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[導讀]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)內同時實現(xiàn)信號與控制兩種

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

 ?。?)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)[!--empirenews.page--]

  經典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)—調節(jié)器的輸出信號

  e(t) —調節(jié)器的偏差信號,它等于給定值與測量值之差

  KP—調節(jié)器的比例系數(shù)

  TI—調節(jié)器的積分系數(shù)

  TD—調節(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,程序實現(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。

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