基于C5402DSP和DS18B20实现PID温度控制系统的设计

作者：肖洪兵，李冬梅，李朝晖

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TMS320C5402DSP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

TX0STM#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

RXSTM#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

STLA，TMP

PORTWTMP，7H

STM#PCR0，SPSA0

LDMcBSP0，A

AND#0001H，A

BCRX1，ANEQ

RSBXC

BRX2

RX1SSBXC

RX2RORB

LD#02H，A

STLA，TMP

PORTWTMP，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:SSBXFRCT;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

STHA，＊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

ADDA，@yn，A

STHA，@yn;保存y（n）

PORTW@yn，PA1

RET

4 结语

在过去的设计中我们选用了80C51MCU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TMS320C5402DSP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。

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