面向模擬月壤的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

向小林，高宏偉，劉金國

(1.沈陽理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽 110159;2.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所 機器人學(xué)國家重點實驗室,沈陽 110016)

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面向模擬月壤的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

向小林1,2，高宏偉1,2，劉金國2

(1.沈陽理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽 110159;2.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所 機器人學(xué)國家重點實驗室,沈陽 110016)

以ARM單片機STM32為核心控制單元，鎧裝K型熱電偶為測量傳感單元，模擬月壤CAS-1為測量對象，MAX31855作為熱電偶的冷端補償及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)計了月壤溫度就位測量系統(tǒng)。提出并采用動態(tài)限幅均值濾波進行數(shù)據(jù)處理，以得到可信的溫度數(shù)據(jù)；切換備件，以處理硬件錯誤。該系統(tǒng)設(shè)計簡單，安全可靠，軟硬件模塊化、輕量化、即插即用，在地面就位試驗中有良好的表現(xiàn)。

模擬月壤；ARM；MAX31855；鎧裝熱電偶；動態(tài)限幅均值濾波

月表溫度是月表熱環(huán)境的主要內(nèi)容，是研究月球內(nèi)部熱演化模型的基本邊界條件，也是解譯微波探測數(shù)據(jù)的必要參數(shù)[1]。由于月表熱環(huán)境惡劣(高溫差，長周期等)，使得月表熱環(huán)境的時間累積效應(yīng)很大，因而月面探測器與繞月衛(wèi)星的熱控設(shè)計有很大區(qū)別。長遠來看，建立在簡單而粗略的熱環(huán)境參數(shù)上的熱控設(shè)計，將難以滿足未來月面活動的需要，必須進一步獲取詳細準確的月面熱環(huán)境數(shù)據(jù)[2]。

本文提出采用就位測量，其能夠?qū)崟r、接觸式測量月壤溫度，與遙感等非接觸式測量相比，準確性高；并設(shè)計了一種用于測量月壤溫度的就位測量樣機，其由STM32作為主控單元，MAX31855作為熱電偶的冷端補償和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元，樣機滿足小型化、模塊化、功耗低、重量輕、可靠性高[3]等設(shè)計要求。實驗中，由于真正的月壤及其珍貴，一般用具有和月壤相似礦物組成、化學(xué)成分和物理力學(xué)性質(zhì)的地球物質(zhì)制成的模擬月壤代替，文中以CAS-1模擬月壤[4]作為測量對象。

1　溫度測量方法

溫度測量方法目前已經(jīng)非常成熟，國內(nèi)外分類方法不一，這里采用楊永軍[5]的分類方法，這種方法按測量原理分類，對溫度的測量分為接觸式和非接觸式[6]，如圖1所示。

圖1　測溫方法

考慮到本設(shè)計是為了實地測量月球風(fēng)化層(它是一種多孔的疏松混合介質(zhì))的溫度，所以應(yīng)承受惡劣的月球表面環(huán)境，如強輻射、月塵等的影響，以及發(fā)射與降落時的強振動與強沖擊等，本設(shè)計選用鎧裝熱電偶測量。

2　模擬月壤溫度測量系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1系統(tǒng)概述

為了不增加上位機的負擔，測量系統(tǒng)應(yīng)是完全自主，功能完備的。在上位機需要時，直接對設(shè)備供電，然后讀取處理好的最終數(shù)據(jù)即可。本系統(tǒng)采用K型鎧裝熱電偶作為一次側(cè)的測量單元，MAX31855作為二次側(cè)的轉(zhuǎn)換及冷端補償單元，最后用STM32作為傳感器的核心控制器，其用于對數(shù)據(jù)的二次處理，包括存儲、打包、通信、電源管理等，系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2　溫度測量系統(tǒng)總體框圖

上位機月球探測器為溫度測量系統(tǒng)提供電力。電力經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換器，為處理器、MAX31855等提供電源，探針為K型鎧裝熱電偶，其與MAX31855直接連接。

此外應(yīng)注意，本系統(tǒng)以月球環(huán)境的應(yīng)用為背景，因而在設(shè)計系統(tǒng)和選用材料時須考慮以下幾個因素[4]：

1) 滿足小型化、模塊化、功耗低、重量輕、可靠性高的設(shè)計要求；

2) 防止月塵粘附到樣機內(nèi)時，對探測器的影響(防塵設(shè)計)；

3) 應(yīng)付惡劣的太空輻射、溫度環(huán)境；

4) 能承受發(fā)射時的強烈沖擊和振動等。

2.2鎧裝熱電偶

熱電偶的工作原理：由熱電效應(yīng)知，兩種不同成份的導(dǎo)體A、B兩端經(jīng)焊接形成回路，直接測溫端叫熱端，接線端子叫冷端，當熱端和冷端存在溫差時，會在回路中產(chǎn)生熱電流，熱電偶的熱電動勢隨著熱端溫度的升高而增長。熱電動勢的大小只和熱電偶導(dǎo)體材質(zhì)以及兩端溫差有關(guān)，和熱電極的長度、直徑等幾何形狀無關(guān)?？捎霉?1)表示其工作原理。

EAB(T,T0)=EAB(T0,0)EAB(T0,0)

(1)

式中：T0為冷端溫度；T為熱端溫度；EAB(T,T0)表示熱電偶回路的總電動勢。

對于熱電偶的選擇，應(yīng)考慮到測量精度、測溫范圍、運用氛圍，耐久性和熱響應(yīng)性等，表1列出一般熱電偶的特性。

表1　熱電偶的分度號與測溫范圍　℃

文獻[7]表明，月表溫度白天可高達150℃，夜間最冷時，溫度則可降到-180℃，可以選擇K、E、T型熱電偶；本文對溫度精度要求為0.5 ℃，這里選擇K型；考慮到使用氛圍惡劣、強輻射、月塵等選擇加上保護管，這里采用不銹鋼套管，同時保護管也能延長其使用壽命；本設(shè)計對熱電偶的響應(yīng)快慢要求不高，可適當粗些(φ=6mm)，這也有益于其耐久性。保護套管與熱電偶間應(yīng)填充高熱導(dǎo)、高絕緣物質(zhì)，以便熱傳輸，同時起到抗沖擊和抗振動的作用。

2.3模擬月壤溫度測量電路

測溫電路采用鎧裝K型熱電偶，及專用于K型熱電偶的測溫芯片MAX31855，電路設(shè)計如圖3所示。其中端子1、2接K型熱電偶；U2為電源轉(zhuǎn)換芯片，其輸出3.3V為MAX31855供電，并通過J1口的2腳輸出供其他芯片使用；C1、C2應(yīng)盡量靠近U2。J1的引腳7是備件的片選信號線，當U1通信失敗時，會選中備件，備件與主件U1與STM32的連接相同，限于篇幅略去。

圖3　測溫電路

MAX31855簡介[8]：器件MAX31855(以下簡稱器件)將復(fù)雜的線性化、冷端補償及數(shù)字化輸出等集中在一個芯片上。

器件包括信號調(diào)理硬件電路，將熱電偶信號調(diào)整到與ADC輸入通道相匹配的電壓。將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換為等效的溫度值之前，需要補償熱電偶冷端(器件環(huán)境溫度)與0℃實際參考值的差異。對于K型熱電偶，電壓變化率為41.276μV/℃，可由線性方程(2)來逼近熱電偶的特性。

U1=41.27×(T-T0)

(2)

式中：U1為熱電偶輸出電壓(μV)；T是熱端溫度(℃)；T0是冷端溫度(℃)。

通過冷端補償對參考端的溫度變化進行檢測和修正，并直接輸出數(shù)字化補償后的溫度。首先測量內(nèi)部管芯溫度，該溫度應(yīng)與參考端的溫度相同；然后測量熱電偶參考端的輸出電壓，并將其轉(zhuǎn)換為補償之前的熱電偶溫度值。將該值疊加到器件的管芯溫度，計算得到熱電偶的 “熱端”溫度。注意，“熱端”溫度也可能低于冷端(或參考端)溫度。熱電偶冷端與器件溫度相同時，器件具有最佳性能。避免將發(fā)熱設(shè)備或熱源靠近器件，否則會產(chǎn)生冷端誤差。

MAX31885型專用測溫芯片的特點[8]：

1)冷端補償功能；

新媒體的廣泛應(yīng)用可謂改變了過去受眾接收信息、感知外界的固有方式，無論是工作需求還是休閑娛樂，新興媒介都滿足了受眾隨時隨地瀏覽信息、查詢資訊的需求。同時，新興媒體還具備靈活新穎、雙向互動等突出優(yōu)勢，因而短時間內(nèi)獲得受眾市場，并對傳統(tǒng)媒體造成一定影響。

2)14位ADC，0.25 ℃分辨率；

3)簡單的SPI兼容接口(只讀)；

4)能檢測到熱電偶短路到GND和VCC；

5)能檢測到熱電偶開路。

3　模擬月壤溫度測量系統(tǒng)軟件

模擬月壤溫度測量系統(tǒng)軟件由C語言在集成環(huán)境MDK-ARM中編寫。軟件系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)的自檢、微處理器STM32與MAX31855的通信、數(shù)據(jù)的濾波等。

3.1STM32與MAX31855的通信

圖4　MAX31855通信時序圖

為了提高系統(tǒng)的可靠性，開機后應(yīng)先檢查系統(tǒng)的完整性，若存在硬件錯誤，應(yīng)給出檢查結(jié)果或切換到備用件。本系統(tǒng)對關(guān)鍵硬件MAX31855設(shè)計了備件，STM32與MAX31855通信失敗時，進行備件切換，即拉低備件片選線。通信正常后，檢測熱電偶連接是否正常。其自檢程序流程圖如圖5所示。

圖5　自檢程序流程圖

3.3溫度數(shù)據(jù)的濾波與打包處理

為了防止測量環(huán)境(條件)的瞬間突變和嚴重干擾，引起的測量值嚴重偏離真實值的粗大誤差，這里采用動態(tài)限幅濾波；為了防止噪聲疊加到被測信號上，導(dǎo)致同一信號多次測量(其它條件不變)的結(jié)果不同的隨機誤差[4]，加入均值濾波[9]。

(3)

(4)

λ=3S

(5)

(6)

動態(tài)限幅由標準離差和樣本確定，見式(6)。當測定值在A之外時，則認為這次測量不可信，將其舍去。

均值濾波原理：因為隨機誤差樣本足夠大時，具有統(tǒng)計平均值趨于零的統(tǒng)計特性，所以按照公式(4)(其中的N是去掉壞樣本點的樣本總數(shù))，即可得到最終的溫度數(shù)據(jù)。

為了驗證濾波算法的有效性，這里用Matlab仿真分析。首先生成一個標準正態(tài)序列，模擬溫度樣本的隨機誤差；將其加上一定的偏移，模擬正常溫度值(23℃)；再將序列中的一個值改為一個比較大的值(100℃)，模擬粗大誤差。進行動態(tài)限幅濾波前見圖6a，濾波后見圖6b。很顯然濾除了粗大誤差。最后進行均值濾波，結(jié)果如圖6b直線所示，值為22.98℃，與真實值23相差0.02，滿足要求。

圖6　動態(tài)限幅均值濾波

為了使傳回地球的數(shù)據(jù)便于理解，將數(shù)據(jù)按時間、內(nèi)容、目的編碼打包存儲[10-11]。整個系統(tǒng)的總體流程圖如圖7所示。

圖7　總體程序流程圖

4　實驗結(jié)果

圖8是該系統(tǒng)的實物驗證系統(tǒng)，圖8中:①是STM32最小系統(tǒng)；②是MAX31855模塊；③是顯示模塊。顯示模塊是為了直觀地得到實驗數(shù)據(jù)，實際儀器中可將數(shù)據(jù)直接存儲。

實際測試地點為：北緯41°46′、東經(jīng)123°27′、室外；測量對象：模擬月壤CAS-1及當?shù)厣惩?。測量前，先將所有設(shè)備和測量對象置于實驗環(huán)境，待足夠時間使得設(shè)備和測量對象達到熱平衡。測量時先將鎧裝熱電偶放在空中，以模擬近地溫度(空氣溫度)測量，15分鐘后插入模擬月壤。表2是傳感器數(shù)據(jù)。

圖8　實物驗證系統(tǒng)

表2　模擬月壤CAS-1實驗結(jié)果

表2表示測量在第幾天某時開始，測量5分鐘(5分鐘進行了300次測量，即采樣頻率1Hz)對測量對象的測量結(jié)果。如第一次測量在第1天14∶00開始，意在測量近地面的溫度；最后的溫度表示濾波后的溫度。

5　結(jié)束語

提出對月壤采用就位測量方式，以得到準確的溫度數(shù)據(jù)，并論述了面向模擬月壤的溫度就位測量系統(tǒng)的組成與各部分工作原理；設(shè)計了智能測量系統(tǒng)的軟硬件，其中重點設(shè)計了錯誤與誤差處理機制：分別采用切換備件和動態(tài)限幅均值濾波處理。硬件采用MAX31855將熱電偶測溫時復(fù)雜的線性化 、冷端補償及數(shù)字化輸出等集中在一個芯片上。在地面就位試驗的結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的測量準確度，且設(shè)計能夠滿足航天所需的小型化、模塊化、重量輕、可靠性高、抗沖擊振動等設(shè)計要求。

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(責任編輯：馬金發(fā))

The Design and Implementation of Simulated Lunar Regolith Temperature Measurement Sensor

XIANG Xiaolin1,2, GAO Hongwei1,2, LIU Jinguo2

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)(2.State Key Laboratory of Robotics,Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China)

With single chip ARM STM32 as the key control unit,armoring K type thermocouple as measuring sensing unit,lunar regolith CAS-1 is simulated as the measured object and MAX31855 is taken as the cold end compensation of thermocouple and data conversion chip,and then the simulated lunar regolith measurement system in-situ is designed.Dynamic limiter mean filtering is proposed for data processing to obtain reliable temperature data,and spares are switched to handle errors.System simple designing,modular,lightweight,and plug and play,have good performance on the ground in the experiment,which satisfies the measurement precision well.

simulated lunar regolith；ARM；MAX31855；armored thermocouple；dynamic limiting amplitude and mean filtering

2015-03-19

國家自然科學(xué)基金資助項目(51175494)

向小林(1990—)，男，碩士研究生；通訊作者：高宏偉(1978—)，男，副教授，博士后，研究方向：計算機視覺、智能控制等。

TP23

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