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电阻炉温度控制系统的改进(2)

北极星电力网技术频道    作者:江文贱,蔡锌如   2004/3/22 0:00:00   

 关键词:  电阻炉 温度控制 单片机

  这里的微处理器实际上是指以MCS-51、MCS-96等为代表的8位或16位单片机。以微处理器为控制器,所构成的控制系统有如下优点:

  (1)使电路更简单。模拟电路为了实现逻辑控制需要许多分立电子元件,从而使电路变得复杂。采用微处理器后,绝大多数控制逻辑可采用软件实现。

  (2)可以实现较复杂的控制算法。微处理器具有更强的逻辑功能,运算速度快、精度高、具有较大容量的存储器(128KB RAM,8051有4KB ROM,8751有4KB EPROM,8031无ROM或EPROM。使用时往往外括ROM),因此有能力实现较复杂的控制算法。

  (3)灵活性和适应性强。微处理器的控制方式主要由软件来实现,若需要修改,一般不必修改控制系统的硬件电路,只对软件修改即可。

  (4)无零点漂移,控制精度高。

  (5)可提供人机界面,实现多机联网工作。

  在一些性能要求不是很高的场合,现在普遍采用单片机作为控制器。然而,由于微处理器一般采用冯——诺依曼总线结构,处理器的速度有限,处理能力也有限;另外单片机系统比较复杂,软件编程的难度较大。同时,一般单片机的集成度较低,片上不具备控制系统所需要的专用外设,如PWM产生电路等。因此,基于微处理器构成的系统仍然需要较多的元器件,这增加了系统电路板的复杂性,降低了系统的可靠性,也难以实现先进控制算法,如预测控制、模糊控制等。

  由于技术的发展,新的单片机无论从制造工艺上,还是性能、功能上都有了极大的改进。新单片机(如C8051Fxxx系列、AVR系列等)的工作频率一般在20MHz以上,采用流水线技术,片内集成大量存储单元和功能外设,有的单片机内部甚至集成了DSP核,这些措施都使单片机的性能得到了很大提高,可以较好地满足高性能控制系统的需要。然而。与同样性能的DSP控制器相比,这些微处理器的价格往往比较昂贵。

  2.3 以可编程DSP控制器为核心构成的控制系统

  为满足世界范围内控制系统的需要,TI公司推出了TMS320x24x系列DSP控制器。

  x24x系列DSP控制器将一个高性能的DSP核,大容量的片上存储器(片内的数据和程序存储器可达上百千字)和专用的运动控制外设电路(PWM产生电路、可编程死区、SSVPWM产生电路、捕获单元等)以及其他功能的外设电路(16通道A/D转换单元、串行通信接口、CAN控制器模块等)集成在单芯片上,保持了传统微处理器可编程、集成度高、灵活性/适应性好、升级方便等优点;同时,其内部的DSP核可提供更高的运算速度、运算精度和处理大量数据运算的能力。

  x24x系列DSP控制器采用改进的哈佛结构,分别用独立的总线来访问程序和数据存储空间,配合片内的硬件乘法器,指令的流水线操作和优化的指令集。DSP控制器的控制算法如Kalman滤波、模糊控制、神经元控制等。

  基于DSP控制器构成的控制系统实际上是一个单片系统,因为整个控制所需的各种功能都可由DSP控制器来实现。因此,可大幅度缩小目标系统的体积,减小外部元器件的个数,增加系统的可靠性。另外,由于各种功能都通过软件编程来实现,因此,目标系统升级容易,扩展性、维护性都很好。同时,DSP控制器的高性能使最终系统既可满足要求比较低的系统,更可以满足对系统性能和精度要求较高的场合的需要。

  通过上面各种方法的比较,我们选择可编程DSP控制器为主控制器来组成控制系统。

  2.4 DSP芯片型号的选择

  设计DSP应用系统,选择DSP芯片是非常重要的一个环节。只有选定了DSP芯片,才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。总的来说,DSP芯片的选择应根据应用系统的实际需要而确定。随着应用市场和设计目标的不同,选择DSP芯片的侧重点也各不相同。

  一般来说,在选择芯片时应考虑以下因素:

  (1) 运算速度。当数字信号处理算法确定以后,其运算量和完成时间也就大体定了,由此可以估算DSP芯片运算速度的下限。在选择DSP芯片时,各个芯片运算速度的衡量可参考DSP的各种性能指标。

  (2) 运算精度。一般情况下,浮点DSP芯片的运算精度要高于定点DSP的运算进度,但是功耗和价格也随之上升。一般定点DSP芯片的字长为16位、24位或32位,浮点芯片的字长为32位。累加器一般都为32位或40位。虽然适当的设计算法可以提高、保证运算精度,但是会相应增加程序的复杂度和运算量。所以,运算精度要求是一个折衷的问题。

  (3) 片内硬件资源。通过对算法程序和应用目标的仔细分析可以大体上判断对DSP芯片片内资源的要求。几个重要的考虑因素是片内RAM和ROM的数量、可否外扩存储器、总线接口/中断/串行口等是否够用、是否具有A/D转换等。用户可以参考芯片制造商推荐的DSP芯片典型应用来考虑此项要求。

  (4) 功耗。一般来说,个人数字产品、便携设备和户外设备等对功耗有特殊要求,因此这也是一个该考虑的问题。

  (5) 开发调试工具。完善、方便的开发工具和相关支持软件是开发大型、复杂DSP系统的必备条件,对缩短产品的开发周期有重要作用。

  (6) 价格。包括DSP芯片的价格和开发工具的价格。如果采用价格昂贵的DSP芯片,即使性能再高,其应用范围也肯定会受到一定的限制。因此 ,要根据实际系统的应用情况,确定一个价格适中的DSP芯片。当然,由于DSP芯片发展迅速,芯片价格往往下降较快,在开发阶段选用某种价格稍贵的DSP芯片,等到系统开发完毕,其价格可能已经下降一半甚至更多。

  (7) 其他。包括DSP芯片的封装形式、供货周期、生命周期等。

  在上述因素中,一般而言,定点DSP芯片的价格比较便宜,功耗较低,但运算精度稍低。而浮点DSP芯片的优点是运算精度高,且C语言编程调试方便,但价格稍贵,功耗也较大。

来源:江西电力职业技术学院学报
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