TMS320C5402 DSP在嵌入式測控系統(tǒng)中的應用

1 C5402DSP的應用特點

　　盡管從一般意義上講， 基于MCU（單片機）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用，尤其是那些大型的復雜系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)同時實現(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 應用到MCU的應用場合，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時性需求。本設計中選用了性價比高、運算能力強、實時性好的TMS320C5402 DSP來實現(xiàn)PID溫度控制算法。C5402DSP相對于單片機的主要優(yōu)勢在于：首先，C5402DSP采用的是哈佛結構，有多組總線分別連接到程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間結構，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、加運算各一次，運算能力很強;還有，采用了流水線技術，指令具有6級流水線，相對于單片機而言，速度大大提高;另外，還具有串行口和并行口等外設，可滿足控制的輸入輸出要求。

2 系統(tǒng)硬件結構與工作原理

　　系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示。本設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)入相應處理;否則根據(jù)所要求的標準溫度值計算采集溫度與標準值的偏差e（n），轉(zhuǎn)入PID算法程序進行處理，得到輸出控制信號y（n），通過y（n）來控制加熱/降溫裝置進行工作，達到控溫的效果。

圖1 系統(tǒng)結構原理框圖

3 軟件設計

　　本設計主要包括主程序、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)場溫度進行采集，DSP芯片TMS320C5402通過串口0讀出采集到的溫度并對它進行濾波處理;通過串口1寫中斷，調(diào)用顯示程序進行溫度顯示。為便于讀者參考，下面給出DS18B20的DSP溫度讀寫程序。

　?。?）DSP寫數(shù)據(jù)子程序

　　TX0 STM #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

　　RX STM #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

　　STL A,TMP

　　PORTW TMP,7H

　　STM #PCR0,SPSA0

　　LD McBSP0,A

　　AND #0001H,A

　　BC RX1, ANEQ

　　RSBX C

　　B RX2

　　RX1 SSBX C

　　RX2 ROR B

　　LD #02H,A

　　STL A,TMP

　　PORTW TMP,7H

　　RET

　　3.2 PID算法在DSP上的實現(xiàn)

　　經(jīng)典PID控制算法的表達式為：

　　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上非常容易實現(xiàn);所以，該式成為PID算法在DSP上實現(xiàn)的依據(jù)。

　　在C5402DSP上實現(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上實現(xiàn)較之單片機而言，顯得非常方便。

　　在DSP上實現(xiàn)的程序代碼如下。

　?。?）PID初始化

　　startpid: SSBX FRCT ;小數(shù)方式標志位

　　STM #en+1, AR1 ;取e（n-1）地址送AR1

　　RPT #1 ;重復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3次

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

　?。?）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 ;計算溫度值與標準值的偏差

　　STH A, ＊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

　　ADD A, @yn, A

　　STH A, @yn ;保存y（n）

　　PORTW @yn, PA1

　　RET

4 結語

　　在過去的設計中我們選用了80C51 MCU實現(xiàn)了PID溫度控制，但由于單片機的運算功能較差，程序?qū)崿F(xiàn)的效率不夠高，實時性不好。本設計中由于選用了性價比高、運算能力強、實時性好的TMS320C5402 DSP來實現(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構中增加或擴充了各種 DSP 功能，例如增加了 MAC（乘法累加）指令等。同樣，一些 DSP 體系結構也增加了像集成的外圍設備、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，對復雜的應用系統(tǒng)，可能不會再明確地區(qū)分DSP應用還是MCU應用。因此，DSP與MCU融合的時代即將到來。