【嵌入式PID温度控制系统】Part 2：板级集成

旧乡故客

本篇文章主要介绍了EFM8微控制器与DAC和MAX31855进行通信的固件代码。

该PID（比例 - 积分 - 微分）温度控制系统的主要组件包含EFM8微控制器、DAC和MAX31855热电偶数字转换器。该系列总共有6部分：

●    Part 1：电路原理设计

●    Part 2：板级集成

硬件设计

在上一篇文章中，我们介绍了PID控制系统的示意图：

从该图中我们可以看到建立PID系统需要三个基本组件：执行PID计算的控制器；将控制器的计算转化为物理变化的执行器；以及反馈机制，将物理变化转换回模拟或数字信号，可用于控制器的计算。在我们的PID恒温器中，这三个组件分别对应于EFM8微控制器、带大电流驱动电路的DAC以及MAX31855热电偶数字转换器。因此，项目的成功取决于是否有可靠的通信，能够将这三个功能块集成到一个统一的PID系统中。

SPI通信

实际上，SPI表示串行外设接口（Serial Peripheral Interface）。SPI是一种简单、灵活、低资源的通信协议，市场上的每个微控制器和DSP都可以支持这种协议。而且，幸运的是，MAX31855和DAC都支持SPI。但是，SPI不是固定的、精确定义的协议；它更像是一个串行通信的通用方法。标准功能如下：

●    总线上的每个设备都是主机设备或从机设备。 （可能有多个主设备，但我建议尽可能避免这种情况。对于多主机系统，最好选择I2C。）

●    电气连接包括串行时钟信号（SCK）、主机到从机数据信号（MOSI，即主机输出从机输入）、从机到主机数据信号（MISO，即主机输入从机输出）和每个从设备的一个从机选择信号（NSS）。

●    主机通过激活一条或多条NSS连接线以及在SCK上驱动时钟脉冲来启动所有事务。只要NSS处于活动状态，事务就会继续。

●    事务可以涉及从主设备到从设备（通过MOSI）、从从设备到主设备（通过MISO）或两者的数据传输。主设备可以通过激活所有NSS线路将数据发送到多个从机设备，但为了避免驱动程序争用，从设备必须采用一些共享MISO信号的方法。

以下原理图显示了SPI总线上器件的硬件设计。

精确的传输时间

以下两张图展示了总线上两个从设备的SPI时序的详细信息。第一张来自MAX31855的数据手册，第二张来自于DAC的数据手册。

在MAX31855的图中，使用CS代替NSS。 CS表示“芯片选择（chip select）”，上划线表示其有效状态为逻辑低电平；NSS代表“非从机选择（not slave select）”，其中“非”（而不是采用上划线）表示它是低电平有效信号。

在DAC的图中，使用带有上划线的SYNC而不是NSS，但在这种情况下情况稍微复杂一些。 DAC旨在兼容各种串行通信协议；这就是为什么时序图看起来不像典型的SPI。但典型的SPI工作正常，这就是我们将要使用的时序。

如果你仔细观察这两个图，你会发现一个小但重要的差异：对于MAX31855，NSS下降沿之后的第一个时钟转换是从低到高的转换。而对于DAC，它是一个从高到低的转换：

这意味着我们需要根据正在与哪个从机通信来调整EFM8的SPI配置。下图说明了EFM8控制器的SPI外设提供的四种时钟配置选项；只需将设备的时序详细信息与此图进行比较，即可确定正确的配置。

组合数据

SPI是一种可延展的协议，这不仅适用于时序细节，也适用于数据格式化。 MAX31855将数据作为一个32位字传输，如下所示：

我们不用担心这个项目的错误处理，不需要知道MAX31855的内部温度，因此我们需要的所有信息都包含在前14位（位31到位18）中。但是，EFM8的SPI外设以字节为单位工作，因此我们将从MAX31855读取两个字节，然后忽略两个最低有效位。

从MAX31855读取数据的过程从一个名为GatherTempData()的函数开始，然后是一个结合到SPI中断服务程序中的简单状态机。以下代码摘录中的注释和描述性标识符可帮助您了解MAX31855接口的固件详细信息。

1. void GatherTempData(void)
   
2. {
   
3.         //ensure that we are not interrupting an ongoing transmission
   
4.         while(SPI_State != IDLE);
   
5. 
   
6.         SPI0CN0_SPIEN = 0;        //disable SPI so we can change the clock configuration
   
7.         SPI0CFG &= ~SPI0CFG_CKPOL__BMASK;     //set clock phase for the MAX31855 interface
   
8.         SPI0CFG &= ~SPI0CFG_CKPHA__BMASK;     //set clock polarity for the MAX31855 interface
   
9.         SPI0CN0_SPIEN = 1;        //re-enable SPI
   
10. 
    
11.         TC_NSS = LOW;        //activate MAX31855 slave select
    
12. 
    
13.         /*We need to write a dummy byte to initiate the SPI transaction.
    
14.          * We do not need to send any data to the MAX31855; rather,
    
15.          * writing to the SPI0DAT register forces the EFM8 to generate
    
16.          * the clock pulses that cause the MAX31855 to transmit data.*/
    
17.         SPI0DAT = 0x00;
    
18. 
    
19.         SPI_State = FIRST_TC_BYTE_SENT;
    
20. }

复制代码

1. SI_INTERRUPT (SPI0_ISR, SPI0_IRQn)
   
2. {
   
3.         //SPI registers are on all SFR pages, so need need to modify SFRPAGE
   
4. 
   
5.         SPI0CN0_SPIF = 0;        //clear interrupt flag
   
6. 
   
7.         switch(SPI_State)
   
8.         {
   
9.                 //SPI communications with thermocouple IC====================================
   
10.                 case FIRST_TC_BYTE_SENT:
    
11.                 RawTempData = SPI0DAT;
    
12.                 SPI0DAT = 0x00;      //write a second dummy byte so that the MAX31855 will continue transmitting
    
13.                 SPI_State = SECOND_TC_BYTE_SENT;
    
14.                 break;
    
15. 
    
16.                 case SECOND_TC_BYTE_SENT:
    
17.                 TC_NSS = HIGH;      //disable slave select
    
18. 
    
19.                 RawTempData = (RawTempData << 8) | SPI0DAT;
    
20. 
    
21.                 /* The following instructions convert the raw
    
22.                  * binary temperature data into a format that
    
23.                  * both Scilab and the EFM8 can easily convert
    
24.                  * into a floating point number.*/
    
25.                 TempData[0] = LOWBYTE(RawTempData >> 12);
    
26.                 TempData[1] = LOWBYTE(RawTempData >> 4);
    
27.                 switch((RawTempData & (BIT3|BIT2)) >> 2)
    
28.                 {
    
29.                         case 0: TempData[2] = 0;
    
30.                         break;
    
31. 
    
32.                         case 1: TempData[2] = 25;
    
33.                         break;
    
34. 
    
35.                         case 2: TempData[2] = 50;
    
36.                         break;
    
37. 
    
38.                         case 3: TempData[2] = 75;
    
39.                         break;
    
40.                 }
    
41.                 TEMP_DATA_READY = TRUE;
    
42.                 SPI_State = IDLE;
    
43.                 break;
    
44. 
    
45.                 //SPI communications with DAC===========================================
    
46.                 case FIRST_DAC_BYTE_SENT:
    
47.                 SPI0DAT = UpdateDAC_SecondByte;
    
48.                 SPI_State = SECOND_DAC_BYTE_SENT;
    
49.                 break;
    
50. 
    
51.                 case SECOND_DAC_BYTE_SENT:
    
52.                 DAC_NSS = HIGH;      //disable slave select
    
53.                 SPI_State = IDLE;
    
54.                 break;
    
55.         }
    
56. }

复制代码

DAC传输的是一个16位字长，如下所示：

我们将发送两个连续的字节，DAC将其认为为一个16位字。 加热器驱动电路连接到DAC通道D，因此前两位将是二进制11。我们项目采用的正确更新模式是“写入指定寄存器并更新输出（write to specified register and update outputs）”，因此第三和第四位将是二进制01。与MAX31855接口一样，DAC事务以UpdateDAC()函数开始，然后是SPI状态机。

1. void UpdateDAC(unsigned char ChannelABCorD, unsigned char DACcode)
   
2. {
   
3.         //ensure that we are not interrupting an ongoing transmission
   
4.         while(SPI_State != IDLE);
   
5. 
   
6.         /*This switch statement sets the two most significant bits of the 16-bit DAC word
   
7.          * according to which channel is being updated. It also sets the two "operation mode"
   
8.          * bits to binary 01, which corresponds to "write to specified register and
   
9.          * update outputs."*/
   
10.         switch(ChannelABCorD)
    
11.         {
    
12.                 case DAC_CH_A:
    
13.                         UpdateDAC_FirstByte = 0x10;
    
14.                         break;
    
15. 
    
16.                 case DAC_CH_B:
    
17.                         UpdateDAC_FirstByte = 0x50;
    
18.                         break;
    
19. 
    
20.                 case DAC_CH_C:
    
21.                         UpdateDAC_FirstByte = 0x90;
    
22.                         break;
    
23. 
    
24.                 case DAC_CH_D:
    
25.                         UpdateDAC_FirstByte = 0xD0;
    
26.                         break;
    
27.         }
    
28. 
    
29.         /*The upper four bits of the DAC code are the lower four bits
    
30.          * of the first byte, and the lower four bits of the DAC code are
    
31.          * the upper four bits of the second byte.*/
    
32.         UpdateDAC_FirstByte = UpdateDAC_FirstByte | (DACcode >> 4);
    
33.         UpdateDAC_SecondByte = DACcode << 4;
    
34. 
    
35.         SPI0CN0_SPIEN = 0;        //disable SPI so we can change the clock configuration
    
36.         SPI0CFG |= SPI0CFG_CKPOL__BMASK;        //set clock phase for the DAC interface
    
37.         SPI0CFG &= ~SPI0CFG_CKPHA__BMASK;        //set clock polarity for the DAC interface
    
38.         SPI0CN0_SPIEN = 1;        //re-enable SPI
    
39. 
    
40.         DAC_NSS = LOW;      //activate DAC slave select
    
41.         SPI0DAT = UpdateDAC_FirstByte;
    
42.         SPI_State = FIRST_DAC_BYTE_SENT;
    
43. }

复制代码

固件

以下只是一个测试程序，通过反复递增加载到DAC通道D的8位值，将加热器驱动电压从0 V变化到大约2.4 V：

1. int main(void)
   
2. {
   
3.         unsigned char Heater_Drive;
   
4. 
   
5.         //call hardware initialization routine
   
6.         enter_DefaultMode_from_RESET();
   
7. 
   
8.         //enable global interrupts
   
9.         IE_EA = 1;
   
10. 
    
11.         Heater_Drive = 0;
    
12. 
    
13.         //refer to the PCA ISR for information on the delay functionality
    
14.         PCA0 = 0x0000 - PID_INTERVAL;
    
15.         PCA0CN0_CR = PCA_RUN;
    
16. 
    
17.         while (1)
    
18.         {
    
19.                 PID_WAIT = TRUE;
    
20.                 while(PID_WAIT == TRUE);
    
21. 
    
22.                 UpdateDAC(DAC_HEATER, Heater_Drive);
    
23.                 Heater_Drive++;
    
24.         }
    
25. }

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DAC更新之间的延迟 - 称为“PID间隔”，因为我们将使用与实际PID控制器相同的延迟功能 - 通过将Timer0配置为以1 kHz的频率溢出来实现，然后使用Timer0溢出作为可编程计数器阵列（PCA）的时钟源，使得16位PCA计数器/定时器寄存器每毫秒递增一次。

1. SI_INTERRUPT (PCA0_ISR, PCA0_IRQn)
   
2. {
   
3.         //PCA registers are on all SFR pages, so no need to modify SFRPAGE
   
4. 
   
5.         PCA0CN0_CF = 0;        //clear interrupt flag
   
6. 
   
7.         /*The overflow interrupt fires when the PCA counter/timer
   
8.          * overflows from 0xFFFF to 0x0000, so we create the delay
   
9.          * as follows:*/
   
10.         PCA0 = 0x0000 - PID_INTERVAL;        //PID_INTERVAL is the delay in milliseconds
    
11. 
    
12.         PID_WAIT = FALSE;
    
13. }

复制代码

总结

现在我们已经将三个PID组件转变为一个不会停止的的、无缝集成的温度控制系统。 在下一篇文章中，我们将实现一个简单的嵌入式PID算法，并使用示波器测量和可变强度LED来观察系统的功能。