一種高精度多路溫度采集方法研究

馬一通，王二偉，張 浩

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

一種高精度多路溫度采集方法研究

馬一通，王二偉，張 浩

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

慣性平臺(tái)系統(tǒng)是一種框架系統(tǒng)，主要包括平臺(tái)本體、電路箱和電源箱。平臺(tái)系統(tǒng)精度主要靠安裝在平臺(tái)本體的三浮陀螺和加速度計(jì)來(lái)保證。通常慣性平臺(tái)的工作環(huán)境比較嚴(yán)酷，慣性傳感器對(duì)溫度有很高的敏感度，在系統(tǒng)正常工作時(shí)，平臺(tái)內(nèi)部有二級(jí)溫控來(lái)保證儀表有良好的工作環(huán)境，但內(nèi)部空間溫度梯度變化會(huì)影響慣性傳感器的精度。在溫度采集過(guò)程中，鉑電阻存在非線性、自熱效應(yīng)及熱電動(dòng)勢(shì)等電氣干擾的精度影響。采用阻值比較法，通過(guò)引入恒定激勵(lì)電流來(lái)抑制溫度采集電路的自熱效應(yīng)，并基于FPGA設(shè)計(jì)并行多通道溫度采集電路。給出了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案、測(cè)溫電路參數(shù)設(shè)計(jì)、序列激勵(lì)電流控制和數(shù)字濾波補(bǔ)償?shù)木唧w實(shí)現(xiàn)方式，測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)64路溫度采集，在一定范圍內(nèi)測(cè)溫精度能達(dá)到±0．02℃，滿足精度要求。

慣性平臺(tái)；溫度采集；FPGA；LabView

0 引言

在慣性平臺(tái)系統(tǒng)中，一般要求慣性儀表在固定的環(huán)境溫度下能正常工作，而在地面模擬導(dǎo)航、自標(biāo)定和自瞄準(zhǔn)時(shí)，本體轉(zhuǎn)位過(guò)程中會(huì)引起儀表所處環(huán)境的溫度波動(dòng)。這樣儀表的輸出精度就發(fā)生了變化，進(jìn)而影響到整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)導(dǎo)航精度。

為了減小平臺(tái)內(nèi)溫度變化對(duì)于精度的影響，需對(duì)慣性儀表溫度敏感項(xiàng)的參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。在平臺(tái)溫度場(chǎng)模型建立的仿真階段，需要對(duì)儀表關(guān)鍵位置進(jìn)行溫度測(cè)量。在平臺(tái)系統(tǒng)溫度補(bǔ)償?shù)臏y(cè)試階段，實(shí)時(shí)對(duì)陀螺關(guān)鍵位置的溫度信息，發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行溫度計(jì)算。隨著慣性平臺(tái)系統(tǒng)需求量的提升，要求儀表生產(chǎn)、測(cè)試有較高的效率。在慣性平臺(tái)的生產(chǎn)測(cè)試階段，要做溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，也要對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)。因此，設(shè)計(jì)高精度、寬范圍、多通道溫度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于陀螺加速度計(jì)和整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)的研發(fā)、設(shè)計(jì)、測(cè)試、生產(chǎn)具有重要的意義。

本文基于慣性平臺(tái)儀表的溫度敏感點(diǎn)，設(shè)計(jì)了用于慣性平臺(tái)溫度場(chǎng)有限點(diǎn)測(cè)試的多路溫度采集方案，完成了慣性平臺(tái)在地面模擬導(dǎo)航、自標(biāo)定和自瞄準(zhǔn)過(guò)程中儀表周圍的多點(diǎn)溫度測(cè)試，為陀螺及加速度計(jì)參數(shù)的精度補(bǔ)償提供了有效測(cè)試數(shù)據(jù)支撐。

1 多路測(cè)溫總體方案

平臺(tái)溫控系統(tǒng)應(yīng)用于慣性平臺(tái)系統(tǒng)，主要對(duì)平臺(tái)臺(tái)體、陀螺和陀螺加速度計(jì)等慣性儀表進(jìn)行恒溫控制，為慣性儀表提供最佳的工作溫度環(huán)境，以提高慣性儀表及平臺(tái)系統(tǒng)的使用精度。平臺(tái)臺(tái)體的恒溫點(diǎn)為+60℃±1℃，溫控點(diǎn)波動(dòng)量精度為±0．5℃；在儀表周圍環(huán)境溫度穩(wěn)定的條件下，儀表溫控電路（包含傳感器）實(shí)現(xiàn)以下溫控精度：溫控點(diǎn)±0．3°C，波動(dòng)量≤0．03°C。在精度實(shí)驗(yàn)攻關(guān)過(guò)程中，需要對(duì)平臺(tái)內(nèi)部空間進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，空間溫度采集方法如圖1所示。

圖1 空間點(diǎn)溫度采集方法Fig.1 Method of temperature-point sampling

2 多路測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 多路測(cè)溫切換原理

多路溫度采集模塊完成對(duì)多個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)的溫度檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳送給FPGA。以鉑電阻溫度傳感器和精密電阻設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)電路，多通道選擇開關(guān)選擇對(duì)應(yīng)的鉑電阻接入溫度檢測(cè)電路，將相應(yīng)鉑電阻傳感器的信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器將溫度檢測(cè)電路輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為FPGA能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。測(cè)溫系統(tǒng)硬件原理如圖2所示。

8片模擬選擇開關(guān)ADG658對(duì)64個(gè)鉑電阻進(jìn)行切換，每片ADG658為8路單通道選擇開關(guān)；另外8片模擬選擇開關(guān)ADG658對(duì)8路AD7793輸出的恒流源進(jìn)行切換；8片AD轉(zhuǎn)換芯片AD7793對(duì)64個(gè)鉑電阻進(jìn)行循環(huán)模擬量采集；1路RS-422串口傳遞采集到的溫度數(shù)據(jù)。

圖2 測(cè)溫系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Structure of the temperature sampling system

2.2 高精度溫度采集原理

1）溫度傳感器。本設(shè)計(jì)采用阻值比較法進(jìn)行溫度測(cè)量，AD輸出的恒流源通過(guò)溫度傳感器鉑電阻與精密電阻，由于通過(guò)兩者的電流相同，鉑電阻溫度的阻值可由兩者的比值乘以精密電阻的阻值算出。恒流源的輸出不要求重復(fù)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，只要在通道切換的短時(shí)間內(nèi)激勵(lì)電流未改變，就可消除激勵(lì)電流對(duì)溫度測(cè)量的影響，具體如圖3所示。在溫度檢測(cè)電路中精密電阻選用精度為0．01%，溫漂為1×10-7，標(biāo)稱阻值為1kΩ的精密電阻，當(dāng)環(huán)境溫度變化小于30℃時(shí)，精密電阻的溫漂引入誤差小于0．001℃。在精度測(cè)量時(shí)，鉑電阻引線電阻對(duì)溫度測(cè)量的影響不可忽略。鉑電阻的引線連接方式包括兩線制、三線制和四線制，這里選取兩線制，由此引起的誤差將在后續(xù)分析。

圖3 FPGA測(cè)溫切換原理圖Fig.3 Connection of FPGA hardware

2）A/D轉(zhuǎn)換器。AD7793是ADI的一款高性能Σ-Δ型，包含同步串行SPI接口的24位A/D轉(zhuǎn)換器，它的最高有效分辨率可以達(dá)到23位。本設(shè)計(jì)采用外部2．5V參考電壓源，內(nèi)置增益運(yùn)算放大器，AD采集更新三浮選123Hz。高精度的AD7793不僅保證了溫度測(cè)量精度，而且內(nèi)部集成了低噪聲儀表運(yùn)算放大器、激勵(lì)恒流源、校準(zhǔn)寄存器，使外圍電路簡(jiǎn)化。

多路溫度采集電路板如圖4所示，所有芯片采用小封裝且雙面布置來(lái)減小印制板面積，縮短恒流源走線，以減小路徑阻抗。

圖4 硬件實(shí)物圖Fig.4 Hardware of test system

2.3 測(cè)溫精度分析

多路溫度采集系統(tǒng)的器件主要包括：測(cè)溫鉑電阻Pt1000、ADG658八路單通道模擬開關(guān)、AD7793模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器、XC3S200AN可編程邏輯門陣列。

1）溫度采集電路。本系統(tǒng)采用的兩線制的鉑電阻線徑0．7mm、最長(zhǎng)50mm，實(shí)測(cè)內(nèi)阻≤0．08Ω。常用的Pt1000鉑電阻溫度傳感器的電阻變化率為3．851Ω/℃，鉑電阻溫度傳感器的引線電阻會(huì)產(chǎn)生小于0．02℃的誤差。

2）模擬開關(guān)切換電路。ADG658的漏電流僅為5pA，而恒流源的輸出為420μA。ADG658的導(dǎo)通電阻為2．5Ω，而AD7793的輸入阻抗超過(guò)1GΩ，因此可以忽略多路復(fù)用器ADG658的漏電流和導(dǎo)通電阻對(duì)溫度測(cè)量精度的影響。

3）A/D轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)溫度變化0．001℃時(shí)，鉑電阻兩端的電壓值變化2μV，經(jīng)AD內(nèi)置運(yùn)算放大器將模擬信號(hào)放大4倍后為8μV，當(dāng)AD的輸出更新三浮為123Hz時(shí)，最小分辨電壓為3．4μV，小于6．4μV，滿足分辨率0．02℃的要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 溫度采集模塊軟件設(shè)計(jì)

溫度采集模塊的FPGA硬件描述語(yǔ)言功能模塊包括：同步復(fù)位分頻、AD配置及轉(zhuǎn)換、通道切換、阻值和溫度換算、平均濾波、串行數(shù)據(jù)發(fā)送，RTL如圖5所示。

FPGA要從AD7793中正確地讀取A/D轉(zhuǎn)換值，首先要進(jìn)行初始化操作。AD7793的初始化主要是對(duì)SPI接口時(shí)序的初始化，以及對(duì)AD7793內(nèi)部寄存器的配置。A/D轉(zhuǎn)換器AD7793是通過(guò)同步串行接口SPI協(xié)議與FPGA進(jìn)行通信的，狀態(tài)關(guān)系轉(zhuǎn)移圖如圖6所示，硬件描述語(yǔ)言功能仿真如圖7所示。

圖5 硬件描述語(yǔ)言RTL圖Fig.5 Simulation of parallel bus

圖6 A/D轉(zhuǎn)換的VHDL狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.6 State machine of A/D transform

數(shù)據(jù)采集程序先采集精密電阻的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)模擬開關(guān)選擇各通道鉑電阻溫度傳感器接入AD7793的模擬輸入通道，采集各通道溫度傳感器的數(shù)據(jù)。由于設(shè)置AD7793的數(shù)據(jù)更新三浮為39μs，需要的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為42ms，當(dāng)模擬開關(guān)選擇通道改變時(shí)，進(jìn)行50ms的延時(shí)，使讀取結(jié)果為模擬輸入信號(hào)穩(wěn)定后的A/D轉(zhuǎn)換值。數(shù)據(jù)采集程序采集溫度傳感器的阻值保存在一個(gè)全局?jǐn)?shù)組變量中，通過(guò)全局變量傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊。

圖7 硬件描述語(yǔ)言的功能仿真圖Fig.7 Simulation of sampling operation

3.2 溫度數(shù)字濾波及曲線擬合

由于環(huán)境溫度不會(huì)產(chǎn)生突變，為了抑制隨機(jī)高頻噪聲對(duì)溫度測(cè)量精度的影響，采用平均濾波對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波；受到鉑電阻和A/D轉(zhuǎn)換器的非線性的影響，鉑電阻的測(cè)量值與實(shí)際的溫度值在上位機(jī)采用最小二乘法進(jìn)行溫度曲線擬合。

理論上系統(tǒng)可以通過(guò)讀取A/D轉(zhuǎn)換器兩個(gè)通道的轉(zhuǎn)換值，計(jì)算出接入鉑電阻的阻值。但由于計(jì)算中使用的精密電阻的阻值與實(shí)際阻值存在誤差，以及由于多通道模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)漏電流和導(dǎo)通電阻等因素的影響，計(jì)算出的阻值與實(shí)際鉑電阻的阻值會(huì)存在誤差。為了消除電子元器件等因素引入的誤差，本系統(tǒng)使用測(cè)量值進(jìn)行溫度曲線擬合。具體實(shí)現(xiàn)方法為：在溫度測(cè)量20℃～90℃的范圍內(nèi)，每隔2℃使用高精度溫度校準(zhǔn)儀模擬輸出鉑電阻在不同溫度下的電阻值，將高精度溫度校準(zhǔn)儀的輸出代替鉑電阻溫度傳感器接入溫度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。為了減少系統(tǒng)的運(yùn)算量，在進(jìn)行擬合前不進(jìn)行溫度換算，只通過(guò)讀取兩個(gè)通道的A/D轉(zhuǎn)換值測(cè)量出電阻值，然后使用測(cè)量的電阻值與實(shí)際的溫度值進(jìn)行溫度曲線擬合。

3.3 通信模塊軟件設(shè)計(jì)

多路溫度采集系統(tǒng)的上位機(jī)平臺(tái)用NI公司的LabView軟件開發(fā)，主要包括溫度數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析預(yù)處理、結(jié)果顯示及存儲(chǔ)3部分，如圖8所示。

1）溫度數(shù)據(jù)接收。采集計(jì)算到的溫度數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)RS422發(fā)送到串口板卡，通過(guò)上位機(jī)的LabView軟件可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)內(nèi)部的溫度。通信協(xié)議：分別以幀頭識(shí)別不同位置的溫度數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)正確性，進(jìn)行CRC的數(shù)據(jù)校驗(yàn)。通信三浮：完成64路溫度測(cè)試所需時(shí)間。AD采集完成一路的時(shí)間為0．8ms，6路并行采集，每一路進(jìn)行8通道依次切換，所以測(cè)試一次的時(shí)間為0．5s。串口波特率為921．6Kbps。

2）數(shù)據(jù)分析預(yù)處理。本文對(duì)溫度的標(biāo)定及計(jì)算在采集板的FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，溫度標(biāo)定和溫度曲線擬合的控制指令通過(guò)上位機(jī)下發(fā)，上位機(jī)串口板卡程序如圖9所示。由于測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)為浮點(diǎn)型，而串口不能以浮點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送，測(cè)量溫度的分辨率為0．005，需要溫度數(shù)據(jù)小數(shù)點(diǎn)后保留3位，將溫度數(shù)據(jù)乘以1000后，可以將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為整型數(shù)據(jù)。

圖8 溫度采集與存儲(chǔ)Labview框圖Fig.8 Structure of temperature data getting and saving

圖9 軟件顯示存儲(chǔ)前面板Fig.9 GUI of the program

3）結(jié)果顯示及存儲(chǔ)。儀表溫度控制系統(tǒng)實(shí)際用到的測(cè)溫電阻僅有4個(gè)測(cè)試點(diǎn)，不能完全反應(yīng)儀表內(nèi)部的溫度分布情況。為進(jìn)一步了解平臺(tái)內(nèi)部溫度場(chǎng)分布情況，實(shí)現(xiàn)儀表在實(shí)際工作條件下溫度場(chǎng)分布的均勻性，本設(shè)計(jì)中將串口板卡收到的溫度數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的儀表位置顯示并進(jìn)行記錄。當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)后會(huì)產(chǎn)生接收數(shù)據(jù)事件，接收數(shù)據(jù)程序?qū)⒋诰彺嬷械臄?shù)據(jù)讀取至溫度數(shù)據(jù)緩存中，然后判斷溫度數(shù)據(jù)緩存中的數(shù)據(jù)是否有與協(xié)議符合的一段數(shù)據(jù)，并計(jì)算溫度值。讀取溫度數(shù)據(jù)后，清理相應(yīng)的緩存區(qū)，然后保存溫度數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)文件中。同時(shí)，將測(cè)試點(diǎn)位置分布間距、量程范圍、精度范圍等常用參數(shù)連接至前面板。

針對(duì)本設(shè)計(jì)中較大的數(shù)據(jù)量，溫度采樣速度較低的特點(diǎn)，選用TDMS格式數(shù)據(jù)文件對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，且對(duì)溫度數(shù)據(jù)添加時(shí)間軸，這為軟件操作人員使用和后期分析溫度數(shù)據(jù)的空間分布提供便利。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證

（1）溫度曲線顯示驗(yàn)證

如圖10所示，表示某一固定位置儀表的溫度數(shù)據(jù)波動(dòng)。

圖10 溫度誤差曲線Fig.10 Curve of the temperature deviation

如表1所示，根據(jù)測(cè)試結(jié)果可得出臺(tái)體及儀表的溫度控制效果，為控制系統(tǒng)偏移補(bǔ)償提供參數(shù)；可根據(jù)儀表周圍溫度分布為儀表溫度模型建模提供數(shù)據(jù)支持；可根據(jù)溫度控制較差點(diǎn)進(jìn)行分析，調(diào)整臺(tái)體加熱功率的分布；分析儀表工作溫度的線性度，為提高陀螺精度提供有效測(cè)量參數(shù)。

表1 溫度單點(diǎn)1h測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of temperature in an hour

（2）測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量精度驗(yàn)證

溫度測(cè)量系統(tǒng)各個(gè)通道除鉑電阻溫度傳感器外，各個(gè)通道的溫度信號(hào)都經(jīng)過(guò)同一個(gè)器件，現(xiàn)以單通道測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證。固定電阻的阻值可以通過(guò)Agilent 3458A型高精度萬(wàn)用表測(cè)量得到，查找鉑電阻的分度表可以得到對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度，通過(guò)測(cè)量的溫度值與實(shí)際值比較驗(yàn)證溫度測(cè)量精度。Agilent 3458A對(duì)10K以下的阻值測(cè)量精度能達(dá)到0．005Ω，對(duì)應(yīng)的溫度約為0．00026℃，能達(dá)到0．02℃溫度測(cè)量精度的驗(yàn)證。

5 結(jié)論

本文使用精密溫度測(cè)量板和LabView上位機(jī)平臺(tái)完成了空間溫度測(cè)試，測(cè)試精度滿足需求；開展了對(duì)現(xiàn)有溫度采集系統(tǒng)的測(cè)溫模塊在硬件電路、測(cè)溫補(bǔ)償?shù)确矫娴母倪M(jìn)設(shè)計(jì)；完成了儀表工作環(huán)境中有限溫度點(diǎn)的連續(xù)切換測(cè)試，為后續(xù)儀表溫度漂移補(bǔ)償提供有效數(shù)據(jù)。對(duì)于提高現(xiàn)有溫控系統(tǒng)的測(cè)溫精度、控溫精度、抗干擾能力和穩(wěn)定性以及最終提高整個(gè)慣性平臺(tái)系統(tǒng)的精度具有重要意義。

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Research on the Multiple-channel Temperature Sampling Method

MA Yi-tong，WANG Er-wei，ZHANG Hao
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

Inertial platform system is a framework system which consists of platform，circuit box and power box．The precision of platform system is influenced by inertial meters on platform body．Because of the temperature sensitivity about inertial meters，two zones of temperature control system is designed to ensure a fine working environment for the instrument，but temperature gradient of the platform internal space changes will affect the precision of system．The precision is affected by the nonlinear of platinum resistance，self-heating and thermoelectric interference．The method of resistance value comparison and constant excitation current is employed in this paper to overcoming the self-heating effect．Furthermore，the design of parallel acquisition for the multi-channel temperature was based on FPGA．This paper provides the system design methods for the temperature measurement through the realization of sequence current，compensation and digital filter．The testing results show that the 64 channels of temperature acquisition fulfills the accuracy requirements in a certain range can be realized．

platform inertial；temperature sample；FPGA；LabView

U666．12

A

1674-5558（2017）02-01320

10．3969/j．issn．1674-5558．2017．03．008

馬一通，男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)閼T性平臺(tái)電路設(shè)計(jì)。

2016-09-07