船用光纖陀螺精密溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

程建華，陳 李，李明月

（哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱 150001）

高精度光纖陀螺儀是構(gòu)成船用捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心慣性器件，它利用固態(tài)的全光纖結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)載體旋轉(zhuǎn)角速度的測(cè)量，具有啟動(dòng)快、體積小、質(zhì)量輕、可靠性高、功耗低、壽命長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)范圍大、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)，是工程應(yīng)用的理想慣性器件。但是，構(gòu)成光纖陀螺儀的核心部件對(duì)溫度敏感，溫度的變化會(huì)引起材料物理參數(shù)、工作狀態(tài)的變化以及結(jié)構(gòu)零件的形變，這些變化會(huì)造成光路的變化與激光能量的非均勻損耗，使光纖陀螺產(chǎn)生非互易性效應(yīng)，降低光纖陀螺的輸出精度。因此溫度成為了高精度光纖陀螺儀工程化過(guò)程中所面臨的主要問(wèn)題之一[1-2]。

由于建立光纖陀螺準(zhǔn)確的溫度補(bǔ)償模型比較困難，很難在全溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)陀螺漂移的精確補(bǔ)償，尤其是高精度光纖陀螺[3]。因此，采用溫度控制方式，提供恒定的溫度環(huán)境，從而減小陀螺隨溫度變化而產(chǎn)生的漂移誤差，對(duì)于保障高精度光纖陀螺的使用特性，具有非常實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值[4]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

針對(duì)高精度光纖陀螺的使用要求，以半導(dǎo)體制冷器為溫控執(zhí)行元件，以TMS320C6713B為控制芯片[5-6]，設(shè)計(jì)了一適用于光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的小型精密溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 精密溫控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)圖Fig.1 General design of precision temperature control system

精密溫控系統(tǒng)由信號(hào)采集模塊完成溫度信號(hào)采集，為了提高溫度測(cè)量精度，采用Pt1000精密鉑電阻作為溫度敏感元件，通過(guò)三線制惠斯通電橋和ADS8344完成阻值信號(hào)采集、放大和發(fā)送。

數(shù)據(jù)處理由 TMS320C6713B數(shù)字信號(hào)處理器完成，通過(guò)多通道緩沖串行端口 McBSP完成信號(hào)采集和溫度數(shù)據(jù)發(fā)送，并同時(shí)完成溫度采集數(shù)據(jù)的濾波和溫度控制量計(jì)算，由GPIO實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)輸出。

溫控執(zhí)行模塊負(fù)責(zé)對(duì)溫控箱體進(jìn)行溫度控制?？紤]到光纖陀螺對(duì)工作環(huán)境溫度的要求，采用半導(dǎo)體制冷器TEC作為溫控執(zhí)行器件，具備加熱和制冷功能，并具有體積小，無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件以及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，并通過(guò)反相器、光耦和H橋?qū)崿F(xiàn)TEC的信號(hào)控制。

2 信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

采用惠斯通電橋?qū)崿F(xiàn)鉑電阻信號(hào)的測(cè)量，由于使用三線制接入方式，可有效減小導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)溫精度的影響，如圖2所示。圖2中Rt為測(cè)溫元件鉑電阻，R1、R2、R3為電橋橋臂；測(cè)溫電橋中取R1=R2，在0°C時(shí)Rt≈R3，電橋處于平衡狀態(tài)；

當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，測(cè)溫元件Pt1000阻值會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，于是溫度量變化就轉(zhuǎn)為化Pt阻值變化，進(jìn)而導(dǎo)致電橋不平衡，于是電橋兩端出現(xiàn)電壓的變化，此時(shí)電橋電路的輸出與輸入關(guān)系為：

式中：ΔR為鉑電阻阻值變化量。

在圖2所示的測(cè)溫電橋中，在0～50°C時(shí)，ΔR最大可達(dá)194Ω，為有效保證測(cè)溫電橋的線性度和靈敏度，取R1=R2=5.1kΩ，而由0℃時(shí)Rt≈R3的條件，取R3=1.0kΩ。

圖2 三線制測(cè)溫電路原理圖Fig.2 Principle diagram of three-wire temperature measurement circuit

通過(guò)測(cè)溫電橋，將阻值變化量轉(zhuǎn)化為電壓變化量，經(jīng)放大后傳送給多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ADS8344進(jìn)行采集，轉(zhuǎn)化為數(shù)字量傳送給DSP芯片。

ADS8344是具有多個(gè)模擬信號(hào)輸入通道的16位逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其最大采樣頻率為 100 kHz，能夠滿足溫度信號(hào)采集精度要求。

TMS320C6713B通過(guò)設(shè)置串口控制寄存器（SPCR）的 CLKSTP位，使得 McBSP模塊工作在SPI模式下，進(jìn)而通過(guò)SPI協(xié)議與ADS8344進(jìn)行通信。考慮到系統(tǒng)中會(huì)有高頻噪聲干擾，在A/D芯片的模擬信號(hào)輸入端接入0.1 μF電容進(jìn)行濾波，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的電路圖如圖3所示。

圖3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖Fig.3 Principle diagram of analog-to-digital conversion

ADS8344的串口通信流程為，當(dāng)CS為低時(shí)，DSP由DX管腳發(fā)送串行命令字到A/D的DIN管腳，并寫(xiě)入A/D的控制寄存器，A/D根據(jù)命令字控制采集通道采樣完成后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；當(dāng)BUSY管腳產(chǎn)生一個(gè)下降沿信號(hào)后模數(shù)轉(zhuǎn)換完成，A/D芯片通過(guò)DOUT管腳將數(shù)據(jù)傳送到DSP芯片的DR管腳，即完成了一次數(shù)據(jù)采集過(guò)程。

由于采用McBSP與A/D連接進(jìn)行信號(hào)采集，且采用 SPI協(xié)議進(jìn)行通信，所占用的管腳只有 4個(gè)，ADS8344是16位多通道的逐次逼近型串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。這樣在軟件編寫(xiě)上更加簡(jiǎn)單明了容易實(shí)現(xiàn)，在硬件電路上簡(jiǎn)化了電路連接，減少了電路中元器件，使硬件資源得到更加合理的運(yùn)用。

3 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

3.1 DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用 TI公司的 32位浮點(diǎn)型高性能芯片TMS320C6713B作為數(shù)據(jù)處理模塊的核心，構(gòu)建其應(yīng)用系統(tǒng)包括以下部分：

電源和復(fù)位電路：采用雙電源電路對(duì)芯片進(jìn)行供電，包括3.3 V的外設(shè)電壓和1.2 V的核心電壓。采用RC電路作為自動(dòng)復(fù)位電路使在DSP上電時(shí)刻回到初始狀態(tài)。

時(shí)鐘模塊：使用 25 MHz的外部時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)TMS320C6713B內(nèi)部鎖相環(huán)時(shí)鐘發(fā)生電路進(jìn)行 5倍頻，產(chǎn)生CPU的工作時(shí)鐘頻率125 MHz。

PLL濾波回路：在供電電路中加入 EXCCET103U型電磁兼容濾波器對(duì)3.3 V電源進(jìn)行濾波器，得到平穩(wěn)的電壓信號(hào)，以滿足PLLV管腳對(duì)供電電壓的嚴(yán)格要求。

JTAG仿真電路：基于IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)的一種邊界掃描測(cè)試方式，用于訪問(wèn)DSP的所有資源，進(jìn)而提供一個(gè)實(shí)時(shí)的硬件仿真與調(diào)試環(huán)境。

FLASH回路：選用AMD的AML29LC160D芯片存儲(chǔ)程序，以防止系統(tǒng)掉電后DSP芯片寫(xiě)入程序的丟失。

串口通信電路：由TMS320C6713B的McBSP模塊通過(guò)串口電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX3232將測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)和控制信息發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

3.2 測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)平滑

測(cè)溫電路在工作過(guò)程中，不可避免的受到電源穩(wěn)定性、外部電磁干擾等的影響，因此A/D采集數(shù)據(jù)存在一定的噪聲。

根據(jù)對(duì)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)噪聲的頻域分析結(jié)果，在不影響控制回路特性的情況下，采用巴特沃斯低通濾波器完成對(duì)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的高頻去噪[7]。濾波器設(shè)計(jì)結(jié)果為：

將設(shè)計(jì)的低通濾波器用于對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，得到如圖4所示的信號(hào)處理結(jié)果。

圖4 測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)濾波效果圖Fig.4 Filter result of temperature data

3.3 測(cè)溫補(bǔ)償設(shè)計(jì)

對(duì)溫度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)校補(bǔ)償是實(shí)現(xiàn)精密溫控系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在實(shí)際設(shè)計(jì)測(cè)溫電路時(shí)，很難保證橋臂阻值與設(shè)計(jì)值完全吻合，因此測(cè)量結(jié)果與溫度絕對(duì)值之間會(huì)產(chǎn)生差異。采用測(cè)溫補(bǔ)償?shù)姆椒苡行У耐瓿蓪?duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確補(bǔ)償。

由于采用恒溫控制方式，因此在控溫點(diǎn)附近對(duì)測(cè)溫結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，可獲得更高的溫度補(bǔ)償精度。而對(duì)于離控溫點(diǎn)較遠(yuǎn)的溫度點(diǎn)，即使補(bǔ)償效果不理想，對(duì)控溫效果影響也不大。利用測(cè)溫回路在小溫度范圍內(nèi)可近似為線性的特性，對(duì)實(shí)測(cè)溫度采取最小二乘法擬合，找出實(shí)測(cè)數(shù)值與真實(shí)數(shù)值的關(guān)系；在采集溫度數(shù)值后，由DSP內(nèi)部進(jìn)行數(shù)學(xué)校正處理。

選用28.96℃、37.31℃和43.03℃三個(gè)位置對(duì)測(cè)溫結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果如圖5所示。采用線性擬合法在三個(gè)溫度點(diǎn)的擬合誤差分別為 0.02℃、0.01℃和-0.023℃。

圖5 測(cè)溫曲線擬合結(jié)果Fig.5 Fitting output of temperature curve

通過(guò)對(duì)溫度測(cè)量數(shù)據(jù)的平滑處理和標(biāo)校補(bǔ)償，能得到準(zhǔn)確的溫度測(cè)量值，與設(shè)定溫度做差后，可計(jì)算出控制量，由溫控執(zhí)行模塊實(shí)現(xiàn)溫度控制。

4 溫控執(zhí)行模塊設(shè)計(jì)

4.1 溫控驅(qū)動(dòng)器件

由于設(shè)定溫度可能高于或低于環(huán)境溫度，采用半導(dǎo)體制冷器（TEC）作為溫控執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控箱體的加熱或致冷。

半導(dǎo)體制冷是一種基于鉑爾貼效應(yīng)的技術(shù)，它將一個(gè)P型半導(dǎo)體和一個(gè)N型半導(dǎo)體用銅聯(lián)結(jié)片焊接成電偶對(duì)，當(dāng)接通直流電源時(shí)，電子由負(fù)極出發(fā)，首先經(jīng)過(guò)P型半導(dǎo)體，在此吸收熱量，到了N型半導(dǎo)體，又將熱量放出，從而實(shí)現(xiàn)熱量自冷端至熱端的轉(zhuǎn)移。

4.2 溫控驅(qū)動(dòng)電路

TEC的驅(qū)動(dòng)采用 H橋，H橋可輸出兩個(gè)方向的PWM波，通過(guò)控制施加在TEC兩端電壓時(shí)間長(zhǎng)短和電壓的方向?qū)崿F(xiàn)對(duì)TEC工作狀態(tài)的控制，H橋驅(qū)動(dòng)原理如圖6所示。

圖6 H橋驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.6 Principle chart of H bridge

流過(guò)TEC的電流方向由驅(qū)動(dòng)信號(hào)V1和V2決定。當(dāng)V1為正，V2為負(fù)時(shí)，電流方向?yàn)榫€路1的方向，此時(shí)TEC表現(xiàn)為致冷特性；相反，若驅(qū)動(dòng)信號(hào)V1為負(fù)，V2為正，則電流方向?yàn)榫€路2，TEC表現(xiàn)為加熱特性。MOSFET管RF9540N和IRF540N的導(dǎo)通電阻低、負(fù)載電流大，并且開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間均為納秒級(jí)，能夠滿足PWM對(duì)H橋精確時(shí)間控制的要求。

圖7 溫度控制驅(qū)動(dòng)電路Fig.7 Drive circuit of temperature control

溫度控制驅(qū)動(dòng)電路原理如圖 7所示，由于 GPIO管腳的輸出電壓低，不能夠起到驅(qū)動(dòng)電路的作用，選用SNJ54LS04反相器芯片對(duì)DSP輸出的電壓進(jìn)行放大，以提高其驅(qū)動(dòng)能力。TLP521-4是多路光電耦合器集成芯片，當(dāng)其輸入端收到來(lái)自反相器的電壓信號(hào)時(shí)，其發(fā)光二極管發(fā)出光線，光電三極管接收后就產(chǎn)生光電流，從輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)“電→光→電”的轉(zhuǎn)換，這樣就實(shí)現(xiàn)DSP系統(tǒng)芯片與后端執(zhí)行電路的有效隔離，起到了保護(hù)DSP芯片的作用。

4.3 溫控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溫控箱體采用帶有保溫夾層的兩層金屬結(jié)構(gòu)，IMU直接固定在箱體的內(nèi)殼上，在箱體的每個(gè)面均安裝有齒式散熱片，用于溫控箱體散熱，箱體內(nèi)部安裝光纖陀螺 IMU慣性測(cè)量組件。箱體的內(nèi)外殼體采用熱絕緣螺栓固定，中間灌注聚乙烯保溫泡沫，作為保溫夾層，以防止環(huán)境溫度的干擾以及制冷器熱端的熱量回流，如圖8所示。測(cè)溫元件直接嵌入在溫箱內(nèi)殼體中，用于敏感內(nèi)殼體（即TEC冷端）的溫度，制冷組件鑲嵌在溫箱內(nèi)殼體和齒式散熱器之間，三者通過(guò)擠壓和增設(shè)導(dǎo)熱橡膠的方式保持緊密接觸。

圖8 溫控箱體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Sketch plan of system structure

5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

采用ESPEC公司的SET-Z-021UF型高低溫箱（控溫精度優(yōu)于0.5℃）提供變溫環(huán)境，在-10～50℃的范圍內(nèi)進(jìn)行變溫實(shí)驗(yàn)，通過(guò)帶溫控和不帶溫控兩種條件下的加速度計(jì)和陀螺儀輸出精度驗(yàn)證溫控系統(tǒng)的性能。環(huán)境溫度條件如圖9所示，變溫環(huán)境下的溫控測(cè)溫結(jié)果如圖10所示，兩種情況下的Z軸加速度計(jì)輸出和X陀螺比對(duì)輸出如圖11、圖12所示。

圖11 z 軸加速度計(jì)原始數(shù)據(jù)輸出Fig.11 Raw output of z-axis accelerator

圖 12 x陀螺原始數(shù)據(jù)輸出Fig.12 Raw output of x-axis gyro

通過(guò)圖12所示的溫控測(cè)溫結(jié)果可以看出，變溫條件下的精密溫控系統(tǒng)精度優(yōu)于 0.1℃，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)。而通過(guò)圖11、圖12的比對(duì)結(jié)果可以看出，帶溫控情況下的加速度計(jì)及陀螺輸出精度明顯優(yōu)于不帶溫控條件下的輸出精度。因此，精密溫控系統(tǒng)很好的保障了慣性元器件的工作環(huán)境溫度。

6 結(jié) 論

本文以提高船用光纖陀螺精度為目標(biāo)，開(kāi)展精密溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。針對(duì)恒定溫度設(shè)計(jì)，從精密測(cè)溫、精密控溫兩方面開(kāi)展系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成了系統(tǒng)的軟硬件及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了精密溫控系統(tǒng)的有效性，提高了光纖陀螺儀的精度。本系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)為類似的溫度控制系統(tǒng)提供了有益的參考。

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