基于DSP的多路溫度采集系統硬件電路設計

蔡永橋,王繼耕,周正權

(中海油能源發展股份有限公司 油田建設工程分公司海管技術服務中心，天津300452)

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工業生產中的一個重要參數[1]。傳統的方式是采用熱電偶或熱電阻[2]，但是由于模擬溫度傳感器輸出的是模擬信號，必須經過轉換環節獲得數字信號后才能與單片機等微處理器接口，使得硬件電路結構復雜，制作成本較高[3]。本文采用LM35溫度傳感器進行溫度采集，LM35系列是精密集成電路溫度傳感器，其輸出電壓與攝氏溫度成線性正比。因此，LM35比按絕對溫標校準的線性溫度傳感器性能優越得多。本文利用DSP內部的12位模/數轉換器（ADC）來實現LM35溫度傳感器的模擬電壓信號轉換，不需要外擴模/數轉換器，LM35溫度傳感器輸出的電壓范圍在DSP模/數轉換器輸入電壓范圍內(0～3 V),不需要對LM35輸出的電壓信號進行處理,可直接與DSP的ADC接口連接，這樣降低了電路的復雜程度和制作成本,同時能實現多路溫度信號的采集,精確度和實時性都比較高，能用于大多數的工農業溫度測量領域。

1 芯片介紹

TMS320F2812是TI公司生產的面向數字控制、運動控制領域的DSP芯片，它支持多項的高速實時算法，采用先進的哈佛結構，將程序和數據放在不同的存儲空間。TMS320F2812芯片采用了高性能的CMOS技術，CPU主頻高達 150 MHz，時鐘周期為 6.67 ns；采用低功耗設計，內核電壓為1.8 V，數字I/O口引腳電壓為3.3 V[4-5]。同時TMS320F2812的片內外設資源豐富，模擬量轉換為數字量的ADC采樣模塊理論精度為12 bit，具有16路輸入通道、兩個采樣保持器，有單一或者級聯兩種轉換模式，最高的轉換速率為12.5 MS/s。

LM35系列是精密集成電路溫度傳感器，其輸出的電壓線性地與攝氏溫度成正比。LM35系列傳感器生產制作時已經過校準，輸出電壓與攝氏溫度一一對應，使用極為方便。靈敏度為 10.0 mV/℃，精度為 0.4℃～0.8℃(-55℃～+150℃溫度范圍內),重復性好，低輸出阻抗，線性輸出和內部精密校準使其與讀出或控制電路接口簡單和方便，可單電源和正負電源工作。LM35電路設計簡單，在實際應用中安裝也相當簡便。

2 系統整體結構及硬件設計

2.1 多路溫度采集系統整體結構框圖

DSP模擬轉換器具有16通道,能實現16路溫度數據的順序采樣，本文只介紹3路溫度采集系統的硬件電路設計，其溫度采集系統框圖如圖1所示，該系統由4個部分組成：溫度采集電路、限幅電路、DSP模塊、執行單元。

圖1 多路溫度采集系統結構框圖

溫度傳感器把采集到的溫度數據轉換為電壓信號，電壓信號經過限幅電路送至DSP模塊進行處理運算，處理運算后的數據送至執行單元實現一定的功能。溫度傳感器主要實現溫度采集；限幅電路主要是防止溫度傳感器輸出電壓超過DSP模塊中ADC的最大輸入電壓而燒壞DSP芯片；DSP模塊主要實現多路數據的采集和轉換，并將轉換的數據輸出；執行單元主要是接收DSP采集的多路數據，并利用數據進行多種控制。

2.2 多路溫度采集系統硬件電路設計

溫度傳感器選擇LM35DZ,工作溫度范圍0℃～+100℃。LM35DZ的輸出電壓與攝氏溫度成線性關系，0℃時輸出為0 V,每升高1℃輸出電壓增加 10 mV[6]。由此可知，輸出電壓值為0 V～1 V，輸出電壓與溫度滿足關系：

式中，V為輸出電壓，單位為mV；T為溫度，單位為℃。

本文選用3個LM35DZ溫度傳感器，該傳感器有3個引腳，分別是輸入電壓輸入引腳、溫度信號輸出引腳和接地引腳。采用單電源工作，傳感器輸入電壓為5 V，電路設計相當簡單，其電路如圖2所示[6]。

圖2 溫度采集電路

為了保險起見，在輸入信號進入DSP的ADC端口時，最好加一個限幅電壓，以防止輸入電壓過大而導致DSP芯片損壞。本文限幅電路采用一個雙二極管，其電路如圖3所示。

由圖3可知，本文選擇的是飛凌公司的BAT68-04W，當輸入電壓超過3.3 V時，雙二極管上端導通，ADCINAx輸入引腳電壓變為3.3 V；當輸入電壓小于0 V時，雙二極管下端導通，ADCINAx輸入引腳電壓變為0 V，因此這個電路能夠將ADCINAx輸入引腳的電壓保持在0～3.3 V[4]。本文選擇3.3 V電壓是從工程設計的實際情況出發，DSP的I/O口工作電壓是3.3 V，最接近3 V。

本文DSP模塊中選擇的DSP芯片是TMS320F2812，DSP模塊包括DSP的電源電路、JATG口下載電路和時鐘電路，電源芯片采用TPSTD318,它將外部電壓5 V轉換為3.3 V和1.9 V，以完成對DSP外設和內核的供電[7]。JATG下載口與DSP相連接的端口均采用上拉電阻，以提高抗干擾能力。時鐘電路采用DSP內部時鐘，在DSP的X1/XCLKIN和X2兩個引腳之間連接一個石英晶體。

圖3 限幅電路

3 程序設計和軟件調試

3.1 程序設計

程序設計使用C語言編寫，程序開始首先對DSP模塊進行初始化，其中包括：初始化系統控制模塊、初始化ADC模塊、初始化事件管理器模塊。再開啟中斷，啟動定時器計時，當定時器產生周期中斷時，ADC開始轉換數據，最后結束程序，輸出實驗結果。程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

文中ADC轉換的啟動信號采用定時器的周期中斷啟動，設定定時器周期為0.1 ms，當定時器計時0.1 ms時，產生周期中斷，DSP的ADC開始轉換。轉換結束后輸出數據，并返回主程序準備下一次數據轉換。

ADC轉換采用單序列順序采樣模式，其采樣頻率為2.5 MHz，程序設計如下：

圖5 調試結果

3.2 軟件調試

CCS(Code Composer Studio)是開發 DSP時所需的軟件開發環境，即程序編寫、調試DSP代碼都需要在CCS軟件中進行。

實驗中將3個傳感器分別安裝在實驗室的不同位置，實驗調試結果如圖5所示。由圖可知，3個溫度傳感器均測得實驗室的溫度為29.494 5℃。

本文采用LM35溫度傳感器與DSP結合進行多路溫度數據采集，電路設計簡單，制作成本低，相對于單片機的數據采集系統更能滿足系統在精確度和實時性方面的要求。同時，該系統具有較好的實時性、方便性和安全性,可用于工農業大多數實時溫度采集領域。

[1]谷志新,王述洋,馬雷,等.無線溫度采集系統的設計[J].自動化儀表,2010,4(31)：73-76.

[2]彭遠芳,趙又新.高精度溫度采集系統[J].儀表技術與傳 感 器 ,2007(5)：45-46.

[3]林婧.基于AT89S52的多路溫度檢測設備的設計[J].中國新技術新產品,2011(15)：153-153.

[4]顧衛鋼.手把手教你學DSP[M].北京：北京航空航天大學出版社,2011.

[5]周正義，穆帥歡，陽路.DSP和AD9244的多路數據采集系統[J].微型機與應用,2013,32(17)：67-68.

[6]王景景.基于LM35的溫度測量系統[J].現代電子技術,2007,30(5)：157-158.

[7]孫元敏,尹立新,楊書濤.基于TMS320F2812的高速數據采集處理系統[J].計算機工程,2009,35(2)：242-243.