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1 系統組成 系統采用Pt100作為敏感元件。溫度調理芯片AD7711對其施加激勵電流,Pt100兩端的電壓差分輸入AD7711,經濾波、放大、A／D后,串行送至TMS320F240。TMS320F240在計數器周期中斷的控制下以一定的頻率讀取溫度的A／D碼,并進行數字濾波得到溫度數據。控制器TMS320F240在接收到串口的控溫指令和溫度數據后,把采集到的實時溫度與控溫要求的溫度相比較進行PID計算得出控制量,用該控制量去控制主電路的電流方向和PWM輸出。電流方向決定對控溫對象加熱還是制冷,PWM的輸出經光耦隔離去驅動功率MOSFET從而達到控制熱電模塊加熱或調節制冷功率的目的。PID參數也可以通過串行口進行實時修改。 1．1 測溫電路 測溫的敏感元件為Pt100,溫度調理芯片為AD7711,濾波器設定的截止頻率為100Hz,可編程運算放大器設定64倍,A／D轉換設定為16位,該芯片以串行方式在微處理器的控制下工作。處理器對AD7711讀數的頻率為20Hz,該采樣頻率在處理器定時器T3周期中斷的控制下采樣溫度,并在該中斷處理中調用PID處理函數,計算控制量。 1．2 微處理器電路 DSP有三個通用定時器,12路PWM輸出,四路捕獲單元,一個正交編碼脈沖電路,以上片內外設都有相應的中斷向量入口地址。 該控制器具有完整的晶振、復位電路,通常在電阻電容復位方式的基礎上加上門電路驅動以保證復位可靠。對于DSP的上電復位,用引腳RS(35)或PORESET（41）都可以。外擴16KRAM在調試時下載程序,RAM片選線應接外部程序片選線PS（131）,讀寫片選線分別接W/R和WE(1)。 F240的事件管理（EVM）有三個通用定時器,作為PWM工作的時間基準。PWM7～9是三個比較單元的輸出,設計中選用T2為時基;計數方式采用連續增減計數模式,T2起三角波發生器的作用。T3定時器控制溫度采樣、PID計算的頻率;PID計算結果與T2的三角波數據比較,輸出PWM7／8／9去控制三路熱電模塊。 DSP用一片MAX232來完成電平轉換,與PC串口相連（三線方式）。對于DB9串口,5腳公用地直接相連,用以發送、接收的3、2腳交叉相連。 1．3 主電路 電路工作時,主橋臂4個MOSFET控制熱電模塊電流方向,從而控制對溫控對象加熱還是制冷。經溫度PID計算后,給定的三路PWM輸出波經光耦、MOS－FET驅動器,去控制各支路的功率強度;三路之間的脈寬相對關系相對控溫對象沿長度方向上的溫度均一性進行調整。 2 軟件 2．1 DSP中斷的使用 TMS320F240的中斷向量表位于0000～003F地址,每個中斷占兩個字的空間,所以中斷號N的中斷入口地址為N＊2。當中斷發生時,程序作相應的環境保護后,跳轉至相應的中斷入口地址。在該中斷地址燒寫跳轉至中斷處理函數的語句,如：“B_c_int3”。可以單獨建一中斷向量表跳轉匯編文件,并以指令“． sect″．vecs″”將該文件的內容匯編至vecs段,在cmd文件中將vecs段裝載入程序區（PAGE0）的0000開始的地址。完成上述操作后,當中斷發生時就可以跳轉入中斷處理函數進行處理。為了使中斷能發生,需要打開相應中斷源的屏蔽位。F240中的可屏蔽硬件中斷的屏蔽位有三級：一位于ST0中的INTM位,用以屏蔽所有可屏蔽硬件中斷,二位于數據存儲區0004地址的IMR,用以屏蔽INT1～INT6,三位于片內外設的具體事件控制寄存器中。例如,希望串口接收PC數據中斷發生： 2．2 PID計算輸出控制 加熱及致冷元件采用Peltier原理的半導體熱電模塊。該模塊在一定電流下,一端面加熱另一端面制冷,當電流反向時,冷熱面互換。由于執行元件本身的非線性特點,隨溫差增大有效輸出功率急劇變化。假定外界散熱良好,即溫差的一端為恒溫,儀器運行在不同的控溫點時考慮采用不同的PID參數,設計中分段采用幾組不同的參數。輸出控制量F為PID各環節分別計算的控制量之和：F＝fp＋fi＋fd。－1≤F≤1,｜F｜對應PWM的占空比。F＜0主電路MOS3、MOS4導通,電流反向;F＞0主電路MOS1、MOS2導通,電流正向。設置定時器3的周期中斷50ms作為PID調節頻率。 2．3 PWM電路的使用 設置完計數器、比較值、端口電平有效性后,啟動計數器T2;當計數器與比較值相等時,端口輸出電平作相應變化。經PID計算不斷改變比較匹配值SCM－PR1／2／3便輸出相應的PWM波。在程序中用initp－wm789（）完成PWM初始化后,即可用setpwm789（）來進行PWM。 2．4 DSP和PC通信格式 本設計的波特率為4800、幀格式為8個數據位、一個停止位。設計給出每個指令起始位、長度及和檢驗的協議。在傳輸中所有指令的長度為8個字節,兩個連續的十六進制數0xfe、0xfe表示一條新命令行的開始,第三個字節說明指令類型,接著四個字節是指令內容,最后一個字節是該條指令第3個字節到第7個字節的累加和,對于溢出部分不予考慮,只用累加和的低8位校驗。本設計中DSP向PC主機發送的指令共9種,由每條指令的第三個字節指定（表1,表2）。當傳輸的參數是浮點數時,發送方將其轉為整數發送,接收方也作相應的處理。 3 控溫效果 圖3是對500g銅制生物樣品座20℃→70℃→20℃→70℃的控溫曲線。溫度超調量小于0．7℃,控制精度±0．15℃,升降溫速度2℃／秒。 4 結束語 控溫系統通過上位機下傳控溫點或控溫曲線及計算參數,系統設置靈活,控溫功能豐富。控制中用PID計算進行PWM控制,可達±0．15℃的精確控溫,同時保證較高的升降溫速度和較小的超調量。研制的儀器運行穩定、可靠。 |
