多点测温仪

合肥工业大学

硕士学位论文

基于DSP的高速多点并行测温仪的研制

姓名：姚绍宁

申请学位级别：硕士

专业：材料学

指导教师：周汉义

2002.6.1

基于ＤＳＰ的高速多点并行测温仪的研制

摘要

本文主要论述了ＤＳＰ芯片在高速多点并行测温系统中的应用。实现了一个以ＴＭＳ３２０Ｐ２４０芯片为主要核心芯片的高速两点并行测温仪的研制。

本文首先介绍了测温仪器的发展及现状，提出用ＤＳＰ研制亳蕉垒盛茎堑型婆堡的必要性和可行性。介绍了Ｄ—ＳＰＧ—燃、在各个领域中的广泛应用、ＤＳＰ芯片的特点及如何开发ＤＳＰ应用系统。。

接着详细说明了为什么选择ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｆ２４０作为本系统的ＤＳＰ微处理器芯片，同时也解释了本系统其它部分芯片选择的原因。在考虑到系统将要实现的功能和所选择的芯片之后，给出了系统各部分的简略框图。

然后详细说明了本系统的研制过程，包括硬件设计、软件设计、抗干扰设计、制板和程序的编写等。

伍文最后叙述了在调试过程中遇到的困难和解决办法，而且展望了本仪器的应用前景及可以进一步完善的地方。ｊ

关键词：加。，高速多点并行测砂／／＋７７

ＡＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｍｇｈＳｐｅｅｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ

ｗｉｔｈＤＳＰｔｏＭｅａｓｕｒｅｔｈｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｏｆＭａｎｙＤｏｔｓＣｏｌｌａｔｅｒａｌｌｙ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＴｈｉｓｐａｐｅｒｄｉＳｃＤＳＳｅＳａｂｏｕｔｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＤＳＰｉｎｔｈｅｈｉ曲ｓｐｅｅｄｉｎｓｔｎｌｍｅｎｔｔｏｌｌｌｃａｂｑｌｒｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｏｆｍａｎｙｄｏｔｓｃｏＵａｔｅｒａＵｙａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｗｉｔｈＴＭＳ３２０Ｆ２４０ｔｏｎ琶ａｓＬ玎ｅｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｏｆｔｗｏｄｏｔｓｃｏｌｌａｔｅｒａｌｌｙ．

Ｆ打ｓ蚵，ｉｔｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓｔｏｍ瞳ｓｕｒｅｔｅｍｔｘ：ｍｔｕｒｅｓ，ｂｒｉｎｇｓｕｐｔｈｅｎｅｃｅｓｓｉｃｙａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｗｉｔｈＤＳＰｔｏｎ蔓ａｓｕｆｅｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｏｆｍａｎｙｄｏｔｓｃｏｌｌａｔｅｒａｌｌｙ．ＡｎｄｉｔａｌｓｏｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＤＳＰ，ｗｉｄｅｓｐｒｅａｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｎａｌｌａｒｅａ，ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆＤＳＰａｎｄｈｏｗｔｏｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｆＤＳＰ．

Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｉｔｅｘｐｌａｉｎｓｉｎｄｅｔａｉｌｗｈｙｗｅｃｈｏｏｓｅＴＭＳ３２０Ｆ２４０，ｗｈｉｃｈｉｓｍａｄｅｂｙＴＩｃｏｍｐａｎｙ，ａＳｔｈｅｃｏｒｅｃｈｉｐｏｆｔｈｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ａｎｄａｌｓｏｅｘｐｌａｉｎｓｗｈｙｏｔｈｅｒｃｈｉｐｓａｒｅｃｈｏｓｃｎＡｆｔｅｒｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｃｈｉｐｓｔｈｉｓｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｗｉｌｌａｃｈｉｅｖｅａｎｄｕｓｅ．ｗｅｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｓｉｍｐｌｅ缸锄ｅｓｏｆｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．

Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｉｔｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｓｏｆｓｏｆｔｗａｒｅ，ｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｒｅｓｉｓｔｉｎｇｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｍａ垴ｎｇｔｈｅｍｏｄｕｌｅａｎｄｗｒｉｔｉｎｇｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｓ．

ＬａｓｔＭｉｔｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｍｅｔ．ｍｄｅｂｕｇｇｉｎｇａｎｄｗａｙｓｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｉｔｌｏｏｋｓｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅｏｆｔｈｉｓｉｎｓｔｎｌｍｅｎｔａｎｄｂｒｉｎｇｓｕｐｔｈｅｐａｒｔｓｔｏｈｅｉｍｐｒｏｖｅｄｈｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．

ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＤＳＰ，Ｈｉｇｈｓｐｅｅｄ，Ｍａｎｙｄｏｔｓ，Ｍｅａｓｕｒｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ∞№ｔｅｍ坶

致谢

当我终于觉得可以将几经修改的硕士毕业论文送去印刷的时候，我就期待着用～种恰当的方式表达厚积于心中的感激之情。

首先我要感谢我的导师周汉义副教授，他以广搏的精湛学识和宽厚的仁慈之心，激励我在材料学及电子领域里探索，启发我按照自己的愿望和理解进行思考和科研，帮助我建立不断寻求成功的信心和勇气。尤其令我难以忘怀的是，在我进行课题研究的过程中，导师从方案的拟定到研制过程的调试及论文的修改都给予了耐心的教诲和细心的指导。导师严谨的科学态度和宽容的为人方式，既让我懂得了如何做学问，也让我懂得了如何做人，更让我懂得了一个研究者的使命和价值。

我还要向院里所有教师和领导致谢，感谢他们多年的栽培和扶持，感谢他们在学习、做人方面给予我的关怀和帮助。特别感谢丁厚福教授、郑志祥教授、吴玉程教授、宣天鹏教授、黄新民教授等，感谢他们在我研究生学习阶段给予的谆谆教诲和指导。

我还要感谢我的同届学友们，感谢他们以不同的方式给予我的学术上的启发、学业上的鞭策和支持，特别是他们就我的毕业论文所提出的意见和建议都非常有助于我的研究。

感谢所有给予我支持、帮助和启迪的人们

姚绍宁

２００２年６月

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插图清单

图ｌ测温仪的研制过程流程图………………………………………………………．．１０图２系统的硬件框图…………………………………………………………………．１１图３手动复位电路……………………………………………………………………．１２图４内部振荡电路……………………………………………………………………．１３图５ＨＭ６２８１２８外部引脚｛｛｝列图…………………………………………………………………………１４图６数据存储器与ＴＭＳ３２０Ｆ２４０的接口电路图………………………………………１５图７ＣＳ２控制数据保持时序…………………………………………………………１７图８掉电保护电路……………………………………………………………………．１７图９放大电路图………………………………………………………………………一１８图１０３Ｖ电源…………………………………………………………………………一２６图１１电源电路…………………………………………………………………………２６图１２显示器与ＴＭＳ３２０Ｆ２４０接口…………………………………………………．．２７图１３并行连接方式接口信号定时……………………………………………………．２７图１４打印机与ＤＳＰ的接口电路………………………………………………………２９图１５测温系统总流程图………………………………………………………………３１图１６ＡＤ转换的流程图………………………………………………………………．．３２图１７显示子程序流程图………………………………………………………………．３３图１８热电偶冷端补偿测温程序流程图………………………………………………．３６图１９微机系统中的主要干扰渠道……………………………………………………．３８图２０双Ｔ滤波器………………………………………………………………………３９图２１基２ＤＩＴＦＦＴ碟形运算…………………………………………………………４５图２２是８点的ＤＩＴＦＦＴ的信号流图…………………………………………………．４６图２３滤波前后的温度一时间曲线……………………………………………………．５９图２４Ｎ次谐波图……………………………………………………………………．．６０图２５幅度谱图…………………………………………………………………………６１

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表格清单

表１｝玎ｖ１６２８１２８功能表………………………………表２低电源电压数据保持特性………………………，表３采样频率与对应的预标定值……………………，表４ＡＤＣＴＲＬｌ控制寄存器位设置…………………表５ＡＤＣＴＲＬ２寄存器位设置……………………．．表６打印机ＤＢ．２５插座各脚说明……………………．．表７输入电压与一级、二级输出电压的测量数据……表８ＡＤ值与电压数据…………………………………表９热电偶在２８。Ｃ的水中淬火冷却时测得的ＡＤ值…表１０热电偶在１００℃的水中淬火冷却时测得的ＡＤ值……１５……１６……２１……２ｌ……２３……２８……５３．．．．．．５４……５６……５８

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刖禹

近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理及测温仪器的开发应用取得具有实用性的重大进展【ｌｌ。新型测温仪不断出现与完善。目前市场上测温仪的产品种类繁多、性能各异，对于一般工业和实验室的应用已能满足要求。但对于特殊场合如高能量密度加热Ⅲ、高速加热或冷却过程（这些场合升温和冷却速度高达１０４￣１０５＝Ｃ／ｓ１３Ｊ的测温却少见报导。市售的各种多点温度巡测仪品种繁多【４ｌ，但这些测温仪仅适用于加热能量密度低、升温速度慢的场合。也有人用１６位单片机研制多点测温仪１５】，但采用的测量方法实际上是快速巡测方式，并非真正意义上的并行测量方式，而且单片机执行一条指令的周期达不到纳秒级。这些方式对工业应用场合基本能满足要求，但对于计算机模拟技术，作为机理研究的实验验证就不适合了。虽然系统机可以实现多点并行测温【６１，但不便于现场应用而且造价高。本课题就是针对高能量密度加热过程的高速、多点温度测量的需要而研制的测温仪。本课题试图采用新一代ＤＳＰ—ＴＭＳ３２０Ｆ２４０为核心构成的测温仪来解决这个问题。ＤＳＰ是八十年代出现的功能强大的数字信号处理器，最初的应用是军事尖端技术，以后拓展到通讯、家电、工业控制领域。九十年代后期发展起来的新一代ＤＳＰ除具有强大的数字信号处理功能外，又增加了高速Ａ／Ｄ功能，使其应用领域大大扩展。ＤＳＰ应用于高速并行测温领域尚未见报导［７－１７Ｉ。

本课题的主要内容是：采用ＤＳＰ技术对高速升降温过程中多点（本课题中为两点）的温度信号进行同步采集分析处理。研制以ＤＳＰ为核心的高速并行多点测温仪，并开发相关的软件，此仪器对计算机模拟技术的实验验证及建模有重大意义、对高能量密度加工处理的自动化实现有实际意义。

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第一章绪论

１，１温度测量技术的现状及展望

科学技术的发展是和测量技术的发展紧密联系在一起的。测量技术水平越高，科学技术发展就越为深广。同时科学技术的发展又为测量技术的发展提供了新的前提和新的可能性。材料学研究也不例外：研制新材料，制定新工艺，必须借助温度测量、成分分析等许多测量与控制仪表以获得必要参数。用最先进的自动化仪表与设备组成自动化系统，对工艺参数（如温度）实行精确的、自动的测量与控制是不断提高热处理工艺水平的不可缺少的条件。尤其是温度检测技术，在科技发展进程中起着不可估量的作用。

近年来，测温技术发展很快，测湿所使用的传感器种类繁多，但在工业上多采用辐射温度计和热电偶。热电偶与热电阻约占ｌ／３。国内多采用接触式测温，热电偶与热电阻的用量约占９８％。国外辐射测温技术蓬勃发展，已引起国内有关人士的重视，今几年有了明显的增多。今年来辐射测温技术发展很快，其原因主要是：（１）辐射温度计的性能有了很大提高，性能稳定可靠，测温范围广；（２）价格较便宜，国产红外辐射温度计与Ｂ型热电偶价格相当。但辐射温度计测试的只是辐射温度和亮度温度。在测量表面烧蚀温度时，误差有时高达几百度【１８ｌ。而且无法抑制环境中吸收气体、粉尘、飞渣等因素的影响，因此测温结果有较大的误差。而热电偶则能避免此类问题出现。

工业应用中的测温仪大多是采用单片机作为微处理器的。普通单片机指令周期一般为２吐ｓ。取指、译码和执行等操作不能同步进行。因而不能满足某些特殊场合的高速测温要求。有些高速单片机如８０９６，虽然运算速度比普通单片机快，但不能完成ＦＦＴ等复杂滤波算法，因而难以在线高速测温。另外，当测量多点温度时，单片机往往是采用巡测方式。即使采用高速巡回检测系统，也不可避免地出现较大的非同一性状态误差。

也有采用工控机来进行高速测温的测温仪。该仪器虽能满足高速测温的要求，但工控机易受外界干扰，难以实现现场测温。另外，需外接高速ＡＤ采集卡，该仪器不

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ＤＳＰ芯片是一种特别适合于进行数字信号处理的运算的微处理器，其主要应用于实时快速地实现各种数字信号处理算法。它在高速测温领域的应用还未见报导。１．２ＤＳＰ芯片的发展

数字信号处理（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，简称ＤＳＰ）是－－１＂７涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。２０世纪６０年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展．数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。虽然数字信号处理的理论发展迅速，但在２０世纪８０年代以前，由于实现方法的限制，数字信号处理的理论还得不到广泛的应用。直到２０世纪７０年代末８０年代初，世界上第一片单片可编程ＤＳＰ芯片的诞生，才将理论研究结果广泛应用到低成本的实际系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸张地说，ＤＳＰ芯片的诞生及发展对近二十年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。ＤＳＰ芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理的运算的微处理器，其主要应用于实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，ＤＳＰ芯片一般具有如下主要特点㈣：

１）在一个指令周期内可完成～次乘法和一次加法；

２）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据：

３１片内具有快速ＲＡＭ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；

４）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；

５）快速的中断处理和硬件Ｉ／Ｏ支持；

６）具有在单调周期内操作的多个硬件地址产生器；

７）可以并行执行多个操作；

８）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行；

世界上第一个单片ＤＳＰ芯片是１９７８年ＡＭＩ公司发布的￥２８１１，１９７９年美国Ｉｎｔｅｌ公司发布的商用可编程器件２９２０是ＤＳＰ芯片的～个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代ＤｓＰ芯片所必须有的单周期乘法器。１９８０年，日本ＮＥＣ公司推出的ｕＰＤ７７２０

台Ｉ］ＢＹ－业大学硕士学位论文基于ＤＳＰ的高速多点并行测温仪的研制是第一个具有乘法器的商用ＤＳＰ芯片。

在此之后，最成功的ＤＳＰ芯片当数美国德州仪器公司（ＴＩ公司）的一系列产品。１１公司在１９８２成功地推出其第一代ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０１０及其系列产品ＴＭＳ３２０１１、ＴＭＳ３２０Ｃ１ｏ／Ｃ１４／Ｃ１５／ｃ１７等，之后相继推出了第二代ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０２０、ＴＭｓ３２０ｃ２５／ｃ２６／Ｃ２８，第三代ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｃ３０／Ｃ３１／Ｃ３２，第四代ＤＳＰ芯片ＴＭｓ３２０ｃ４０／ｃ４４，第五代ＤＳＰ芯片ＴＭｓ３２０ｃ５）（／ｃ５４ｘ，第二代ＤＳＰ芯片的改进型ＴＭＳ３２０Ｃ２ＸＸ，集多片ＤＳＰ芯片于一体的ＤＰＳ芯片ＴＭＳ３２０Ｃ８Ｘ以及目前速度最快的第六代ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｃ６２ｘ，ｃ６７Ｘ等。ＴＩ将常用的ＤＳＰ芯片归纳为三大系列，即：ＴＭＳＣ２０００系列（包括ＴＭｓ３２０Ｃ２）（／Ｃ２Ｘｘ）、ＴＭｓ３２０Ｃ５０００系列（包括ＴＭＳ３２０Ｃ５０／Ｃ５４列ｃ５５Ｘ）、ＴＭＳ６０００系列（ＴＭＳ３２０ｃ６２ⅪＣ６７Ｘ）。如今，ＴＩ公司的一系列产品已成为当今世界上最有影响的ＤＳＰ芯片。１１公司也成为世界上最大的ＤＳＰ芯片供应商，其ＤＳＰ芯片市场份额占全世界份额近５０％。

第一个采用ＣＭＯＳ工艺生产浮点ＤＳＰ芯片的是日本的Ｈｉｔａｃｈｉ公司｛”ｌ，它于１９８２年推出了浮点ＤＳＰ芯片。１９８３年日本Ｆｕｊｉｔｓｕ公司推出的ＭＢ８７６４，其指令周期为１２０ｎｓ，且具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。而第～个高性能浮点ＤＳＰ芯片应是ＡＴ＆Ｔ公司于１９８４年推出的ＤＳＰ３２。

与其它公司相比，Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司在推出ＤＳＰ芯片方面较晚。１９８６年，该公司推出了定点处理器ＭＣ９６００２。

美国模拟器件公司（ＡｎａｌｏｇＤｅｖｉｃｅｓ，ＡＤ）在ＤＳＰ芯片市场上也占有一定的份额，相继推出了一系列具有自己特点的ＤＳＰ芯片，其定点ＤＳＰ芯片有ＡＤＳＰ２１０１／２１０３／２１０５、ＡＤＳＰ２１１１／２１１５、ＡＤＳＰ２１６１／２１６２／２１６４以及ＡＤＳＰ２１７１／２１８１，浮点ＤＳＰ芯片有ＡＤＳＰ２１０００／２１０２０、ＡＤＳＰ２１０６０／２１０６２等。

自１９８０年以来，ＤＳＰ芯片得到了突飞猛进的发展，ＤＳＰ芯片的应用越来越广泛。从运算速度来看，ＭＡＣ（一次乘法和一次加法）时间已经从２０世纪８０年代初的４００ｎｓ（如ＴＭｓ３２０ｌＯ）降低到１０ｎｓ以下（如ＴＭＳ３２０Ｃ５４Ｘ、ＴＭＳ３２０Ｃ６２Ｘ等），处理能力提高了几十倍。ＤＳＰ芯片内部关键的乘法器部件从１９８０年的占模片区（ｄｉｅａｒｅａ）的

盒婴三些盔茎耍主堂焦鲨塞墨量！竺塑壹鎏墨皇茎！三型婆堡塑堡型４０％左右下降到５％以下，片内ＲＡＭ数量增加一个数量级以上。从制造工艺看，１９８０年采用４“ＩＴＩ的Ｎ沟道ＭＯＳ（ＮＭＯＳ）工艺，而现在则普遍采用亚微米（Ｍｉｃｒｏｎ）ＣＭＯＳ工艺。芯片的引脚数量从１９８０的最多６４个增加到现在的２００个以上，引脚数量的增加意味着结构灵活性的增加，如外部存储器的扩展和处理器间的通信。此外，ＤＳＰ芯片的发展使ＤＳＰ系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。

ＤＳＰ凭其独特的硬件结构和出色的运行性能，得到了迅猛的发展和广泛的应用。ＤＳＰ具有强大的运算功能和高速的传输数据能力，能方便地处理以运算为主的不允许时延的实时信号；它具有独具一格的逆寻址方式，能高效地进行快缚立叶变换运算；它采用内存映射方式管理１１０，能方便灵活地扩充外围电路；ＤＳＰ的制作上采用超大规模集成电路生产技术，工艺由当初的３ｐ＾心『０Ｓ改进为现在的Ｏ．２５ｔ．ｔＣＭＯＳ，将中央处理器（ＣＰＵ）、程序寄存器、数据寄存器和硬件乘法器、累加器、移位器、地址发生器集成在同一芯片上。芯片特有的先进技术还有数据指针的逆寻址功能、指令的重叠运行、无消耗控制等等。这些突出的性能在谱估计、数字滤波、数字压缩等方面得到了充分的体现。

自从２０世纪７０年代末８０年代初ＤＳＰ芯片诞生以来，ＤＳＰ芯片得到了飞速的发展，一方面得益子集成电路技术的发展，另一方面也得益于巨大的市场。在近２０年时间里，ＤＳＰ芯片已经在信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应用。目前，ＤＳＰ芯片的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。ＤＳＰ芯片的应用主要有：

１）信号处理一如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等；

２）通信一如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话等；

３）语音一如语音编码、语音合、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音存储等；

４）图形图像一如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等：

鱼！！三些查堂堕主兰垡迨塞墨至！翌塑查婆堑盛茎！三型望堡塑塑型５）军事一如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、导弹制导等；

６）仪器仪表～如频谱分析、函数发生、地震处理等；

７）自动控制～如引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等；

８１医疗～如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等；

９）家用电器一如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话／电视等；

随着ＤＳＰ芯片的性能价格比的不断提高，可以预见ＤＳＰ芯片将会在更多的领域内得到更为广泛的应用。

１３ＤＳＰ芯片的选择

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它电路。总的来说，ＤＳＰ芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。不同的ＤＳＰ芯片应用系统由于应用场合、应用目的等不尽相同，对ＤＳＰ芯片的选择也是不同的。一般来说，选择ＤＳＰ芯片时应考虑如下诸多因素｛２０－２１ｊ。

１）ＤＳＰ芯片的运算速度。运算速度是ＤＳＰ芯片的一个最重要的性能指标，也是选择ＤＳＰ芯片所需考虑的一个主要因素。ＤＳＰ应用于高速测温，运算速度是选择芯片的～个重要指标。ＤＳＰ芯片的运算速度可以用以下几种性能指标来衡量‘２ｚ－ｚ３１。

?指令周期：即执行一条指令所需的时间，通常以ｎｓ（纳秒）为单位。如ＴＭＳ３２０Ｆ２４０在主频为２０ＭＨｚ时的指令周期为５０ｎｓ，而普通单片机的指令周期一般为２ｍｓ；?ＭＡＣ时间：即一次乘法加上一次加法的时间。大部分ＤＳＰ芯片可在一个指令周期内完成一次乘法和加法操作，如：ＴＭＳ３２０Ｆ２４０的ＭＡＣ时间就是５０ｎｓ，而普通单片机完成一次乘法就需要４个指令周期即８ｍｓ；

?ＦＦＴ执行时间：即运行一个Ｎ点ＦＦＴ程序所需的时间。由于ＦＦＴ运算涉及的运算在数字信号处理中很有代表性，因此ＦＦＴ运算时间常作为衡量ＤＳＰ芯片的运算能力的一个指标；

合肥工业大学硕士学位论文基于ＤＳＰ的高速多点并行测温仪的研制?ＭＩＰＳ：即每秒执行百万条指令。如ＴＭＳ３２０ＬＣ５４９．８０的处理能力为８０ＭＩＰＳ，即每秒可执行八千万条指令；

?ＭＯＰＳ：即每秒执行百万次操作。如ＴＭＳ３２０Ｃ４０的运算能力为２７５ＭＯＰＳ；

?ＭＦＬＯＰＳ：即每秒执行百万次浮点操作。如ＴＭＳ３２０Ｃ８０的处理能力为２ＢＯＰＳ。

●ＢｏＰＳ：即每秒执行十亿次操作。如ＴＭＳ３２０Ｃ８０的处理能力为２ＢＯＰＳ。

２）ＤＳＰ芯片的价格。ＤＳＰ芯片的价格也是选择ＤＳＰ芯片所需考虑的一个重要因素。如果采用价格昂贵的ＤＳＰ芯片，即使性能再高，其应用范围肯定会受到一定的限制，尤其是民用产品。因此根据实际系统的应用情况，需确定一个价格适中的ＤＳＰ芯片。当然，ＤＳＰ芯片的发展迅速，ＤＳＰ芯片的价格往往下降较快，因此在开发阶段选用某种价格昂贵的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。３）ＤＳＰ芯片的硬件资源。不同的ＤＳＰ芯片所提供的硬件资源是不相同的，如片内ＲＡＭ、ＲＯＭ的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口，Ｉ／Ｏ接口等。即使是同一系列的ＤＳＰ芯片（如１１公司的１ＭＳ３２０ｃ５４Ｘ系列），系列中不同ＤＳＰ芯片也具有不同的内部硬件资源，可以适应不同的需要。

４１ＤＳＰ芯片的运算精度。一般的定点ＤＳＰ芯片的字长为１６位，如ＴＭＳ３２０系列。但有的公司的定点芯片为２４位，如Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司的ＭＣ５６００１等。浮点芯片的字长一般为３２位，累加器为４０位。

５１ＤＳＰ芯片的开发工具。在ＤＳＰ系统的开发过程中，开发工具是必不可少的。如果没有开发工具的支持，要想开发一个复杂的ＤＳＰ系统几乎是不可能的。如果有功能强大的开发工具的支持，如ｃ语言支持，则开发的时间就会大大缩短。所以，在选择ＤＳＰ芯片的同时必须注意其开发工具的支持情况，包括软件和硬件的开发工具。

６１ＤＳＰ芯片的功耗。在某些ＤＳＰ应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问题。如便携上式的ＤＳＰ设备、手持设备、野外应用的ＤＳＰ设备等都对功耗有特殊要求。目前，３．３Ｖ供电的ＤＳＰ芯片已大量使用。

７）其他。除了上述因素以外，选择ＤＳＰ芯片还应考虑到封装的形式、质量标准、供

合肥工业大学硕士学位论文基于ＤＳＰ的高速多点并行测温仪的研制货情况、生命周期等。有的ＤＳＰ芯片可能有Ｄ／Ｐ、ＰＧＡ、ＰＬＣＣ、ＰＱＦＰ等多种封装形式。有些ＤＳＰ系统可能最终要求是工业级或军用级标准，在选择时就需要注意到所选的芯片是否有工业级或军用级的同类产品。如果所设计的ＤＳＰ系统不仅仅是一个实验系统，而是需要批量生产并可能有几年甚至十几年的生命周期，那么需要考虑所选用的ＤＳＰ芯片供货情况如何，是否也有同样甚至更长的生命周期等。

在上述诸多因素中，一般而言，定点ＤＳＰ芯片的价格较便宜，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，功耗较大。例如ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｃ２ＸＸ／Ｃ５４Ｘ系列属于定点ＤＳＰ芯片，低功耗和低成本是其主要特点。而ＴＭＳ３２０Ｃ３Ｘ／Ｃ４Ｘ／Ｃ６７Ｘ属于浮点ＤＳＰ芯片，运算精度高，用ｃ语言编程方便，开发周期短，但同时其价格和功耗也相对较高。

ＤＳＰ应用系统的运算量是确定选用处理能力为多大的ＤＳＰ芯片的基础。运算量小则可以选用处理能力不是很强的ＤＳＰ芯片，从而可以降低系统成本。相反，运算量大的ＤＳＰ系统则必须选用处理能力强的ＤＳＰ芯片，如果ＤＳＰ芯片的处理能力达不到系统要求，则必须用多个ＤＳＰ芯片并行处理。

１１公司生产的芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２４０是ＤＳＰ家族基于ＴＭＳＣ２ＸＸ的新一代１６位定点数字信号处理器（ＤＳＰｓ）。它内含１６Ｋ的闪烁存储器（Ｆｌａｓｈ），处理能力达２０ＭＩＰＳ。几乎所有的指令都可以在一个周期（５０ｎｓ）内完成。这种处理能力可适用执行复杂算法，例如适应控制和ＦＦＴ滤波。高速采样速度可用于减少延迟跳转。ＴＭＳ３２０Ｆ２４０具有高速信号处理和数字控制的必需的结构特征，它采用亚微米ＣＭＯＳ工艺实现了低功耗。充分使用ＴＭＳ３２０Ｆ２４０ＤＳＰ芯片构成的实用系统，具有扩充的外围电路少、控制电路简单、控制手段灵活、易调试和易维护等很多特点。因此，综合上述因素本课题选用ＴＭＳ３２０Ｆ２４０芯片为核心芯片研制高速并行多点测温仪。

１．４ＴＭ￥３２０Ｆ２４０芯片的基本结构和特征

ＴＭＳ３２０Ｆ２４０的主要特征包括【２２书】：

?５０ｎｓ的指令周期，在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。能满足高速测温的要求。

●大容量的片内存储器：包含５４４字ｘ１６位的片内数据／程序双口（ＤｕａｌＡｃｃｅｓｓ）ＲＡＭ，

１６ｋ字×１６位的片内ＦｌａｓｈＥＥＰＲＯＭ，共计２２４ｋ字×１６位存储器地址范围（６４ｋ数据，６４ｋ程序和Ｉ／Ｏ以及３２ｋ全局存储器空间）。使用该芯片可以不必外接程序存储器，简化了外围电路设计，可靠性高。而且Ｆｌａｓｈ存储器使用方便，可以在线编程。

?双１０位Ａ／Ｄ转换模块。内含两个ＡＤＣ可以执行两路同步采样测温。每次Ａ／Ｄ转变时间为６．６ｕＳ，传送数据速率是纳秒级的，不影响ＡＤ转换。高速升降温速率一般为１０４＂Ｃ／ｓ，所以该ＡＤＣ可以实现本方案的高速多点并行测温。

?６个外部中断（电源驱动保护、复位、ＮＭＩ及３种可屏蔽中断）。

?ＴＩＡＮＳＩＣ编译器：汇编链接器：Ｃ源码调试器；带ＪＴＡＧ仿真模板；第三代数字电机控制和模糊逻辑开发支持。

ＴＭＳ３２０Ｆ２４０多用于机电控制、图像处理、多媒体等领域１２４琊ｌ。但在温度测控方面的应用还未见报导。以ＴＭＳ３２０Ｆ２４０为核心的多点高速测温仪可用于高能量密度加热的温度测量或淬火过程高速测温１２６Ｉ。要实现多点高速测温，ＤＳＰ与外围器件及设备的接口设计是一关键。新一代ＤＳＰ产品－－ＴＭＳ３２０Ｆ２４０是近年来发展起来的新器件，它在测温领域应用的参考资料未见报导，这需要在研制的过程中逐步摸索。由于该测温仪应用于高能量密度加热的温度测量（如高频淬火），外界对它的干扰特别大。因此对抗干扰的设计也是一关键。

９

第二章系统的工作原理及硬件设计

ＴＭＳ３２０Ｆ２４０芯片的性能完全能满足高速并行测温的要求，而且其内部具有１６Ｋ的闪烁存储器，闪烁存储器具有比ＲＯＭ灵活、比ＲＡＭ便宜的特点，利用闪烁存储器存储程序，不仅降低了成本，减小了体积，同时升级也比较方便。故本方案选用性价比较高的ＴＭＳ３２０Ｆ２４０作为核心芯片来研制高速并行测温仪。设计过程中应遵守以

图ｌ测温仪的研制过程流程图

合肥工业大学硕士学位论文基于ＤｓＰ的高速多点并行测温仪的研制下主要原则：

?改变控制方案或增加其它功能时，不必更换硬件或只做较少的改动。

●操作人员可以方便地调整各种参数，通用性好。

?样机运行可靠，调节准确快速。

●操作简单，性价比高。

基于ＤＳＰ的高速多点并行测温仪的研制过程见流程图１。

２．１系统的工作原理及其硬件设计

本方案研制的是多点并行测温仪，这里我们选择两个不同点作为采样点。由两路传感器将采集到的温度信号转变成电信号，经放大器放大成ＤＳＰ能接受到的信号，然后送入ＤＳＰ，ＤＳＰ内部自带的Ａ／Ｄ转换器将输入的模拟信号转变成数字信号ＡＤ值，ＤＳｌ８８２０作为热电偶的冷端补偿，在系统上电时测出环境温度送存储器，ＤＳＰ再将总的ＡＤ值拟合成温度值，最后送显示。操作人员可以根据需要通过按键来读一点或多点的温度，或轮流显示各点的温度，还可根据需要打印出温度一时间曲线‘”Ｉ。

该系统主要由ＴＭＳ３２０Ｆ２４０芯片及其外围器件构成。主要由传感器、放大器、内部自带ＡＤ的ＴＭＳ３２０Ｆ２４０、数据存储器、键、显示器、报警等组成。该系统的硬件框图如图２。

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图２系统的硬件框图

２．２系统的电路设计

该测温仪的电路主要由以下几个部分组成：（１）复位和时钟电路；（２）存储器接口电路；（３）前向通道测量电路；（４）显示器接口电路；（５）电源：（６）打印机接口电路等。

２．２．１复位电路

图３所示为一个简单的实用的手动复位电路。电源刚加上时，ＴＭＳ３２０Ｆ２４０处于

＝

图３手动复位电路

复位状态，／ＲＳ为低使芯片复位。为使芯片初始化正确，一般应保ｉ正／ＲＳ为低至少持续３个ＣＬＫＯＵＴ周期。但是上电后，系统的晶体振荡器往往需要几百毫秒的稳定期，一般为ｌＯＯｍｓ．２００ｍｓ。图３电路的复位时间主要由Ｒ和Ｃ确定１２８１。Ａ点的电压Ｖ＝Ｖｃｃ（１－ｅ”），ｔ＝ＲＣ。设Ｖ１－１。５Ｖ为低电平与高电平的分界点，则：

ｔ１＝一ＲＣｌｎ（１－Ｖｌ／Ｖｅｅ）

选择Ｒ＝１００Ｋｆｊ，Ｃ＝４．７ｕＦ，可得ｔｌ＝１６７ｍｓ，随后的施密特触发器保证了低电平的持续时间至少为１６７ｍｓ，从而满足复位要求。对于实际的ＤＳＰ应用系统特别是产品化的ＤＳＰ系统，可靠性是一个不容忽视的问题。实际上ＤＳＰ系统的时钟频率较高，在运行时极有可能发生干扰和被干扰的现象，严重时系统可能会出现死机现象，为了克服这

种情况，除了在软件上做一些保护措施外，硬件上最有效的保护措施就是采用具有监视（Ｗａｔｃｈｄｏｇ）功能的自动复位电路。由于ＴＭＳ３２０Ｆ２４０自带Ｗａｔｃｈｄｏｇ模块，因此不必外接自动复位电路。

２．２．２时钟电路

给ＴＭＳ３２０Ｆ２４０提供时钟一般有两种方法。一种是利用ＤＳＰ芯片内部提供的晶振电路，在ＴＭＳ３２０Ｆ２４０芯片的ＸＴＡＬｌ和ＸＴＡＬ２之间连接一晶体可启动内部振荡器，如图４所示。晶体应为基本模式并为并谐振。

另一种方法是将外部时钟源直接输入ＸＴＡＬｌ／ＣＬＫＩＮ引脚，ＸＴＡＬ２悬空，采用封装好的晶体振荡器。本实验中采用前一种方法。

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图４内部振荡电路

２．２．３存储器接口

在ＴＭＳ３２０Ｆ２４０芯片中有５４４Ｋ字的片内ＲＡＭ和１６Ｋ的ＦｌａｓｈＥＥＰＲＯＭｌ２９＂ａ。１，但对于高速测温，仅有５４４字的ＲＡＭ是不够的。以高频淬火为例，从室温到淬火温度所需时间约为１０ｓ１３１Ｉ。一次采样周期设为２００扯ｓ，采样值占用２字节，则一次采样的最大存储深度为２×１０×１０６／２００＝１００，０００字节。即约为ＩＯＯＫＢ。因此必须采用ＳＲＡＭ扩展外部的数据存储器。在本实验中采用两片１２８ＫＸ８随机读取ＲＡＭ｝跏６２８１２８构成】６位１２８Ｋ的数据空间。ＨＭ６２８１２８是３２脚双列直插式１２８Ｋ静态随机读取ＲＡＭ，它具有容量大、功耗低、价格便宜、集成度高、速度快、设计和使用方便等特点。如若在系统中加入掉电保护电路，保护数据有很高的可靠性，可以和ＥＥＰＲＯＭ相媲美。

图５ＨＭ６２８１２８外部引脚排列图

ⅡＭ６２８１２８的技术特性如下：

（１）最大存取时间为７０ｎｓ；

（２）典型选通功耗７５ｍＷ；典型未选通功耗１０ｐ，Ｗ；

（３）使用单一５Ｖ电源供电；

（４）全静态存储器，不需要时钟及时序选通信号；

（５）周期时间与存取时间相等：

（６）采用三态输出电路，数据输入和输出端公用：

（７）所有输入和输出引脚均与ｒｒＬ电平直接兼容；

（８）有两个片选端，适合于低功耗使用，即为了保存信息，用电池作为后备电

源。保存信息的最低电源电压Ｖｃｃ＝２Ｖ。

图５是Ｈ２Ｖ１６２８１２８的外部引脚排列图，各引脚名称及功用分别如下：

Ａ０～Ａ１６是１７条地址线；Ｉ／００～Ｉ／０７是８条双向数据线；ＣＳｌ是片选１，低电平有效，ＣＳ２是片选２，高电平有效；ＷＲ是写控制线，当ＣＳｌ为低电平，ＣＳ２为高电平时，ＷＲ的上升沿将Ｉ／００～Ｉ／０７上的数据写到Ａ０～Ａ１６选中的存储单元中；ＯＥ是读出允许端，低电平有效。

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