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公司生產的TMS320C2407[1] 為核心。它主要有如下特點：采用增強的哈佛結構；應用高性能靜態CMOS技術生產，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，用它構成的系統不但能很好地滿足系統的要求而且降低系統的復雜性，性能價格比較高。由于一般系統要求處理的數據量大且對實時性要求高，而DSP芯片內部的數據存儲器容量不能滿足要求，因此系統外擴高速大容量的數據緩沖存儲器。系統中選用高速SRAMCY7Cl020V-15，它是CYPRESS公司生產的高性能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，且工作電壓為3.3v，也與DSP的I/O電平相匹配，無需電壓轉換接口電路。液晶顯示選用的是動態時分割驅動方式的T6963C控制芯片為核心的液晶顯示成品板，該板內含GB 2312 16 *16 點陣國標一級簡體漢字和ASCII 8 *8 點陣的英文字庫，用戶輸入區位碼或ASCII 碼即可以實現文本顯示。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字的點陣，極大的簡化了編程工作，豐富了顯示信息量。本設計采用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，彌補了插卡結構的缺點，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據交換的外設的要求，而且使USB總線可以應用于實時信號處理系統；而且USB2.0標準具有良好的兼容性。采用USB總線符合儀器數字化、模塊化、通用性和即插即用的發展趨勢。
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溫度控制系統軟件程序設計
本設計采用模糊-數字PID復合控制算法。模糊控制[3]對時變對象有一定適應能力,但范圍有限,精度不高。而PID控制對相當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。若使二者結合,進行模糊-數字PID復合控制,理應取得較好效果。模糊-數字PID復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時，采用PID控制，其主流程圖如圖4所示。模糊-數字PID復合控制算法的系統具有動態性能較好,而且調節時間縮短，超調量小等優點。
在本系統中把偏差劃分為兩個范圍：①當偏差的絕對值 時,采用增量型數字ＰＩＤ控制算法，②當偏差的絕對值 時,采用模糊控制算法。算法流程圖如圖5所示。
（1）當偏差的絕對值 時,采用增量型數字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、易于實現等特點。它的輸出表達式為:
該數學模型相當于在傳統ＰＩＤ控制的基礎上又增加了一級高階控制,加大了控制的強度和精確度,改善了響應速度與穩定速度之間的關系,提高了系統的安全性。
（2）當偏差的絕對值 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的計算機數字控制。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。本系統設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節,還要對偏差的變化率進行調節,這樣有利于保證系統的穩定性，不致產生振蕩。模糊化就是把觀測值論域上的語言值轉換成模糊子集，而模糊量則是實測溫度與設定值的偏差E、偏差變化率Ec和控制輸入U。根據實際及操作人員的控制經驗，對這幾個模糊量，可歸納一系列控制規則，例如規則i:
If (E is Ai1) AND (Ec is Ai2) Then U is Bi; ( i=1,2,……,r)
r為規則數，Ai1、AI2、…及Bi為語言變量，則由第I條規則構成的模糊關系為：
Ri =(Ail *Bi) * (Ai2 * Bi)
而對于一定Ej和Ecj，相應的輸出為：
Ui=[Ej* (Ail *Bi)] * [Ecj* (AiZ * Bi)]
則：U=Ui (i=1，2，…，r)
根據控制經驗，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換關系,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，求出各相應的控制表，并將數據存入DSP內存，以便在線使用，實施實時控制。
軟件采用定時器T0中斷方式,中斷服務子程序如圖6所示。系統每隔一個時間段進行一次中斷,啟動Ａ/Ｄ轉換,同時完成數據采集、數字ＰＩＤ控制、控制量輸出、溫度顯示及數據保存等功能。定時器T1中斷，為DSP處理器和計算機通訊，發送數據，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,為了減小系統在平衡位置的振蕩,在軟件上采取了數據濾波、設定死區等措施。
4結語
基于DSP2407模糊-數字PID差熱天平采用計算機控制技術，能夠實現溫度發控制，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整,取得了很好的控制效果，達到了預期的設計目的。
參考文獻
1劉和平.TMS320LF240x DSP結構、原理及應用[M]. 北京:航空航天大學出版社，2002.
2 孫增圻 等. 智能控制理論與技術[M]. 北京：清華大學出版社，1997.
3 于海生 等. 微型計算機控制技術[M]. 北京：清華大學出版社，1999.
4 張念淮 等. USB總線接口開發指南[M]. 北京：國防工業出版社，2001
李智強，男，1976－，河南工業大學電氣工程學院，碩士
籍貫：山東；研究方向：電氣自動化，數控技術
郭廣靈，女，1971－，河南工業大學電氣工程學院，副教授
聯系方式：李智強：河南工業大學電氣工程學院自動化教研室（鄭州市中原西路195號）
E-mail:lwzq8050@163.com
單位:河南工業大學，郵編：450007
66821730(技術支持)
