摘 要：與通常在嵌入式測控系統(tǒng)中采用MCU（單片機）相比，TMS320C5402 DSP的運算和數(shù)據(jù)處理能力強、實時性好，在本設(shè)計中實現(xiàn)了較理想的PID溫度控制效果；而且，文中給出了在TMS320C5402 DSP上實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集程序和PID算法程序的代碼。 關(guān)鍵詞：MCU PID DSP 溫度 1 C5402DSP的應(yīng)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(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時性需求。本設(shè)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(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、加運算各一次，運算能力很強;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。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖[/align] 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 　?。?）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。 　　（1）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(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 　?。?）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(jié)語 　　在過去的設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)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(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。 參考文獻 　　[1] 戴明楨,周建江. TMS320C54x DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M]. 北京:北京航空航天大學出版社, 2001 　　[2] 潘新民，王燕芳. 單片微型機算機實用系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京:人民郵電出版社, 1996 　　[3] 肖洪兵等.跟我學用單片機[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002