TMS320C5402 DSP在嵌入式测控系统中的应用

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    摘  要：与通常在嵌入式测控系统中采用MCU（单片机）相比，TMS320C5402 DSP的运算和数据处理能力强、实时性好，在本设计中实现了较理想的PID温度控制效果；而且，文中给出了在TMS320C5402 DSP上实现的数据采集程序和PID算法程序的代码。

关键词：MCU PID DSP 温度
1 C5402DSP的应用特点
　　尽管从一般意义上讲， 基于MCU（单片机）与DSP（数字信号处理器）这两类器件的系统都有各自的用途，但现在很多新兴的嵌入式应用，尤其是那些大型的复杂系统，在系统内同时实现信号与控制两种处理，它们既需要DSP的功能又需要MCU的功能。笔者正是基于这种尝试，在PID温度控制系统中，将DSP 应用到MCU的应用场合，取得了较好的控制效果。随着DSP（数字信号处理器）制造技术的发展，其成本已经下降到较低水平;而DSP的处理速度可满足控制的实时性需求。本设计中选用了性价比高、运算能力强、实时性好的TMS320C5402 DSP来实现PID温度控制算法。C5402DSP相对于单片机的主要优势在于：首先，C5402DSP采用的是哈佛结构，有多组总线分别连接到程序存储空间和数据存储空间结构，片内有三组16bit数据总线CB、DB、EB和一组程序总线PB以及对应的4组地址线CBA、DBA、EBA、PBA;其次，具有硬件乘加器，包括一个17＊17bit乘法器和一个40bit专用加法器，可以在单周期内完成乘、加运算各一次，运算能力很强;还有，采用了流水线技术，指令具有6级流水线，相对于单片机而言，速度大大提高;另外，还具有串行口和并行口等外设，可满足控制的输入输出要求。
2 系统硬件结构与工作原理
　　系统的硬件结构如图1所示。本设计主要分为温度采集和PID控制两部分。DSP检查所得温度是否超过上下限值，若超过则报警并转入相应处理;否则根据所要求的标准温度值计算采集温度与标准值的偏差e（n），转入PID算法程序进行处理，得到输出控制信号y（n），通过y（n）来控制加热/降温装置进行工作，达到控温的效果。




图1 系统结构原理框图

3 软件设计
　　本设计主要包括主程序、温度采集子程序、上下限温度值查询子程序、PID子程序等。其中，温度采集子程序和PID子程序是核心，本文将着重介绍。
　　3.1 温度采集程序
　　DSP芯片通过串口0与单总线温度传感器DS18B20的数据线相连，对现场温度进行采集，DSP芯片TMS320C5402通过串口0读出采集到的温度并对它进行滤波处理;通过串口1写中断，调用显示程序进行温度显示。为便于读者参考，下面给出DS18B20的DSP温度读写程序。
　　（1）DSP写数据子程序
　　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读数据子程序
　　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上的实现
　　经典PID控制算法的表达式为：
　　y（t）=KP＊[e（t）+1/ TI ＊∫e （t）dt+td ＊de（t）/dt] （3.1）
　　式中：
　　y（t）—调节器的输出信号
　　e（t） —调节器的偏差信号，它等于给定值与测量值之差
　　KP—调节器的比例系数
　　TI—调节器的积分系数
　　td—调节器的微分时间
　　为了用DSP实现上式，必须将其离散化，用数字形式描述为：
　　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—采样周期
　　e （n） —第n次采样的偏差;
　　e（n-1） —第n-1次采样时的偏差;
　　e（n-2） —第n-2次采样时的偏差。
　　由式（3.2）可知，要计算第n次输出值y（n），只要知道y（n-1），e（n）、e（n-1）、e（n-2）即可。
　　式（3.2）还可以表示为下式：
　　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
　　将式（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具有专门的乘加指令，在DSP上非常容易实现;所以，该式成为PID算法在DSP上实现的依据。
　　在C5402DSP上实现的PID算法程序包括：PID各参量的初始化，计算偏差值e（n），PID算法处理，e（n） 、y（n）参数更新等。这些功能在DSP上实现较之单片机而言，显得非常方便。
　　在DSP上实现的程序代码如下。
　　（1）PID初始化
　　startpid: SSBX FRCT ;小数方式标志位
　　STM #en+1, AR1 ;取e（n-1）地址送AR1
　　RPT #1 ;重复2次
　　MVPD #table,＊AR1+ ;传送初始数据e（n-2）,e（n-1）
　　STM #yn, AR1 ;取y（n-1）地址送AR1
　　MVPD #table+2,＊AR1 ;传送初始数据y（n-1））
　　STM #Kpid,AR1
　　RPT #2 ;重复3次
　　MVPD #table+3,＊AR1+ ;传送初始数据d2,d1,d0
　　（2）PID算法程序
　　STM #en, AR1 ;取e（n）地址送AR1
　　LD @Tx, A ;调入温度值
　　SUB #TStd, A ;计算温度值与标准值的偏差
　　STH A, ＊AR1+ ;输入偏差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 结语
　　在过去的设计中我们选用了80C51 MCU实现了PID温度控制，但由于单片机的运算功能较差，程序实现的效率不够高，实时性不好。本设计中由于选用了性价比高、运算能力强、实时性好的TMS320C5402 DSP来实现PID温度控制算法，取得了较好的控制效果。目前，许多MCU制造厂家在它们的体系结构中增加或扩充了各种 DSP 功能，例如增加了 MAC（乘法累加）指令等。同样，一些 DSP 体系结构也增加了像集成的外围设备、可编程的外部芯片选择连线、中断驱动的 I/O、定时器以及较大的外部存储器等功能部件。将来，对复杂的应用系统，可能不会再明确地区分DSP应用还是MCU应用。因此，DSP与MCU融合的时代即将到来。
参考文献
　　[1] 戴明桢,周建江. TMS320C54x DSP结构、原理及应用[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2001
　　[2] 潘新民，王燕芳. 单片微型机算机实用系统设计[M]. 北京:人民邮电出版社, 1996
　　[3] 肖洪兵等.跟我学用单片机[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002
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