多源表面溫度信號發(fā)生裝置的硬件設(shè)計

王豐華，李建清，吳劍鋒

(1．東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京　210096；2．南京水利水文自動化研究所，江蘇南京　210012)

0　引言

表面溫度信號發(fā)生裝置可在裝置表面發(fā)生任意波形的溫度信號，一般可作為實驗室儀器，用作對表面溫度信號處理的熱學(xué)實驗中，該裝置也可用于虛擬現(xiàn)實相關(guān)課題的溫度觸覺再現(xiàn)研究中，還可用于其它多種類似場合。溫度信號波形曲線實際上是處于以x軸為時間、y軸為溫度的坐標(biāo)系內(nèi)的曲線，如圖1所示，表面溫度信號發(fā)生裝置為發(fā)生此信號曲線，將等分時間坐標(biāo)，選取若干個溫度值作為系統(tǒng)表面溫度的控制目標(biāo)，通過實時反饋和控制，能夠完整準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)此組溫度信號。

國內(nèi)此類裝置的研究以及文獻(xiàn)相對較少，國外較多文獻(xiàn)集中于珀爾貼的控制[1]，但大都沒有針對溫度波形信號的發(fā)生進(jìn)行細(xì)致深入的研究。在國內(nèi)，東南大學(xué)吳劍進(jìn)等人設(shè)計了一種裝置可以較好的實現(xiàn)表面溫度信號發(fā)生[2]，江蘇大學(xué)王恒海等人設(shè)計了基于LabVIEW的溫度測控系統(tǒng)[3]。對比國內(nèi)外同類裝置，可發(fā)現(xiàn)以下一些不足之處：(1)單源，僅能同時發(fā)生一個溫度信號；(2)珀爾貼效應(yīng)的控制發(fā)生電路采用電壓控制，在某些情況下不夠精確；(3)有些裝置外加水冷處理，體積較為龐大。

該裝置在以上幾個方面做了改進(jìn)，設(shè)計了小型的、基于電流控制的、多源的表面溫度信號快速發(fā)生裝置，并在靈活性上有了較大提高，可實現(xiàn)一定溫度范圍內(nèi)(-5～50℃)、不超過最大升降溫速率(升溫10℃/s、降溫-5℃/s)的任意波形溫度曲線的發(fā)生。

圖1　表面溫度信號曲線

1　裝置的組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計

該裝置利用珀爾貼的熱電特性來做復(fù)現(xiàn)，通過控制珀爾貼其中1個表面的升降溫速度來實現(xiàn)表面溫度信號曲線的精確發(fā)生。采用4個珀爾貼，可同時發(fā)生4組不同的溫度信號。裝置主要由上層的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和下層箱體的控制部分組成。

上層機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要由如下功能部分組成：(1)紅外溫度傳感器和其支撐架主要用來采集4個珀爾貼的上表面的溫度，支架可水平轉(zhuǎn)動，而紅外傳感器可以在橫臂上橫向移動，這樣在標(biāo)定學(xué)習(xí)溫度信號曲線階段，就可以用1個傳感器在不同時段分時來對4路珀爾貼上表面溫度進(jìn)行采集。(2)在上方的散熱銅塊中開槽嵌入4個珀爾貼，并用導(dǎo)熱硅膠使珀爾貼下表面和銅塊接觸良好，保證良好的散熱。這樣做的主要原因是珀爾貼在通電流工作時，上下表面會形成溫差，如果溫差過大超過一定闕值，則無法繼續(xù)正常工作。采用散熱銅塊，可以將熱量盡快散發(fā)出去。(3)上層的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分組成了一個整體，放在下面的壓力傳感器基板上，4個壓力傳感器直接與上面的整體接觸，當(dāng)有手按下時，壓力傳感器采測到變化，并根據(jù)每一個壓力傳感器的變化差值，判斷出是哪個珀爾貼被按下，通知控制系統(tǒng)開始做出相應(yīng)的溫度信號發(fā)生動作，從而使得人手可以直接觸摸感覺到溫度的變化。壓力傳感器基板下是散熱風(fēng)扇，由于基板中間是鏤空的，所以風(fēng)扇產(chǎn)生的對流空氣可以到達(dá)上層的銅塊，使得整個系統(tǒng)散熱更加良好。裝置的控制電路板置于箱體的底部。

2　硬件設(shè)計與控制方法

系統(tǒng)通過控制通過珀爾貼的電流方向來控制升溫或者降溫，控制電流的大小可實現(xiàn)升降溫速率的不同。若要實現(xiàn)精確控制，還必須實時的采集表面溫度，反饋給控制部分形成閉環(huán)控制。系統(tǒng)的核心板主要由微控制器LPC2378 ARM7芯片以及相應(yīng)外圍電路組成。采用ARM控制器和嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS2搭建了硬件控制平臺，ARM芯片的高性能可以實時響應(yīng)反饋并進(jìn)行控制，可同時執(zhí)行若干個不同的任務(wù)，這一點對多源的溫度信號發(fā)生很重要。裝置的總體電路實現(xiàn)框圖如圖2所示。

圖2　裝置總體電路示意圖

2．1基于電流控制的電路實現(xiàn)與優(yōu)勢

對珀爾貼溫度的靈活控制是該類裝置的核心技術(shù)。在裝置中實現(xiàn)了一個壓控恒流源，能夠輸出0～3 A范圍的實時電流，可以精確控制通過珀爾貼的電流大小。同以往的變電壓控制方式相比，通過變電流來控制的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：(1)珀爾貼工作發(fā)熱的實質(zhì)與電流密切相關(guān)，通過的電流的大小直接決定其發(fā)熱量的大??；(2)實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓在超過某一范圍內(nèi)后，電壓繼續(xù)加大，此時珀爾貼的溫度基本上不再變化。因此電流變化才是珀爾貼發(fā)熱的實質(zhì)性影響因素，通過控制電流的變化能夠?qū)崟r、精確的控制珀爾貼發(fā)熱量的大小。

該裝置設(shè)計了四路壓控恒流源，通過DA轉(zhuǎn)換芯片輸出的電壓對電流進(jìn)行精密控制，較好的實現(xiàn)了對于珀爾貼溫度的實時精確控制。壓控恒流源電路原理框圖如圖3所示。

圖3　壓控恒流源原理圖

四合一DA轉(zhuǎn)換芯片DAC8574是一種16位精度的數(shù)字模擬信號轉(zhuǎn)換器，通過I2C高速總線寫入芯片緩存要發(fā)生參考電壓的比例值，可以迅速產(chǎn)生相應(yīng)的模擬電壓信號，并可同時輸出四路信號。在裝置中輸出的電壓是0～3 V．XTR110是一種單片精密電壓-電流轉(zhuǎn)換芯片，通過調(diào)整外圍的2個精密電阻，可以使得電壓和電流產(chǎn)生1∶1的轉(zhuǎn)換關(guān)系，這樣就可以產(chǎn)生0～3 A的電流輸出。TLE5206是一種不用外加元器件、高度集成的H橋驅(qū)動芯片，可輸出高達(dá)5 A的連續(xù)穩(wěn)定電流，并有過流保護(hù)作用，ARM芯片的I/O口可直接驅(qū)動該芯片，進(jìn)行電流方向的轉(zhuǎn)換。整個壓控恒流源電路采用了多個集成度高的芯片，電路簡單、有效。經(jīng)過測試，在2.54 A的電流驅(qū)動下，一塊面積為15 mm×15 mm的珀爾貼升溫速率可達(dá)12.8℃/s，降溫速率-6.7℃/s，符合最初的設(shè)計要求。

2．2實時反饋和PID控制

必須帶有溫度采集反饋的電路才能真正實現(xiàn)對珀爾貼溫度的精確控制。通過對控制輸出的結(jié)果進(jìn)行感知，反饋給控制系統(tǒng)作為下一步控制的參數(shù)，這樣形成了一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)，從而達(dá)到對表面溫度信號曲線的精確模擬。

由于對溫度采集的實時性要求很高，該裝置要求溫度的采集不能延遲100 ms．在充分對比了薄膜熱電阻、熱電偶、各類接觸式溫度傳感器后，發(fā)現(xiàn)均不能達(dá)到要求，最終選定非接觸式的紅外溫度傳感器MLX90614來采集實時溫度，經(jīng)過設(shè)置，其響應(yīng)速度可以優(yōu)于100 ms．?dāng)?shù)字式紅外溫度傳感器MLX90614可每隔40～100 ms采集1次溫度，分辨率可達(dá)0.14℃可為溫度復(fù)現(xiàn)曲線的實時精確控制提供及時的數(shù)據(jù)反饋。MLX90614通過SMBus協(xié)議輸出溫度值，這種協(xié)議是基于I2C協(xié)議工作原理之上的，但與之有所不同，在溫度采集子程序中，要根據(jù)協(xié)議的規(guī)定對時序做非常嚴(yán)格的控制才能正確采集出溫度值[4]。在此實驗過程中，采用數(shù)字示波器觀察實際波形后，再對照協(xié)議，編寫了溫度采集子程序。

由于響應(yīng)時間要求非常嚴(yán)格，要求能快速、實時的控制輸出，因此選用了簡單、有效的PID控制方法。每隔0.1 s，程序根據(jù)紅外溫度傳感器返回的溫度，以及下一個到

達(dá)點的溫度，以給定的PID參數(shù)帶入PID控制函數(shù)中作計算，得出的PID函數(shù)結(jié)果記為rout.根據(jù)rout值的正負(fù)與大小的不同，驅(qū)動電流做出相應(yīng)的改變。驅(qū)動函數(shù)actuator(fp32 rout，fp32 cur，uint8 *flag)，對PID過程算出的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其中flag存儲當(dāng)前加熱還是降溫。

PID參數(shù)的選擇也是一個關(guān)鍵，需要根據(jù)理論和經(jīng)驗，反復(fù)做實驗方能得出一個合適的值。PID的參數(shù)也可根據(jù)動態(tài)特性變化重新整定[5]，由于實際控制效果已經(jīng)基本滿足需要，未進(jìn)行此部分處理。

2．3多任務(wù)程序設(shè)計

系統(tǒng)要同時發(fā)生4組不同的溫度信號，要對紅外溫度傳感器、壓力傳感器、室溫傳感器等信號進(jìn)行采集，要控制多路開關(guān)量、模擬量輸出，若采用單片機(jī)的前后臺系統(tǒng)，很難滿足需求，因此在系統(tǒng)中加入了嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II.μC/OS-II是一個完整的、可移植、固化、裁剪的占先式實時多任務(wù)內(nèi)核，其輕量化、實時可控的特點是采用此操作系統(tǒng)的主因。

在系統(tǒng)中至少存在著以下幾個必要任務(wù)：

(1)壓力傳感器監(jiān)測任務(wù)，采用每隔1/4 s輪詢監(jiān)測的方式，對4個壓力傳感器的數(shù)值進(jìn)行比較，根據(jù)差值判斷出是哪個珀爾貼被觸摸，以及觸摸的力的大小，然后發(fā)送信號量給對應(yīng)珀爾貼溫度信號發(fā)生任務(wù)，執(zhí)行溫度信號發(fā)生過程。

(2)串口數(shù)據(jù)接收處理任務(wù)，采用每隔1 s輪詢監(jiān)測的方式，對串口發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，可根據(jù)自定義的命令進(jìn)行響應(yīng)，也可接收溫度控制數(shù)據(jù)組。根據(jù)不同的命令做不同的處理，與溫度信號發(fā)生任務(wù)的通信仍然是通過信號量。

(3)溫度信號發(fā)生任務(wù)組，由4個單獨的任務(wù)組成，每個任務(wù)完成其對應(yīng)珀爾貼表面發(fā)生溫度信號的控制過程。平時這些任務(wù)處于掛起等待信號量的狀態(tài)，當(dāng)收到其他任務(wù)發(fā)來的信號量時才開始動作。

3　實驗研究

如果把每次得到的PID控制結(jié)果參數(shù)rout記錄在一個數(shù)組中，則可在外部溫度濕度等環(huán)境因素不改變的情況，直接依據(jù)此組參數(shù)輸出控制，由此即能在珀爾貼表面發(fā)生之前帶反饋控制條件下的溫度曲線。在實際實驗中，將輸出結(jié)果用紅外溫度傳感器進(jìn)行采集后觀察，與假設(shè)是一致的，這是因為在初始條件一樣的情況下，PID每次控制的結(jié)果和最終的輸出都是近乎精準(zhǔn)的。這也驗證了表面溫度信號曲線發(fā)生的可重復(fù)性。因此在裝置的溫度信號發(fā)生原理上，實際上是分了兩個過程的：一個是學(xué)習(xí)，是對目標(biāo)控制曲線的初次、帶反饋的實現(xiàn)過程；一個是復(fù)現(xiàn)，是在初始環(huán)境不變情況下，利用初次得到的控制參數(shù)，重復(fù)多次復(fù)現(xiàn)同一曲線的過程。

在實際實驗過程中，先設(shè)定好程序，將4個珀爾貼發(fā)生的表面溫度曲線分別設(shè)計為快速升溫、快速降溫、緩慢升溫、緩慢降溫，組織了若干名年齡、性別不同的學(xué)生進(jìn)行逐個用手指觸摸此裝置的試驗，得出了幾點實驗結(jié)果：(1)不同人對溫度變化的敏感程度不一樣；(2)人手指對室溫下的降溫比較敏感，對升溫不是很敏感；(3)人手指能夠感覺出差別較大的升降溫速率的不同。

4　結(jié)論與展望

實驗證明，該裝置在表面溫度控制的精確性和實時性方面的提升是明顯的。具備了以上功能的多源溫度信號發(fā)生器，通過RS-232串口連接電腦后，可很容易的編寫人機(jī)界面交互軟件，畫出限定溫度及變化率范圍內(nèi)的任意溫度波形曲線，然后由該裝置實現(xiàn)立即式的溫度曲線信號發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

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[2]吳劍進(jìn)，李建清，吳劍鋒，等．表面溫度信號快速發(fā)生裝置硬件設(shè)計．傳感器與微系統(tǒng)，2011(1)：104-106．

[3]王恒海，陳照章，徐曉斌，等．基于LabVIEW的溫度測控系統(tǒng)設(shè)計．儀表技術(shù)與傳感器，2007(4)：26-28．

[4]Melexis Semiconductor．IR sensor thermometer MLX90614 Datasheet．http：//www．melexis．com/Assets/IR-sensor-thermometer-MLX90614-Datasheet-5152．a(chǎn)spx．2008．

[5]雷聚超．一種新的自適應(yīng)PID控制算法．工業(yè)儀表與自動化裝置，2002(5)：23-25．