基于DSP的阀门开度控制系统设计

基于DSP的阀门开度控制系统设计

冯杨

大唐双鸭山热电有限公司  黑龙江双鸭山  155100

摘要：德州仪器可提供不同档次、类型的数字信号处理器（Digital Signal Processor,DSP）芯片。大量实践证明，TMS320芯片能满足实际数据传输要求。此外，TMS320芯片凭借其高效性、实时性、操作灵活以及能有效满足远程通信要求等特征被广泛应用，具有较高的应用价值。TMS320芯片是16 bit定点DSP，主要包括优化的哈弗结构、片内外围设备、高度专业的指令集以及硬件逻辑中央处理器（Central Processing Unit,CPU）等。

关键词：DSP；阀门

流体管道系统中，阀门属于不可或缺的重要控制元件，在管道成本中占比可达30%～50%。通过合理选用阀门，可完成启闭、调节流量和节流，以及防止介质倒流、调整管道压力等操作。阀门作为复杂程度较高的元件，是通过不同零部件共同转配构成，技术含量明显较高。化工行业快速发展，化工生产装置所储存运输的介质存在毒性、腐蚀性与易燃易爆等危险，运行工况相对复杂苛刻，且温度、压力等相对较高，阀门若发生故障问题，可能引起介质泄漏，严重则可引起重大危险事故，对环境、经济等带来严重影响。所以，化工设计中，有必要对常用阀门采取合理选型，节省成本费用的同时，充分保障化工安全生产。

1 系统总体设计

1.1 TMS320VC5402芯片性能

TMS320VC5402芯片的CPU具有如下结构特征。第一，具有高性能的哈弗总线结构。TMS320VC5402芯片内部安装有3条相互独立的16 bit数据存储器总线、4条地址总线以及1条程序存储器总线。第二，它具有1个40 bit算术逻辑单元、2个独立加法器以及1个桶形移位器。第三，将加法器与并行乘法器相结合，可在非并行指令周期中进行一次加法操作和乘法操作。第四，可选择采用合适的蝶形算法。第五，指数译码器能在相同指令周期中计算累加数的指数值，具体数据是累加器中没有被数据占用的个位数减去8，得到的指数范围为8～31。

1.2 网络控制芯片RTL8019AS性能

系统采用Real Tek企业生产的RTL8019AS控制芯片，是一种高度集成的以太网控制器，具有低能耗、全双工等特征，是一种实用性较强的适配器，可为日常数据传输提供便捷。RTL8019AS控制芯片的全双工功能可让收发连接在全双工交换器上，与双绞线同步传输，使得RTL8019AS控制芯片成为系统中较为合适的网络设备。合理应用该项特征不仅能拓展通道带宽，还能避免以太网中基于冲突检测的载波监听多路访问协议（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection,CSMA/CD）信道出现相互冲突问题。同时，微软的即插即用功能可使用户无须关注适配器资源配置问题。对一些特殊设备，RTL8019AS芯片可以提供非跳线和跳线功能。

1.3 复杂可编程逻辑器件CPLD性能

CPLD芯片在系统中具有桥梁作用，用于实现电压匹配和译码。系统使用的CPLD芯片是Altera企业MAX7系统中的设备，内部共有2 500个可用门、8个逻辑阵列块、100多个拍引脚以及128个宏单元。M7系列器件可以提高编程速度。日常设计中，关键环节M7系列器件可全速大功率运行，在其他环节可低功率运行。合理利用该特征只需要添加一个时间延迟，即可使许多单元在低功耗下运行，达到低功耗运行效果、

1.4 电源

TMS320VC5402芯片外部有FO端口、连接端口以及电源等。通过CPLD芯片优化的TMS320VC5402芯片进行低电压供电模式，可有效减少日常功耗。TMS320VC5402电源分为FO电源和内核电源两种类型，其中FO电源通常使用3.3 V电压，内核电源使用1.8 V电压，以此控制内核电压，减少系统的日常运行功耗。

2 系统软件设计

2.1 TMS320VC5402芯片程序设计

系统初始化主要包括RTL8019AS芯片初始化和TMS320VC5402芯片初始化。TMS320VC5402芯片的存储器必须要配置相关软件后才可正常使用，通常由用户配置工作。在软件工程中，以cmd为后缀的文件通常提供给链接器应用。链接器会根据整个文件的内容将输出端分配到指定位置。用户需自主完成整个文件的处理工作。同时，在C/C++程序中要进行中断处理，将中断向量文件导入程序。

2.2 Boot Loader程序设计

系统以并口8 bit数据空间为基础，先读取数据空间的内容。该内容含有一个有效地址，需进行系统引导。根据有效地址，Boot Loader程序能获得Boot表格的首个字母。当该字母为0X10AA时，须使用16 bit读取模式；当第一个字母后8 bit为0X08、下一个字母后8 bit为0XAA时，须使用8 bit读取模式。再读取R1初始化寄存器的数据，在程序完成Boot后，入口偏移指针PC和指针XPC结构基本相同，依次是区段长度和需搬移的区段内容。Boot程序将不同区段全部移动到随机存取存储器（Random Access Memory,RAM）程序。在所有区段移动完成后，程序指针会移动到程序入口位置，而TMS320VC5402芯片自动进入正常工作状态。

3 基于DSP的实时信号处理系统软件设计

3.1 系统设置和初始化

设计的是常用数字信号处理系统，在软件设计方面采用通用型，不同信号处理任务应用对应的子程序。工作人员可通过代码调试器（Code Composer Studio,CCS）中的DSP/BIOS编程方法，初始化片上资源和外设，自动生产程序框架。该种程序框架能将多样化信号处理算法编制成子函数，使得工作人员只要合理调整不同子函数就能完成各种工作。同时，可应用DSP/BIOS组件管理器中的模块，结合系统要求设置相关数据。其中：测试设置事件日志管理器和统计目标管理器；系统设置存储器配置和全局设置；调度设置软件中断、硬件中断以及空闲函数管理器；芯片支持库设置直接内存访问控制器、多通道缓存还口、外部存储器接口以及电源等。

3.2 信号处理程序执行流程设计

当DSP处于IDL状态时，正式开始信号处理工作。系统根据实际情况自动配置参数，执行信号处理、状态指示、闲置状态等程序，且随时中断响应。直接存储器访问（Direct Memory Access,DMA）传输工作完成后，会自动执行信号处理算法，妥善处理相关数据资源，再利用状态指示进程输入实际工作状态，然后DMA输出处理后的数据资源，重复上述工序。当各种进程不执行时，系统被调整到闲置进程，DSP进入省电状况，直到其被强制唤醒。

3.3 阀门选型注意事项

化工设计中，常用阀门合理选型属于重中之重，直接关乎化工安全生产和整体效益。因此在阀门选型时需重点考虑下面几个因素：①输送流体性质。阀门作用在于对流体的有效控制，流体种类各不相同，如蒸汽、浆液和气体与液体等，部分流体清洁程度较差，可能含有固体悬浮颗粒和粉尘等。所以，阀门选用期间，需对流体性质充分分析，以保证阀门选用符合具体标准要求。②阀门功能。阀门选择期间要考虑到阀门的功能，综合考虑具体的使用条件，如调节压力、流量或切断，需要快速启闭，单向流动或双向流动等。总而言之，需对阀门特性、用途和功能充分了解，从而为阀门合理选用提供基础依据。③阀门尺寸。化工设计中，需结合工艺管道的类型和尺寸等来选择阀门的标准尺寸。④阀门工作压力、温度。不同类型阀门使用范围和条件存在明显差别，面对不同压力、温度条件，就需要对阀门类型做出正确选择。需基于工艺工况，对阀门材料、压力等级进行明确，以此来为阀门选型提供参考。⑤阀门压力损失。局部阻力损失同阀门存在直接联系，各类型阀门因结构存在差别，阻力大小各不相同，因此在阀门选型过程中一定要重点关注阻力允许标准范围。⑥阀门材质。在设计中，要结合温度、压力等级以及流体特性等情况来重点考虑阀门的材质选择。阀体、阀座和阀盘部分所涉及材质各不相同，尤其是对于输送腐蚀性物料的情况下，一定要基于物料性质做出合理选择，从而保证阀门性能。

4 结语

CPLD芯片作为DSP芯片开发的重要环节，具有较强的桥梁作用，不仅实现了DSP芯片和低速设备的相互兼容，还使得5 V设备和3.3 V设备的连接工作更加简单，实现了系统译码、电平匹配以及数据缓冲功能。同时，基于DSP芯片的嵌入式系统能有效实现TCP/IP的封装作用，并能利用网络实现NIC设备的数据传输工作。

参考文献

[1] 郭涛.基于ARM DS-5平台设计ThreadX嵌入式实时操作系统关键技术开发及应用[D].北京：华北电力大学，2021.

[2] 任小强，王雪梅，唐晓华，等.基于DSP Builder多波形信号发生器的设计与实现[J].仪表技术，2021(6):9-11.