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DSP在嵌入式测控系统中的应用
摘要：与通常在嵌入式测控系统中采用MCU(单片机)相比，TMS320C5402 DSP的运算和数据处理能力强、实时性好，在本设计中实现了较理想的PID温度控制效果；而且，文中给出了在TMS320C5402 DSP上实现的数据采集程序和PID算法程序的代码。
关键词： MCU PID DSP 温度
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TMS320C5402 DSP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
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
（2）DSP读数据子程序
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: SSBX FRCT ;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
STH A, *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
ADD A, @yn, A
STH A, @yn ;保存y(n)
PORTW @yn, PA1
RET
4 结语
在过去的设计中我们选用了80C51 MCU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TMS320C5402 DSP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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