摘要：針對晶體時鐘振蕩器輸出頻率易受外界溫度變化影響的特點，設(shè)計了以MSP430F4618單片機為控制核心的恒溫晶體振蕩器。將高精度負溫度系數(shù)熱敏電阻作為傳感器對晶體溫度進行采樣，并采用精密放大器IAN330芯片對晶體溫度變化差值信號進行轉(zhuǎn)換并輸出至控制核心。輸出的信號經(jīng)12位A／D轉(zhuǎn)換后進行數(shù)字PID增量控制運算得到控制量增量，再通過12位D／A轉(zhuǎn)換輸出至DRV593芯片驅(qū)動半導(dǎo)體制冷片(TEC)對晶體溫度進行控制，并循環(huán)該過程使晶體振蕩器的工作溫度保持穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：恒溫；晶體振蕩器；MSP430F4618；PID

0 引言
    PID(Proportional Integral Differential)控制器是按給定量與輸出量偏差的比例、積分、微分進行控制的調(diào)節(jié)器，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制效果好、魯棒性強等優(yōu)勢，是目前自動化控制技術(shù)中最穩(wěn)定的控制方法，同時在許多工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用，單片機、DSP、FPGA等處理器易于實現(xiàn)數(shù)字PID控制算法，從而取代了傳統(tǒng)的模擬PID控制器，使系統(tǒng)電路更簡單、精度更高、通用性更強。由于軟件程序的靈活性，使數(shù)字PID控制算法也變得豐富多樣，可以根據(jù)實際系統(tǒng)的情況，選擇適合的數(shù)字PID控制算法，數(shù)字PID控制算法通常分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，前一種算法所得到的控制量為全量輸出，每次運算都會對誤差進行累加，從而引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降；而后者輸出的則是控制量的增量，減小了累積誤差及精度問題對輸出控制量的影響。
    恒溫晶體振蕩器(Oven Controlled Crystal Oseillator，OCXO)簡稱恒溫晶振，它在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用有著重要的意義，傳統(tǒng)的恒溫晶體振蕩器采用恒溫槽使晶體溫度保持恒定，為了靈活的控制晶體的輸出頻率及達到更高的穩(wěn)定性能，設(shè)計了基于數(shù)字PID增量控制算法的恒溫晶體振蕩器，并采用了TEC制冷技術(shù)，使晶體溫度的控制更加靈敏、準確和高效。

1 系統(tǒng)工作原理
    整個系統(tǒng)對晶體溫度控制的總流程如圖1所示?；赥I公司MSP430單片機的優(yōu)點，系統(tǒng)控制核心選用MSP430F4618單片機，信號采集轉(zhuǎn)換部分使用了高精度的負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)與INA330芯片對晶體溫度偏差進行采集轉(zhuǎn)換，INA330芯片是基于10 kΩ熱敏電阻的溫度控制器，專為光網(wǎng)絡(luò)及醫(yī)學(xué)分析應(yīng)用中進行熱電冷卻控制設(shè)計的精密放大器，它只采用了一個10 kΩ精密電阻器R2和10 kΩ熱敏電阻R1，為傳統(tǒng)的橋式電路提供了替代方案。

    在INA330芯片的兩個輸入端V1和V2加上1 V的激勵電壓后，將在熱敏電阻R1和精密電阻器R2上產(chǎn)生I1和I2電流，芯片內(nèi)部電流輸送電路輸出電流Io=I1-I2，該電流流經(jīng)外部增益電阻器R3，任何加至R3另一端的偏置電壓都與輸出電壓相加，所以總的輸出電壓可以表示為：
    V0=(I1-I2)×R3+Va      (1)
    該輸出電壓送至MSP430F4618處理器，通過芯片內(nèi)部集成的12位A／D轉(zhuǎn)換器，使輸入的偏差模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過數(shù)字PID增量控制算法得到控制量增量，經(jīng)處理器內(nèi)部集成的12位D／A芯片轉(zhuǎn)換輸出，控制DRV593輸出PWM波驅(qū)動TEC對晶體進行加熱或制冷，圖中虛線表示TEC到熱敏電阻形成一個閉環(huán)負反饋，兩者在機械位置上是同晶體安裝在一起的，在電氣連接上是相互隔離的。在實際應(yīng)用中，晶體的實際溫度可以通過設(shè)置Va大小來進行控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    在原理圖的設(shè)計中，根據(jù)設(shè)計的原理及所需要實現(xiàn)的功能模塊，參考文獻，將總的硬件電路劃分為電源模塊、LCD顯示模塊、控制核心模塊、TEC驅(qū)動模塊、INA330控制模塊，鑒于設(shè)計電路的復(fù)雜性，硬件設(shè)計采用層次電路繪制原理圖，這樣可以比較清晰和簡單地繪制原理圖，再檢查和核對各模塊就顯得有章可循，整個控制系統(tǒng)的頂層原理圖如圖2所示。

    在具體的硬件電路中，INA330芯片與熱敏傳感器共同構(gòu)成了晶體溫度誤差信號的轉(zhuǎn)換電路，控制核心電路則是MSP430F4618單片機的最小系統(tǒng)，該最小系統(tǒng)電路包括復(fù)位電路、電源電路、JTAG仿真接口、時鐘電路，其中MSP430F4618單片機采用直流3．3 V供電，LCD顯示采用段式液晶對晶體溫度值進行實時顯示，DRV593芯片及其外圍電路構(gòu)成TEC驅(qū)動電路，通過設(shè)置DRV593芯片的負端電壓，可以調(diào)節(jié)TEC加熱或冷卻的閾值，向DRV593芯片正電壓端輸入控制信號，可以間接控制晶體溫度，在整個系統(tǒng)中，控制核心模塊與其他外部模塊間數(shù)?；蚰?shù)信號轉(zhuǎn)變的參考電壓均使用單片機內(nèi)部提供的參考電壓。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3．1 系統(tǒng)總體軟件流程
    系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方式，圖3(a)是系統(tǒng)軟件總體設(shè)計流程，主要包括晶體溫度的采樣轉(zhuǎn)換(見圖3(b))、LCD顯示(見圖3(c))數(shù)字PID增量運算、控制量D／A轉(zhuǎn)換(見圖3(d))及控制量的輸出，其中溫度信號的采集與轉(zhuǎn)換采用定時器TA中斷實現(xiàn)，初始化定時器TA工作在增計數(shù)模式，捕獲／比較寄存器CCR0的值定義了采樣周期，當TAR計數(shù)器計數(shù)值不小于CCR0的值時，定時器TA中斷標志位CCIFG0置1，系統(tǒng)響應(yīng)中斷，對晶體溫度進行采樣轉(zhuǎn)換。

3．2 數(shù)字PID增量控制軟件設(shè)計
    PID控制軟件是系統(tǒng)控制的軟件核心，其基本原理如圖4(a)所示，它是對參考輸入量與受控對象輸出量的偏差時間函數(shù)進行比例(P)積分(I)微分(D)運算，得到受控對象控制量的過程，其動態(tài)方程表達式為：
   
    式中：TI與TD分別為積分時間和微分時間；kP是比例控制參數(shù)，為減少誤差累積及PID算法的精確性，這里采用數(shù)字PID增量算法，當采樣周期T遠小于信號變化的周期時，實際應(yīng)中可以采用后向差分法對式(2)中的各項進行離散處理：
   

    式(6)中，e(n-2)是第n-2次采樣偏差，通過控制量作差，消除了偏差累積效應(yīng)，當知道采樣偏差e(n)，e(n-1)，e(n-2)的值時，便可以通過單片機進行數(shù)字PID增量控制運算得到下一時刻的控制增量，具體的軟件流程如圖4(b)所示。

4 PID控制參數(shù)kP，kI，kD的調(diào)節(jié)
    在實際的應(yīng)用中，控制器參數(shù)kP，kI，kD的調(diào)節(jié)需要根據(jù)具體的硬件系統(tǒng)進行設(shè)置，初始設(shè)置前可以參考相關(guān)文獻的調(diào)試準則進行設(shè)置，當輸出不振蕩時，可以增大比例參數(shù)kP且應(yīng)減小積分時間常數(shù)TI或增大微分時間常數(shù)TD?；贛SP430單片機先進的JTAG在線仿真調(diào)試技術(shù)，通過IAR軟件查看程序運行過程中，偏差變量的變化情況，如圖5(a)所示，為控制參數(shù)分別為kP=5，kI=0，kD=0時某一時刻的偏差變量的值。

    按照相關(guān)文獻報導(dǎo)的PID參數(shù)設(shè)置方法及硬件系統(tǒng)的實際特性，調(diào)節(jié)設(shè)置了控制參數(shù)分別為kP=0．85，kI=0．004，kD=0．002，經(jīng)過調(diào)試后某一時刻的偏差變量值如圖5(b)所示，從IAR仿真軟件的變量查看表中，可以看到偏差變量的值趨于0，圖6為具體硬件實物圖和設(shè)置恒溫晶體工作在25℃時的溫度-時間(T-t)曲線圖。

5 結(jié)語
    本論文設(shè)計了以MSP430F4618單片機為控制核心，采用熱敏電阻與INA330芯片對晶體溫度進行采集轉(zhuǎn)換，經(jīng)數(shù)字PID增量算法輸出控制增量，通過DRV593芯片驅(qū)動控制TEC對晶體進行加熱或冷卻，同時LCD對晶體溫度進行顯示，經(jīng)過軟件調(diào)試設(shè)置了數(shù)字PID的三個參數(shù)值分別為kP=0.85，kI=0．004，kD=0．002，使系統(tǒng)所采集到的溫度偏差值趨于0，實現(xiàn)了晶體工作在25℃的恒溫輸出，本系統(tǒng)的設(shè)計研究對提高控制系統(tǒng)的精確控制性能有著重要意義。