基于DSP的带时间标签的温度采集记录仪的设计

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摘要：为了提高产品热处理炉的炉温均匀性和稳定性控制性能，通常要按照炉温均匀性的检测方法与标准对热处理炉的炉温均匀程度进行测定和记录。为此，文中给出了以DSP为基础，并通过具有时间标签的温度监控记录仪来对炉温进行测量与记录的实现方法。通过该方法还可将具体的检测数据记录在FLASH闪存中以备后用。
关键词：DSP；温度监控；自动测量；时间标签
O 引言
    自从20世纪70年代能源危机爆发以来，人们便逐渐意识到世界上的能源并不是取之不尽，用之不竭的。因此，如何应用科学的方法，结合生产实践，设计出低耗能、高产出、高效率的产品，已成为从业人员研究的重点。本文针对具体情况，给出了对冶金加热炉炉温控制系统进行温度检测和记录的系统设计方法，以便为改善设备的性能提供数据依据，提高能源的利用率，减少产品的生产成本。
1 检测系统的组成和功能
1．1 主要组成
    本检测仪以DSP(TMS320LF2407A)作为系统的微控制器来实现系统信号的采集、通信、人机接口和检测数据的存贮(掉电不丢失)等功能。本检测仪的最大特点是可以实现系统的自动信号采集并存贮数据，其中每个数据都有自己的时间标签，可供使用者随时查询和统计数据。
    图1所示是该温度监测仪的功能结构框图。图中，该温度监测仪划分为微控制器部分、人机接口、温度传感器信号处理电路、存贮器、实时时钟和通信部分。




1．2 主要功能
    为了适应温控系统工作时间长，系统惯性大，无人值守等特点。本自动监控记录仪系统具有以下功能：
    首先是能精确检测8路温度值，并可对检测值进行自动修正；监测仪采用的TMS320LF2407A控制芯片具有丰富的内部资源，其中所具有16通道lO位AD转换通道，可大大简化系统对外部硬件的扩展，提高系统的集成度和可靠性；
    其次，本检测仪具有实时时钟记录和数据存储功能。系统采用美信公司的实时时钟芯片，可为系统的检测数据提供时间标签。系统定时采集数据后会附加时钟标志，然后存贮在存储器中，以方便以后的随时调出和查阅。
    第三，本检测仪具有良好的人机接口。本系统的人机接口采用了键盘和液晶显示，可完成按键的输入，各手动功能的检测，各项检测数据的显示以及与PC机的通信等。
    最后就是与上位PC机的通信功能。本检测仪通过RS485通信方式与上位机进行必要的通信。当上位机需要调用某些数据时，检测仪将定位该数据并立刻上传。同时通信方式也为实现DCS系统的控制提供了可能，它可由多台检测仪和一台工控机实现DCS控制网络。

                          
                       
                          
                               
2 主要硬件设计
2．1 A／D前端信号调理电路
    因为从热电耦过来的信号为0～5 V的电压信号，而DSP的A／D采样信号范围只能在0～3．3 V之间。所以，在输入到DSP的A／D电路之前必须经过信号调理，其调理电路如图2所示。图中，运算放大器Ul构成电压跟随器，可提高信号的驱动能力和精度。R1，R2可组成简单的电阻分压网络。其中二极管D1和D2的作用是对DSP的MD进行输入电压的限幅钳位保护。当输入A／D采样电压高于3．3 V时，二极管D1导通，而使输入电压始终不得高于3．3 V，同样的，当低于OV时，二极管D2导通，其输入电压也始终不得低于O V，从而将输入到AD的电压限制在被允许的范围之内。




2．2 实时时钟接口电路
    为了使检测仪能自动地记录数据。并提供数据的采集时间以供使用者参考。本系统采用美信公司生产的新型实时时钟芯片M14ST95Y／W，并采用SPI通信协议方式，来减少对系统的端口资源占用，SPI通信只占用系统的SCL、SDI、SDO、片选功能E端以及定时中断信号IRQ。表l所列是M14ST95Y／W的引脚功能，图3为其引脚排列图，M14ST95Y／W内部集成有时钟晶振。同时具有低电压保护功能的电压比较器，当系统供电电压处于低压状态(内部集成1．25V电压比较器)时，系统会自动转入后备电源供电，并在此状态下启动写保护功能，以防止控制器在欠电压运行状态下对实时时钟的错误修改。此外，该芯片还具有看门狗实时复位电路。所以，这款实时时钟芯片资源丰富，功能强大，所需外部分立元件少，可以提高系统的可靠性。




                          
                       
                          
                               
    本检测仪中的DSP与实时时钟芯片的连接图如图4所示。




2．3 DSP与FLASH贮存器的连接
    Flash存储器又称闪存，它结合了ROM和RAM的特点，不仅具备电子可擦除可编程(EEPROM)功能，而且断电不会丢失数据，同时又能快速读取数据，具有可在线电擦写、低功耗、大容量、擦写速度快等特点。属于EEPROM的改进产品。AM29LV800B是AMD公司的一种Flash存储器件，其访问时间为90 ns；存储容量为8 Mbit；工作温度范围为-55～+125℃；在线编程电压为3．0～3．6V；而且功耗低；读操作时的电流为7m-A，编程／擦除时的电流为15 mA。图5为DSP与AM29LV800B的连接电路图。




2．4 人机接口
    本系统的人机接口部分主要由DSP与液晶的连接电路和按键扫描电路组成。根据TMS320LF2407A的I／O口资源利用情况。本设计的液晶显示采用并行I／O口实现显示控制；又由于按键键盘所需不多，故采用普通的矩阵扫描式键盘结构。由于其硬件实现比较简单，因此，在此就不列出详细的电路了。
3 检测仪软件设计
    根据以上功能，可以将本系统的程序分为系统初始化、按键处理程序、液晶显示程序、数据采集中断程序、数据保存程序和通信程序等几个部分。
                          
                       
                          
                               
3．1 系统主程序设计
    系统中的DSP运行主程序流程图如图6所示。该程序主要完成系统的初始化、初次上电系统自我故障检测(包括各个温度传感器是否正常，AD采样值是否正常)，同时完成键盘和显示的人机接口等功能，




3．2 定时采样程序设计
    定时采样程序是检测仪的关键功能程序，主要完成对各个检测点温度的定时采集，同时将读取采样时的时钟标签一同记录到外部的FLASH存贮器中。其具体的采样程序流程图如图7所示。
4 结束语
    该检测记录仪经测试证明，能自动采集监测点的温度，并具有良好的人际交互界面，同时可实现具有时间标签的数据采集和存贮，便于用户对生产产品热处理过程中的温度效果和工作情况进行分析和跟踪，及时调整控制策略，提高产品质量并节省生产成本。