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基于DSP处理器的光纤高温测量仪的设计方案
摘要：介绍了一种基于DSP处理器的光纤高温测量仪的设计方案。该测量仪以TMS320F2812芯片为核心，在硬件设计的基础上，借助CCS2.0软件开发系统完成了仪器的软件设计。实验表明，DSP芯片用于高温测量，可充分发挥其强大的数据处理能力，提高测量的实时性。 1 引言 温度是表征物体冷热程度的物理量，是工业生产过程中测控的重要参数，温度过高或过低都会对产品的质量造成影响，甚至使产品报废、设备损坏。因此，温度的测量和控制具有十分重要的作用[1]，在冶金、化工等领域，高温测量占有极其重要的地位。 光纤传感技术是继光纤成功地用于通讯之后发展起来的一项高新技术，采用比 {MOD}法原理进行测温的光纤高温测量仪，具有测量精度高、温度响应速度快、抗电磁干扰、信号损耗少、体积小等优点，能有效减小被测物体的发射率变化、环境干扰、器件老化等因素带来的测量误差，因此，在高温测量领域，光纤测温仪得到广泛的应用[2]。 目前，光纤高温测量仪通常采用单片机对数据进行处理，得到温度值。由于单片机数据处理能力不足，其信号处理的算法比较简单，因此容易造成测量精度的降低。当要建立较为完善的信号处理算法以提高精度时，例如线性补偿、修正发射系数等，面对大量数据进行复杂快速的处理，单片机实现实时测温就有困难。 近年来，随着DSP技术的广泛应用，DSP芯片也运用到光纤高温测量仪中，对大量的现场数据进行高效处理。DSP芯片的使用大大提高了数据处理的能力，从而使仪器的响应速度得到提高。本文所设计的光纤高温测量仪主要是针对高精度快速测量高温的需要而开发的。 2 硬件结构 光纤高温测量仪由光学部分和电路部分组成，如图1所示，包括高温探头、光电转换部分、信号放大器、信号处理与显示打印输出等部分。
图1 测温仪的结构框图 在光路部分设计中，为了保证采样转换后的信号是平行的，应尽量使两路光路保持对称。同时，还应该使光路信号不受干扰和衰减，以保证转换成电信号后有较强的和干净的输出。在电路部分设计中，要尽可能采用典型电路，电路中的相关器件性能必须匹配，扩展器件较多时，要设置线路驱动器。为确保仪器长期可靠运行，必须采取相应的抗干扰措施[3]。 一个基于DSP的仪器，硬件与软件相互支持，缺一不可。本文重点介绍软件设计。经过分析，我们采用TI公司生产的DSP芯片TMS320F2812作为处理器的核心，并辅以一些外围电路来实现设备的功能要求。 3 软件设计 软件设计使用CCS2.0开发系统。CCS2.0代码调试器是一种针对标准TMS320调试接口的集成开发环境IDE[4,5]。 光纤高温测量仪的软件设计主要是将前向通道采集到的一对高温物体辐射出的不同波长能量的模拟电压信号，采用AD转换程序并行的转换成数字量，然后经过滤波和数据处理程序拟合成温度值后显示或打印出来。其中，可以对温度范围做出限制，若实际温度超出设定范围，则引发报警，同时显示“HHH”标志。键盘操作由中断程序进行响应。中断程序流程图如图2所示，主程序流程图如图3所示。主程序主要是对TMS320F2812进行一些初始化操作，以及调用其它子程序来构成一个功能程序；中断程序主要是用来对按键进行响应操作的。
图2 中断程序流程图 AD转换与数据处理程序设计 从前向通道采样到的一组并行模拟信号输入到TMS320F2812芯片中的ADC模块进行AD转换，流程图如图4所示。为了保证两路并行信号的转换时间保持同步，采用并发采样模式。AD转换后，得到两个数字量U1和U2，其中U1为波长 的转换值，U2为波长 的转换值。根据测温原理，可知 与T的关系为：式中的A、B、C三个系数将通过转换得到的R(T)与用温度计实测的T的数据对照表经最小二乘法拟合曲线获得。
图3 主程序流程图 图4 AD转换与数据处理程序流程图 显示程序设计 显示器采用芯片HD7279A来驱动8位LED数码管进行显示。HD7279A采用串行接口，无需外围元件可直接驱动LED。串行数据从 DATA引脚送入芯片，并由CLK端同步，当片选信号/CS变为低电平后，DATA引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入HD7279A的缓冲寄存器，然后不停的将缓冲寄存器中保存的数据输出，驱动LED显示。流程图如图5所示。 打印程序设计 采用SPRM系列微型热敏打印机作为打印输出。该打印机除了提供传统的ESC打印命令外，还提供汉字打印控制命令。采用并行接口设计，打印程序较串口更简单一些。初始化打印机后，程序判断打印机是否“忙”，若“忙”，则等待，直至打印机“不忙”时，才能将需要打印的字符或数据经过TMS320F2812芯片的8位通用I/O口并行地送给打印机，并通过STB口告知打印机该段数据已发送可以接收后，打印机才可以读并口数据并打印输出。流程图如图6所示。 光纤高温测量仪除了上述介绍的程序外，还有一些其它程序，如：最小二乘法拟合曲线程序、报警程序、滤波程序等。报警程序主要是控制报警接口的电平，根据报警条件（即实测温度是否超过设定值）来确定接口电平的高低。由于工业现场环境十分恶劣，单靠硬件滤波有时无法滤除干净，必须加上软件滤波来进一步清除噪声，提高仪器的稳定性、可靠性和抗干扰能力[6]。
图5 显示程序流程图 图6 打印程序流程图 4 结束语 通过实验室测试，本系统响应速度快（响应时间小于15ms）、使用寿命长、抗电磁干扰、灵敏度高，测温范围为750~1500度。通过软件调整，能够完成许多特殊环境下的在线测量。DSP芯片用于高温测量，可充分发挥其强大的数据处理能力，提高测量的实时性，在传统的高温测量领域有着十分广阔的应用前景。
摘要：介绍了一种基于DSP处理器的光纤高温测量仪的设计方案。该测量仪以TMS320F2812芯片为核心，在硬件设计的基础上，借助CCS2.0软件开发系统完成了仪器的软件设计。实验表明，DSP芯片用于高温测量，可充分发挥其强大的数据处理能力，提高测量的实时性。 1 引言 温度是表征物体冷热程度的物理量，是工业生产过程中测控的重要参数，温度过高或过低都会对产品的质量造成影响，甚至使产品报废、设备损坏。因此，温度的测量和控制具有十分重要的作用[1]，在冶金、化工等领域，高温测量占有极其重要的地位。 光纤传感技术是继光纤成功地用于通讯之后发展起来的一项高新技术，采用比 {MOD}法原理进行测温的光纤高温测量仪，具有测量精度高、温度响应速度快、抗电磁干扰、信号损耗少、体积小等优点，能有效减小被测物体的发射率变化、环境干扰、器件老化等因素带来的测量误差，因此，在高温测量领域，光纤测温仪得到广泛的应用[2]。 目前，光纤高温测量仪通常采用单片机对数据进行处理，得到温度值。由于单片机数据处理能力不足，其信号处理的算法比较简单，因此容易造成测量精度的降低。当要建立较为完善的信号处理算法以提高精度时，例如线性补偿、修正发射系数等，面对大量数据进行复杂快速的处理，单片机实现实时测温就有困难。 近年来，随着DSP技术的广泛应用，DSP芯片也运用到光纤高温测量仪中，对大量的现场数据进行高效处理。DSP芯片的使用大大提高了数据处理的能力，从而使仪器的响应速度得到提高。本文所设计的光纤高温测量仪主要是针对高精度快速测量高温的需要而开发的。 2 硬件结构 光纤高温测量仪由光学部分和电路部分组成，如图1所示，包括高温探头、光电转换部分、信号放大器、信号处理与显示打印输出等部分。
图1 测温仪的结构框图 在光路部分设计中，为了保证采样转换后的信号是平行的，应尽量使两路光路保持对称。同时，还应该使光路信号不受干扰和衰减，以保证转换成电信号后有较强的和干净的输出。在电路部分设计中，要尽可能采用典型电路，电路中的相关器件性能必须匹配，扩展器件较多时，要设置线路驱动器。为确保仪器长期可靠运行，必须采取相应的抗干扰措施[3]。 一个基于DSP的仪器，硬件与软件相互支持，缺一不可。本文重点介绍软件设计。经过分析，我们采用TI公司生产的DSP芯片TMS320F2812作为处理器的核心，并辅以一些外围电路来实现设备的功能要求。 3 软件设计 软件设计使用CCS2.0开发系统。CCS2.0代码调试器是一种针对标准TMS320调试接口的集成开发环境IDE[4,5]。 光纤高温测量仪的软件设计主要是将前向通道采集到的一对高温物体辐射出的不同波长能量的模拟电压信号，采用AD转换程序并行的转换成数字量，然后经过滤波和数据处理程序拟合成温度值后显示或打印出来。其中，可以对温度范围做出限制，若实际温度超出设定范围，则引发报警，同时显示“HHH”标志。键盘操作由中断程序进行响应。中断程序流程图如图2所示，主程序流程图如图3所示。主程序主要是对TMS320F2812进行一些初始化操作，以及调用其它子程序来构成一个功能程序；中断程序主要是用来对按键进行响应操作的。
图2 中断程序流程图 AD转换与数据处理程序设计 从前向通道采样到的一组并行模拟信号输入到TMS320F2812芯片中的ADC模块进行AD转换，流程图如图4所示。为了保证两路并行信号的转换时间保持同步，采用并发采样模式。AD转换后，得到两个数字量U1和U2，其中U1为波长 的转换值，U2为波长 的转换值。根据测温原理，可知 与T的关系为：式中的A、B、C三个系数将通过转换得到的R(T)与用温度计实测的T的数据对照表经最小二乘法拟合曲线获得。
图3 主程序流程图 图4 AD转换与数据处理程序流程图 显示程序设计 显示器采用芯片HD7279A来驱动8位LED数码管进行显示。HD7279A采用串行接口，无需外围元件可直接驱动LED。串行数据从 DATA引脚送入芯片，并由CLK端同步，当片选信号/CS变为低电平后，DATA引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入HD7279A的缓冲寄存器，然后不停的将缓冲寄存器中保存的数据输出，驱动LED显示。流程图如图5所示。 打印程序设计 采用SPRM系列微型热敏打印机作为打印输出。该打印机除了提供传统的ESC打印命令外，还提供汉字打印控制命令。采用并行接口设计，打印程序较串口更简单一些。初始化打印机后，程序判断打印机是否“忙”，若“忙”，则等待，直至打印机“不忙”时，才能将需要打印的字符或数据经过TMS320F2812芯片的8位通用I/O口并行地送给打印机，并通过STB口告知打印机该段数据已发送可以接收后，打印机才可以读并口数据并打印输出。流程图如图6所示。 光纤高温测量仪除了上述介绍的程序外，还有一些其它程序，如：最小二乘法拟合曲线程序、报警程序、滤波程序等。报警程序主要是控制报警接口的电平，根据报警条件（即实测温度是否超过设定值）来确定接口电平的高低。由于工业现场环境十分恶劣，单靠硬件滤波有时无法滤除干净，必须加上软件滤波来进一步清除噪声，提高仪器的稳定性、可靠性和抗干扰能力[6]。
图5 显示程序流程图 图6 打印程序流程图 4 结束语 通过实验室测试，本系统响应速度快（响应时间小于15ms）、使用寿命长、抗电磁干扰、灵敏度高，测温范围为750~1500度。通过软件调整，能够完成许多特殊环境下的在线测量。DSP芯片用于高温测量，可充分发挥其强大的数据处理能力，提高测量的实时性，在传统的高温测量领域有着十分广阔的应用前景。
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