1　系統(tǒng)組成

　　系統(tǒng)采用Pt100作為敏感元件。溫度調(diào)理芯片AD7711對其施加激勵電流,Pt100兩端的電壓差分輸入AD7711,經(jīng)濾波、放大、A／D后,串行送至TMS320F240。TMS320F240在計數(shù)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(jìn)行數(shù)字濾波得到溫度數(shù)據(jù)。控制器TMS320F240在接收到串口的控溫指令和溫度數(shù)據(jù)后,把采集到的實時溫度與控溫要求的溫度相比較進(jìn)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(jīng)光耦隔離去驅(qū)動功率MOSFET從而達(dá)到控制熱電模塊加熱或調(diào)節(jié)制冷功率的目的。PID參數(shù)也可以通過串行口進(jìn)行實時修改。

　　1．1　測溫電路

　　測溫的敏感元件為Pt100,溫度調(diào)理芯片為AD7711,濾波器設(shè)定的截止頻率為100Hz,可編程運算放大器設(shè)定64倍,A／D轉(zhuǎn)換設(shè)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(shù)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(diào)用PID處理函數(shù),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(nèi)外設(shè)都有相應(yīng)的中斷向量入口地址。

　　該控制器具有完整的晶振、復(fù)位電路,通常在電阻電容復(fù)位方式的基礎(chǔ)上加上門電路驅(qū)動以保證復(fù)位可靠。對于DSP的上電復(fù)位,用引腳RS(35)或PORESET（41）都可以。外擴(kuò)16KRAM在調(diào)試時下載程序,RAM片選線應(yīng)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(zhǔn)。PWM7～9是三個比較單元的輸出,設(shè)計中選用T2為時基;計數(shù)方式采用連續(xù)增減計數(shù)模式,T2起三角波發(fā)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(jié)果與T2的三角波數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(fā)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(jīng)溫度PID計算后,給定的三路PWM輸出波經(jīng)光耦、MOS－FET驅(qū)動器,去控制各支路的功率強度;三路之間的脈寬相對關(guān)系相對控溫對象沿長度方向上的溫度均一性進(jìn)行調(diào)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(dāng)中斷發(fā)生時,程序作相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)后,跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的中斷入口地址。在該中斷地址燒寫跳轉(zhuǎn)至中斷處理函數(shù)的語句,如：“B_c_int3”。可以單獨建一中斷向量表跳轉(zhuǎn)匯編文件,并以指令“．sect″．vecs″”將該文件的內(nèi)容匯編至vecs段,在cmd文件中將vecs段裝載入程序區(qū)（PAGE0）的0000開始的地址。完成上述操作后,當(dāng)中斷發(fā)生時就可以跳轉(zhuǎn)入中斷處理函數(shù)進(jìn)行處理。為了使中斷能發(fā)生,需要打開相應(yīng)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(shù)據(jù)存儲區(qū)0004地址的IMR,用以屏蔽INT1～I(xiàn)NT6,三位于片內(nèi)外設(shè)的具體事件控制寄存器中。例如,希望串口接收PC數(shù)據(jù)中斷發(fā)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(dǎo)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(dāng)電流反向時,冷熱面互換。由于執(zhí)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(shù),設(shè)計中分段采用幾組不同的參數(shù)。輸出控制量F為PID各環(huán)節(jié)分別計算的控制量之和：F＝fp＋fi＋fd。－1≤F≤1,｜F｜對應(yīng)PWM的占空比。F＜0主電路MOS3、MOS4導(dǎo)通,電流反向;F＞0主電路MOS1、MOS2導(dǎo)通,電流正向。設(shè)置定時器3的周期中斷50ms作為PID調(diào)節(jié)頻率。

　　2．3　PWM電路的使用

　　設(shè)置完計數(shù)器、比較值、端口電平有效性后,啟動計數(shù)器T2;當(dāng)計數(shù)器與比較值相等時,端口輸出電平作相應(yīng)變化。經(jīng)PID計算不斷改變比較匹配值SCM－PR1／2／3便輸出相應(yīng)的PWM波。在程序中用initp－wm789（）完成PWM初始化后,即可用setpwm789（）來進(jìn)行PWM。

　　2．4　DSP和PC通信格式

　　本設(shè)計的波特率為4800、幀格式為8個數(shù)據(jù)位、一個停止位。設(shè)計給出每個指令起始位、長度及和檢驗的協(xié)議。在傳輸中所有指令的長度為8個字節(jié),兩個連續(xù)的十六進(jìn)制數(shù)0xfe、0xfe表示一條新命令行的開始,第三個字節(jié)說明指令類型,接著四個字節(jié)是指令內(nèi)容,最后一個字節(jié)是該條指令第3個字節(jié)到第7個字節(jié)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(shè)計中DSP向PC主機發(fā)送的指令共9種,由每條指令的第三個字節(jié)指定（表1,表2）。當(dāng)傳輸?shù)膮?shù)是浮點數(shù)時,發(fā)送方將其轉(zhuǎn)為整數(shù)發(fā)送,接收方也作相應(yīng)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(diào)量小于0．7℃,控制精度±0．15℃,升降溫速度2℃／秒。

　　4　結(jié)束語

　　控溫系統(tǒng)通過上位機下傳控溫點或控溫曲線及計算參數(shù),系統(tǒng)設(shè)置靈活,控溫功能豐富。控制中用PID計算進(jìn)行PWM控制,可達(dá)±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(diào)量。研制的儀器運行穩(wěn)定、可靠。