn)算能力很強(qiáng);還有，采用了流水線技術(shù)，指令具有6級流水線，相對于單片機(jī)而言，速度大大提高;另外，還具有串行口和并行口等外設(shè)，可滿足控制的輸入輸出要求。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與工作原理

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。本設(shè)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(zhuǎn)入相應(yīng)處理;否則根據(jù)所要求的標(biāo)準(zhǔn)溫度值計算采集溫度與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差e（n），轉(zhuǎn)入PID算法程序進(jìn)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(jìn)行工作，達(dá)到控溫的效果。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖

3 軟件設(shè)計

本設(shè)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(shù)據(jù)線相連，對現(xiàn)場溫度進(jìn)行采集，DSP芯片TMS320C5402通過串口0讀出采集到的溫度并對它進(jìn)行濾波處理;通過串口1寫中斷，調(diào)用顯示程序進(jìn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)

經(jīng)典PID控制算法的表達(dá)式為：

y（t）=KP＊［e（t）+1/TI＊∫e（t）dt+TD＊de（t）/dt］（3.1）

式中：

y（t）—調(diào)節(jié)器的輸出信號

e（t）—調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于給定值與測量值之差

KP—調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)

TI—調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)

TD—調(diào)節(jié)器的微分時間

為了用DSP實(shí)現(xiàn)上式，必須將其離散化，用數(shù)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(shí)現(xiàn);所以，該式成為PID算法在DSP上實(shí)現(xiàn)的依據(jù)。

在C5402DSP上實(shí)現(xiàn)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(shù)更新等。這些功能在DSP上實(shí)現(xiàn)較之單片機(jī)而言，顯得非常方便。

在DSP上實(shí)現(xiàn)的程序代碼如下。

（1）PID初始化

startpid:SSBXFRCT;小數(shù)方式標(biāo)志位

STM#en+1，AR1;取e（n-1）地址送AR1

RPT#1;重復(fù)2次

MVPD#table，＊AR1+;傳送初始數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)y（n-1））

STM#Kpid，AR1

RPT#2;重復(fù)3次

MVPD#table+3，＊AR1+;傳送初始數(shù)據(jù)d2，d1，d0

（2）PID算法程序

STM#en，AR1;取e（n）地址送AR1

LD@Tx，A;調(diào)入溫度值

SUB#TSTD，A;計算溫度值與標(biāo)準(zhǔn)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(jié)語

在過去的設(shè)計中我們選用了80C51MCU實(shí)現(xiàn)了PID溫度控制，但由于單片機(jī)的運(yùn)算功能較差，程序?qū)崿F(xiàn)的效率不夠高，實(shí)時性不好。本設(shè)計中由于選用了性價比高、運(yùn)算能力強(qiáng)、實(shí)時性好的TMS320C5402DSP來實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)中增加或擴(kuò)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(jié)構(gòu)也增加了像集成的外圍設(shè)備、可編程的外部芯片選擇連線、中斷驅(qū)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(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)，可能不會再明確地區(qū)分DSP應(yīng)用還是MCU應(yīng)用。因此，DSP與MCU融合的時代即將到來。

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