原标题：基于C5402DSP和DS18B20实现PID温度控制系统的设计方案

　　作者：肖洪兵，李冬梅，李朝晖

　　1C5402DSP的应用特点

　　尽管从一般意义上讲，基于MCU(单片机)与DSP(数字信号处理器)这两类器件的系统都有各自的用途，但现在很多新兴的嵌入式应用，尤其是那些大型的复杂系统，在系统内同时实现信号与控制两种处理，它们既需要DSP的功能又需要MCU的功能。笔者正是基于这种尝试，在PID温度控制系统中，将DSP应用到MCU的应用场合，取得了较好的控制效果。随着DSP(数字信号处理器)制造技术的发展，其成本已经下降到较低水平;而DSP的处理速度可满足控制的实时性需求。本设计中选用了性价比高、运算能力强、实时性好的TMS320C5402DSP来实现PID温度控制算法。C5402DSP相对于单片机的主要优势在于：首先，C5402DSP采用的是哈佛结构，有多组总线分别连接到程序存储空间和数据存储空间结构，片内有三组16bit数据总线CB、DB、EB和一组程序总线PB以及对应的4组地址线CBA、DBA、EBA、PBA;其次，具有硬件乘加器，包括一个17*17bit乘法器和一个40bit专用加法器，可以在单周期内完成乘、加运算各一次，运算能力很强;还有，采用了流水线技术，指令具有6级流水线，相对于单片机而言，速度大大提高;另外，还具有串行口和并行口等外设，可满足控制的输入输出要求。

　　2系统硬件结构与工作原理

　　系统的硬件结构如图1所示。本设计主要分为温度采集和PID控制两部分。DSP检查所得温度是否超过上下限值，若超过则报警并转入相应处理;否则根据所要求的标准温度值计算采集温度与标准值的偏差e(n)，转入PID算法程序进行处理，得到输出控制信号y(n)，通过y(n)来控制加热/降温装置进行工作，达到控温的效果。

　　图1系统结构原理框图

　　3软件设计

　　本设计主要包括主程序、温度采集子程序、上下限温度值查询子程序、PID子程序等。其中，温度采集子程序和PID子程序是核心，本文将着重介绍。

　　3.1温度采集程序

　　DSP芯片通过串口0与单总线温度传感器DS18B20的数据线相连，对现场温度进行采集，DSP芯片TMS320C5402通过串口0读出采集到的温度并对它进行滤波处理;通过串口1写中断，调用显示程序进行温度显示。为便于读者参考，下面给出DS18B20的DSP温度读写程序。

　　(1)DSP写数据子程序

　　TX0STM#PCR0，SPSA0

　　STM#0011001000000010B，McBSP0

　　RPT#100

　　NOP

　　STM#PCR0，SPSA0

　　STM#0011001000000000B，McBSP0

　　RPT#1500

　　NOP

　　STM#PCR0，SPSA0

　　STM#0011001000000010B，McBSP0

　　RET

　　(2)DSP读数据子程序

　　RXSTM#PCR0，SPSA0

　　STM#0011001000000010B，McBSP0

　　RPT#120

　　NOP

　　STM#PCR0，SPSA0

　　STM#0011001000000000B，McBSP0

　　RPT#120

　　STM#PCR0，SPSA0

　　STM#0011001000000010B，McBSP0

　　RPT#120

　　NOP

　　LD#04H，A

　　STLA，TMP

　　PORTWTMP，7H

　　STM#PCR0，SPSA0

　　LDMcBSP0，A

　　AND#0001H，A

　　BCRX1，ANEQ

　　RSBXC

　　BRX2

　　RX1SSBXC

　　RX2RORB

　　LD#02H，A

　　STLA，TMP

　　PORTWTMP，7H

　　RET

　　3.2PID算法在DSP上的实现

　　经典PID控制算法的表达式为：

　　y(t)=KP*[e(t)+1/TI*∫e(t)dt+TD*de(t)/dt](3.1)

　　式中：

　　y(t)—调节器的输出信号

　　e(t)—调节器的偏差信号，它等于给定值与测量值之差

　　KP—调节器的比例系数

　　TI—调节器的积分系数

　　TD—调节器的微分时间

　　为了用DSP实现上式，必须将其离散化，用数字形式描述为：

　　y(n)-y(n-1)=KP[e(n)-e(n-1)]+KI*e(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)](3.2)

　　其中：

　　KI=KP*T/TI;

　　KD=KP*TD/T

　　T—采样周期

　　e(n)—第n次采样的偏差;

　　e(n-1)—第n-1次采样时的偏差;

　　e(n-2)—第n-2次采样时的偏差。

　　由式(3.2)可知，要计算第n次输出值y(n)，只要知道y(n-1)，e(n)、e(n-1)、e(n-2)即可。

　　式(3.2)还可以表示为下式：

　　y(n)-y(n-1)=d0*e(n)+d1*e(n-1)+d2*e(n-2)(3.3)

　　式中：

　　d0=KP(1+T/TI+TD/T)

　　d1=-KP(1+2TD/T)

　　d2=KP*TD/T

　　将式(3.3)代入(3.2)得：

　　y(n)=d0*e(n)+d1*e(n-1)+d2*e(n-2)+y(n-1)

　　上述式子是典型的乘加算式，而DSP具有专门的乘加指令，在DSP上非常容易实现;所以，该式成为PID算法在DSP上实现的依据。

　　在C5402DSP上实现的PID算法程序包括：PID各参量的初始化，计算偏差值e(n)，PID算法处理，e(n)、y(n)参数更新等。这些功能在DSP上实现较之单片机而言，显得非常方便。

　　在DSP上实现的程序代码如下。

　　(1)PID初始化

　　startpid:SSBXFRCT;小数方式标志位

　　STM#en+1，AR1;取e(n-1)地址送AR1

　　RPT#1;重复2次

　　MVPD#table，*AR1+;传送初始数据e(n-2)，e(n-1)

　　STM#yn，AR1;取y(n-1)地址送AR1

　　MVPD#table+2，*AR1;传送初始数据y(n-1))

　　STM#Kpid，AR1

　　RPT#2;重复3次

　　MVPD#table+3，*AR1+;传送初始数据d2，d1，d0

　　(2)PID算法程序

　　STM#en，AR1;取e(n)地址送AR1

　　LD@Tx，A;调入温度值

　　SUB#TSTD，A;计算温度值与标准值的偏差

　　STHA，*AR1+;输入偏差e(n)

　　STM#en+2，AR1

　　STM#Kpid+2，AR2

　　STM#2，AR0

　　LD*AR1-，T;e(n-2)送T

　　MPY*AR2-，A;d2*e(n-2)

　　LTD*AR1-;e(n-1)送T，e(n-1)送e(n-2)

　　MAC*AR2-，A;A+d1*e(n-1)

　　LTD*AR1+0;e(n)送T，e(n)送e(n-1)

　　MAC*AR2+0，A

　　ADDA，@yn，A

　　STHA，@yn;保存y(n)

　　PORTW@yn，PA1

　　RET

　　4结语