圖1 溫度控制電路圖
溫度控制電路如圖1所示。它以美國TI公司生產(chǎn)的TMS320C2407[1] 為核心。它主要有如下特點：采用增強的哈佛結(jié)構(gòu)；應(yīng)用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)生產(chǎn)，為進一步降低功耗，采用3.3V電源供電，具有特殊的DSP指令和33 ns的指令周期；有40個可編程的獨立1/0口；它含有TMS320C2XX的內(nèi)核CPU，其源代碼兼容F243/F241/F242、指令集與F240/C240兼容，具有良好的可移植性；TMS320LF2407引腳較少，價格適中，用它構(gòu)成的系統(tǒng)不但能很好地滿足系統(tǒng)的要求而且降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，性能價格比較高。由于一般系統(tǒng)要求處理的數(shù)據(jù)量大且對實時性要求高，而DSP芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器容量不能滿足要求，因此系統(tǒng)外擴高速大容量的數(shù)據(jù)緩沖存儲器。系統(tǒng)中選用高速SRAMCY7Cl020V-15，它是CYPRESS公司生產(chǎn)的高性能CMOS芯片，容量為16K*16位，其存取速率為15 ns，其速度與TMs320LF2407的速度相匹配，因此DSP可以全速運行，而無需插人等待狀態(tài)，且工作電壓為3.3v，也與DSP的I/O電平相匹配，無需電壓轉(zhuǎn)換接口電路。液晶顯示選用的是動態(tài)時分割驅(qū)動方式的T6963C控制芯片為核心的液晶顯示成品板，該板內(nèi)含GB 2312 16 *16 點陣國標(biāo)一級簡體漢字和ASCII 8 *8 點陣的英文字庫，用戶輸入?yún)^(qū)位碼或ASCII 碼即可以實現(xiàn)文本顯示。這樣，在LJD液晶顯示模塊中，對于顯示部分不必整理出各個漢字和數(shù)字的點陣，極大的簡化了編程工作，豐富了顯示信息量。本設(shè)計采用USB[4]接口和計算機通訊，DSP與USB接口電路如圖2所示，USB外設(shè)都可簡單方便地接入計算機中，無需外接電源、易于擴展，彌補了插卡結(jié)構(gòu)的缺點，并且USB2.0總線的傳輸速度高達480Mbit/S，不僅使USB總線完全能夠滿足需要大量數(shù)據(jù)交換的外設(shè)的要求，而且使USB總線可以應(yīng)用于實時信號處理系統(tǒng)；而且USB2.0標(biāo)準(zhǔn)具有良好的兼容性。采用USB總線符合儀器數(shù)字化、模塊化、通用性和即插即用的發(fā)展趨勢。
在控制電路中，熱電偶采用的是鉑銠-鉻鉑熱電偶，放大器電路中的濾波器采用三級RC濾波器，可以消除溫度信號中的干擾信號。
3溫度控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計
本設(shè)計采用模糊-數(shù)字PID復(fù)合控制算法。模糊控制[3]對時變對象有一定適應(yīng)能力,但范圍有限,精度不高。而PID控制對相當(dāng)多的控制對象都十分有效,但對某些非線性對象整定工作量大。若使二者結(jié)合,進行模糊-數(shù)字PID復(fù)合控制,理應(yīng)取得較好效果。模糊-數(shù)字PID復(fù)合控制一般在偏差大時采用模糊控制，而偏差小且趨于平穩(wěn)時，采用PID控制，其主流程圖如圖4所示。模糊-數(shù)字PID復(fù)合控制算法的系統(tǒng)具有動態(tài)性能較好,而且調(diào)節(jié)時間縮短，超調(diào)量小等優(yōu)點。
在本系統(tǒng)中把偏差劃分為兩個范圍：①當(dāng)偏差的絕對值 時,采用增量型數(shù)字ＰＩＤ控制算法，②當(dāng)偏差的絕對值 時,采用模糊控制算法。算法流程圖如圖5所示。
（1）當(dāng)偏差的絕對值 時,采用增量型數(shù)字ＰＩＤ[2]控制算法,它是按偏差的比例、積分、微分進行自動控制的。PID控制器具有簡單、易于實現(xiàn)等特點。它的輸出表達式為:
該數(shù)學(xué)模型相當(dāng)于在傳統(tǒng)ＰＩＤ控制的基礎(chǔ)上又增加了一級高階控制,加大了控制的強度和精確度,改善了響應(yīng)速度與穩(wěn)定速度之間的關(guān)系,提高了系統(tǒng)的安全性。
（2）當(dāng)偏差的絕對值 時,采用模糊控制算法。模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語言變量與模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計算機數(shù)字控制。模糊控制器由三部分組成:模糊化、模糊推理和解模糊，模糊控制器框圖如圖3所示。本系統(tǒng)設(shè)計的模糊控制器采用雙輸入單輸出的控制算法,不僅對被控制量的實際偏差自動進行調(diào)節(jié),還要對偏差的變化率進行調(diào)節(jié),這樣有利于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不致產(chǎn)生振蕩。模糊化就是把觀測值論域上的語言值轉(zhuǎn)換成模糊子集，而模糊量則是實測溫度與設(shè)定值的偏差E、偏差變化率Ec和控制輸入U。根據(jù)實際及操作人員的控制經(jīng)驗，對這幾個模糊量，可歸納一系列控制規(guī)則，例如規(guī)則i:
If (E is Ai1) AND (Ec is Ai2) Then U is Bi; ( i=1,2,……,r)
r為規(guī)則數(shù)，Ai1、AI2、…及Bi為語言變量，則由第I條規(guī)則構(gòu)成的模糊關(guān)系為：
Ri =(Ail *Bi) * (Ai2 * Bi)
而對于一定Ej和Ecj，相應(yīng)的輸出為：
Ui=[Ej* (Ail *Bi)] * [Ecj* (AiZ * Bi)]
則：U=Ui (i=1，2，…，r)
根據(jù)控制經(jīng)驗，將其中將語言變量分成七級：正大(PB)，正中(PM)，正小(PS)，零(o)，負小(NS)，
負中(NM)，負大(NB)。在實際控制中，由于被控對象只能接受一個確定的控制信號，而模糊推理是一個模糊集合，因此，必須建立精確量和模糊量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,即從輸出的模糊集合中，判決出一個精確量。在此采用固定量化因子、比例因子及隸屬度最大原則，進行離散推理，求出各相應(yīng)的控制表，并將數(shù)據(jù)存入DSP內(nèi)存，以便在線使用，實施實時控制。
軟件采用定時器T0中斷方式,中斷服務(wù)子程序如圖6所示。系統(tǒng)每隔一個時間段進行一次中斷,啟動Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換,同時完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)字ＰＩＤ控制、控制量輸出、溫度顯示及數(shù)據(jù)保存等功能。定時器T1中斷，為DSP處理器和計算機通訊，發(fā)送數(shù)據(jù)，便于計算機繪制溫度跟蹤曲線，鍵盤中斷，完成鍵盤掃描和獲取鍵值。此外,為了減小系統(tǒng)在平衡位置的振蕩,在軟件上采取了數(shù)據(jù)濾波、設(shè)定死區(qū)等措施。
4結(jié)語
基于DSP2407模糊-數(shù)字PID差熱天平采用計算機控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度發(fā)控制，并在液晶屏和計算機上實時顯示溫度及溫度跟蹤曲線。實驗中對控制算法進行多次實驗和調(diào)整,取得了很好的控制效果，達到了預(yù)期的設(shè)計目的。
參考文獻
1劉和平.TMS320LF240x DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M]. 北京:航空航天大學(xué)出版社，2002.
2 孫增圻 等. 智能控制理論與技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1997.
3 于海生 等. 微型計算機控制技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1999.
4 張念淮 等. USB總線接口開發(fā)指南[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2001
李智強，男，1976－，河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士
籍貫：山東；研究方向：電氣自動化，數(shù)控技術(shù)
郭廣靈，女，1971－，河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，副教授
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