航天相機用基于1553B總線高精度溫度控制系統(tǒng)

張 鵬，常 霞

(北京空間技術(shù)研究所，北京 100094)

航天相機用基于1553B總線高精度溫度控制系統(tǒng)

張 鵬，常 霞

(北京空間技術(shù)研究所，北京 100094)

文章介紹了一種航天相機用基于1553B總線的測溫控溫系統(tǒng)的設計，測溫部分通過電阻分壓的方式采集熱敏電阻的電壓值進而計算出熱敏電阻的阻值，從而得出熱敏電阻的溫度，控溫部分通過PID控制方法驅(qū)動加熱片進行溫度補償，達到目標溫度值;文中介紹了系統(tǒng)的原理及電路實現(xiàn)、軟件流程，對測溫過程中產(chǎn)生的誤差源進行了分析并提出修正方案;最后給出實測數(shù)據(jù)得出結(jié)論，該系統(tǒng)測溫精度優(yōu)于0.1℃，控溫精度優(yōu)于0.3℃。

溫度控制；1553B；航天相機；PID；曲線擬合

0 引言

現(xiàn)在空間相機的分辨率越來越高，這使得相機焦距長，鏡頭口徑大，由于熱脹冷縮的作用以及各種材料的熱膨脹系數(shù)不同，環(huán)境溫度的的變化或相機結(jié)構(gòu)溫度的不均勻會導致光學元件及結(jié)構(gòu)件相對位置改變從而影響成像質(zhì)量。這就需要對相機進行主動溫度補償使相機工作在合適的溫度下，以及保證良好的溫度均勻性，以保證良好的成像質(zhì)量[1]。

為了達到預定的溫控效果需要通過傳感器采集相應點的溫度值并根據(jù)設定溫度進行溫度補償。目前國內(nèi)航天相機上主要采用熱敏電阻作為測溫元件[2]。1553B總線是由于它的高可靠性和靈活性，使其在航空航天以及軍事工業(yè)中得到了廣泛的應用。本系統(tǒng)以某型號衛(wèi)星相機負載為背景研制，通過1553B總線接收衛(wèi)星平臺發(fā)送控溫指令完成溫度控制，并將溫度遙測發(fā)送至衛(wèi)星平臺，完成空間相機的測溫控溫功能。

1 系統(tǒng)設計及原理

系統(tǒng)主要分為測溫部分與控溫部分。通過測溫電路采集熱敏電阻處的溫度值，將該溫度值通過1553B總線以及衛(wèi)星測控系統(tǒng)返回地面。同時可根據(jù)地面設定的溫度值通經(jīng)過一定的控制算法驅(qū)動加熱片進行溫度補償指定區(qū)域穩(wěn)定在設計溫度。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 空間相機測溫控溫系統(tǒng)框圖

1.1 測溫原理

熱敏電阻的阻值隨著溫度的變化而變化，溫度與阻值的關(guān)系可以通過Steinhart-Har公式精確描述[3]。測溫電路通過精密的基準電壓源和分壓電路將熱敏電阻的阻值轉(zhuǎn)換成電壓值；再使用AD轉(zhuǎn)換芯片對電壓進行量化，微處理器讀取AD轉(zhuǎn)換芯片的量化值，根據(jù)量化值——電阻對應關(guān)系及電阻——溫度關(guān)系計算出熱敏電阻的溫度值，測溫原理如圖2所示。

圖2 測溫原理

1.2 控溫原理

控溫原理：將加熱片或半導體制冷器固定在需要溫度補償?shù)奈恢茫瑢ζ涫┘臃讲妷旱氖辜訜崞l(fā)熱(半導體制冷器制冷)進行溫度補償，通過控制方波的占空比控制加熱片的加熱量(制冷量)。

2 電路實現(xiàn)

電路模塊圖如圖3所示。

圖3 硬件電路模塊圖

2.1 分壓電路：

精密電壓源產(chǎn)生一個高精度的穩(wěn)定的電壓。R1選用精密電阻，由于熱敏電阻R3安裝于被測物體表面，離測量電路較遠導線容易受到其他信號串擾，使用電容C1濾波，R2為信號匹配電阻。通過分壓電路將熱敏電阻的阻值轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷褐?，分壓電路如圖4所示。

圖4 分壓電路

2.2 放大器+AD轉(zhuǎn)換電路

電路中放大器將放大倍數(shù)設置為1，作為信號調(diào)理使用。由于放大器的輸入阻抗為百兆歐級別，所以計算是可忽略R2信號匹配電阻(33歐)，及模擬開關(guān)選通電阻(2 k歐)的分壓作用。

AD轉(zhuǎn)換電路將轉(zhuǎn)換后的電壓值量化為碼值，由微處理器讀取轉(zhuǎn)換后的碼值進行換算后解析為溫度值。受限于航天器件等級和成本的制約，選用12位量化的AD轉(zhuǎn)換器件。

2.3 溫控驅(qū)動及保護電路：

控溫驅(qū)動電路使用鎖存器鎖存微處理器的數(shù)據(jù)線信號作為控制信號控制光耦器件的前端，光耦器件的后端連接加熱片與加熱電源。由于產(chǎn)品運輸、衛(wèi)星發(fā)射過程中的振動等因素加熱片存在短路的故障模式(衛(wèi)星上的金屬結(jié)構(gòu)最終會與電源地連接)[4]，所以每一個加熱回路都使用熔斷器做短路保護，為了提高可靠性加熱片使用如下圖所示的非平衡并聯(lián)的方式，選擇合適的電阻R4使正常情況下95%的電流通過熔斷器F1，當熔斷器F1失效后，F(xiàn)2可繼續(xù)工作。

圖5 控溫驅(qū)動電路

2.4 1553B接口電路

相機屬于衛(wèi)星的載荷，為1553B總線上的一個節(jié)點，配置為遠程終端(RT)使用。它接收衛(wèi)星(BC)發(fā)出的指令并向衛(wèi)星返回遙測數(shù)據(jù)，為了提高可靠性使用A、B兩條總線互為熱備份使用?？偩€收發(fā)芯片與微處理器之間的接口信號有數(shù)據(jù)信號，地址信號，控制信號，握手信號，中斷信號。該總線接收芯片具備多種工作模式，本設計中將其配置為16位緩存模式?？偩€收發(fā)芯片操作速度較慢，且和微處理器之間為異步時鐘系統(tǒng)，所以將ZERO-WAIT管腳置為邏輯“1”，使能READY信號，使用握手信號保證數(shù)據(jù)讀取的正確性，但總線收發(fā)芯片的READY信號應與微處理器的READY信號配合使用。微處理器與總線收發(fā)芯片之間的通訊采用中斷的方式，當總線上有消息時總線收發(fā)芯片發(fā)出中斷信號，微處理器進入中斷處理程序進行消息讀取和處理。接口原理圖如圖6所示。

圖6 總線接收芯片與DSP接口原理圖

3 測溫校正及控溫算法

3.1 測溫校正

對于航空相機來說，在指定溫度范圍內(nèi)測溫精度達到±0.1 ℃已經(jīng)能滿足要求，下面根據(jù)此指標分析各誤差影響，并對提出修正方案。根據(jù)圖2的測溫原理，影響測溫精度的誤差來源有以下方面：

3.1.1 熱敏電阻溫度-阻值關(guān)系

熱敏電阻的溫度-阻值關(guān)系可由Steinhart-Har公式精確描述，經(jīng)過對公式系數(shù)標定后精度可達0.01 ℃，對于±0.1 ℃的要求余量較大，所以忽略此項誤差。

3.1.2 電路誤差

熱敏電阻經(jīng)分壓電路分壓后輸出電壓Ui進入模擬開關(guān)后進入放大器，放大器做信號調(diào)理后進入AD轉(zhuǎn)換器件，根據(jù)上文分析，模擬開關(guān)和放大器對于電路轉(zhuǎn)換關(guān)系并無影響。根據(jù)分壓電路圖3以及AD轉(zhuǎn)換原理得出：

(1)

由式(1)得：

(2)

式中，R3為熱敏電阻阻值，Ω；Ui為熱敏電阻經(jīng)分壓電路分壓后的輸出電壓，V；R1為10 K歐的精密電阻，Ω；Us為分壓電路基準電壓源，V；C為AD轉(zhuǎn)換后的碼值；

根據(jù)式(2)，熱敏電阻阻值R3與R1及C有關(guān)，對于熱敏電阻R3，以某型號使用的負溫度系數(shù)熱敏電阻MF61為例，根據(jù)Steinhart-Har公式計算出20℃時R3(20)=4 800.8 Ω，C(20)=1 328，20.1℃時R3(20.1)=4 781.5 Ω，C(20.1)=1 325，19.9℃時R3(19.9)=4 820.3 Ω，C(19.9)=1 332，阻值變化R3(19.9)-R3(20.1)=38.8 Ω，變化率為，碼值變換C(19.9)-C(20.1)=7。R1選用精密電阻，阻值偏差±0.05%，溫度特性為±10×10-6/K，相對熱敏電阻在±0.1℃測溫精度影響較小。影響碼值C的因素較多，有元器件的誤差影響，包括模擬開關(guān)、放大器的漏電流引起的分壓關(guān)系誤差，放大器放大倍數(shù)誤差、零偏誤差，AD轉(zhuǎn)換器的量化誤差、非線性誤差、零偏誤差；以及電路布局布線干擾的影響等。這些誤差中有些項目可對精度造成較大影響，如AD轉(zhuǎn)換器的零偏誤差可達到±4個碼值已超出±0.1 ℃引起的碼值變化。

3.2 校正方法

航天產(chǎn)品對于其它產(chǎn)品有其特殊性，如產(chǎn)品批量少、對產(chǎn)品體積重量敏感、要求產(chǎn)品可靠性高、由于國外禁運以及器件等級要求等因素有些器件不可選用。根據(jù)以上特點，誤差的校正通過使用精密電阻源標定后擬合曲線，以及多次采集取平均的方法。具體為：使用精密電阻箱模擬熱敏電阻接入測溫電路，精密電阻箱的精度可達0.02%可滿足精度要求，使用精密電阻箱模擬出測溫范圍內(nèi)的一系列溫度點的阻值(步長越短擬合的曲線越精確，一般根據(jù)測溫范圍取1℃或2℃)，記錄各個阻值對應的碼值，根據(jù)阻值和碼值的對應關(guān)系擬合曲線，最終程序中使用擬合的曲線關(guān)系推算出熱敏電阻的阻值。同時為了減少隨機誤差，對一路熱敏電阻采用多次讀數(shù)，去掉最大值最小值，并取平均后的碼值作為最終使用的碼值。該方法優(yōu)點為不額外增加電路規(guī)模，而且可對整個電路各個環(huán)節(jié)的誤差進行修正，缺點是會額外增加標定的工作量，但由于產(chǎn)品數(shù)量少所以選用該方法。

3.3 控溫算法

控溫的過程是閉環(huán)控制的過程，設計中采用開關(guān)控制和PID控制相結(jié)合的方法進行控溫。開關(guān)控制模式是簡單的開關(guān)方式，當實際溫度與所設溫度相差較大時采用開關(guān)控制，可使控溫點迅速達到設定溫度點附近，但是由于開關(guān)控制方式的局限性和加熱器的慣性，在目標溫度值附近常有過沖，控溫的穩(wěn)定性查。因此當控溫點到達設定溫度點附近時采用位置式PID算法進行控制。位置式PID控制算法等效控制傳遞函數(shù)如圖7所示[5]。

圖7 控溫PID等效傳遞函數(shù)

圖7的傳遞函數(shù)為：

(4)

在時域的傳遞函數(shù)表達式:

(5)

對上式中的微分和積分進行近似:

t=NT

(6)

式中,N是離散點的個數(shù)。

于是傳遞函數(shù)可以簡化為：

(7)

其中:

(8)

式中,u(N)為第k個采樣時刻的控制；KP為比例放大系數(shù)；Ki為積分放大系數(shù)；Kd為微分放大系數(shù)；T為采樣周期。

采樣周期根據(jù)處理器的能力、器件響應速度以及被控對象所處環(huán)境溫度變換速率、熱敏電阻響應時間等綜合因素選擇，一般設置為秒級。PID參數(shù)根據(jù)工程經(jīng)驗初步選定數(shù)值后根據(jù)測試結(jié)果微調(diào)。使用上述方法可將溫度控制在0.3℃以內(nèi)。

4 軟件設計

軟件通過1553B總線接收衛(wèi)星平臺發(fā)送的各種數(shù)據(jù)和指令，經(jīng)解析后進行相應的處理；采集軟件運行過程中產(chǎn)生的遙測量、溫度數(shù)據(jù)和控溫回路加熱狀態(tài)等遙測數(shù)據(jù)并打包，存入1553B總線接口芯片指定的數(shù)據(jù)區(qū)等待上傳給衛(wèi)星平臺。軟件進行的所有動作都是受衛(wèi)星平臺的指令的調(diào)度，因此，軟件采用主程序循環(huán)執(zhí)行和中斷響應并發(fā)的工作流程。

軟件定義了2個中斷源：接收1553B總線數(shù)據(jù)和指令的中斷用外中斷0，采集溫度值及計算控溫回路加熱量用定時器0中斷。

4.1 軟件模塊

該系統(tǒng)的軟件主要包括主程序、MIL-STD-1553B通訊中斷程序和測溫控溫程序。測溫控溫程序使用定時器實現(xiàn)，系統(tǒng)的功能模塊使用中斷方式實現(xiàn)，軟件的功能模塊如圖8示。

圖8 軟件模塊圖

4.2 軟件流程

電路上電后CPU先延時50 ms等待各外圍芯片狀態(tài)穩(wěn)定，再對自身狀態(tài)、外RAM、定時器自檢，將結(jié)果存入遙測包中返回衛(wèi)星平臺，接著對各模塊進行初始化，最后進入循環(huán)執(zhí)行模塊，主要功能為更新遙測區(qū)以及喂狗。

歸納整理，就是將本地區(qū)的特有文化進行歸納并對相關(guān)視覺化的城市品牌傳播可以劃分為初級傳播和高級傳播兩種類型。初級傳播包括景觀戰(zhàn)略、基礎設施項目、組織與管理結(jié)構(gòu)和區(qū)域行為四個廣泛領域。高級傳播是一種有意識的正式傳播，常采用眾所周知的營銷活動進行，如城市基礎視覺設計和應用推廣設計?；A視覺設計包含以下幾個要素，分別是：城市的標志、城市中英文標準字、城市色彩規(guī)劃、視覺識別的輔助圖形以及吉祥物設計。而城市應用推廣系統(tǒng)應該包含以下這幾種應用方式；傳統(tǒng)媒介宣傳（報紙、雜志、戶外廣告、海報招貼）、公共設施與環(huán)境(交通指示牌、路燈、電話亭、座椅、城市景觀等)、新媒介（網(wǎng)絡、影視）。

圖9 軟件模塊圖

圖10 1553B總線消息中斷處理與定時器中斷處理流程圖

4.3 軟件安全設計

由于空間遙感相機的不可維修性，軟件設計時考慮了熱敏電阻的失效故障模式。為了避免測量溫度值異常導致加熱片輸出異常，設置如下措施：

1)在軟件中設置測量溫度上下限，如果測量的溫度超出該限值則認為該測溫回路異常，返回異常狀態(tài)遙測，同時不再控制該測溫回路對應的控溫回路。

2)更改熱敏電阻與加熱回路的對應關(guān)系，組成任意的閉環(huán)回路。

3)設置各加熱回路強制加熱或不加熱的開環(huán)指令。

5 試驗數(shù)據(jù)

5.1 測溫驗證

以下為某型號的測試數(shù)據(jù)：

(9)

式中,T為K,開爾文；R為Ω,歐姆。

表1 熱敏電阻值-溫度公式系數(shù)表

通過上述公式計算出10℃～30℃熱敏電阻對應的阻值：

表2 熱敏電阻溫度-阻值表

使用精密電阻箱設置上表中的阻值，記錄轉(zhuǎn)換后的碼值：

表3 精密電阻箱標定數(shù)據(jù)表

根據(jù)上表數(shù)據(jù)擬合多項式：

R=a6×D6+a5×D5+a4×D4+a3×D3+

a2×D2+a1×D+a0

(10)

表4 擬合公式系數(shù)表

由式(9)和式(10)即可通過碼值計算出溫度值。

試驗驗證：

使用電阻箱作為標準源設置一些溫度對應的阻值，試驗結(jié)果如下：

表5 驗證數(shù)據(jù)表

由表5可知使用該方法區(qū)域內(nèi)測溫精度很高，優(yōu)于0.1℃。

5.2 控溫驗證

圖11為兩路控溫回路從室溫分別控制到+3 ℃和42 ℃的溫度曲線，溫度的穩(wěn)定度優(yōu)于0.3 ℃。

6 結(jié)論

本文介紹了一種航天相機用基于1553B總線的測溫控溫系統(tǒng)的設計，介紹了該系統(tǒng)的原理及電路實現(xiàn)、軟件流程，對測溫過程中產(chǎn)生的誤差源進行了分析并提出修正方案。最后給出實測數(shù)據(jù)得出結(jié)論，該系統(tǒng)測溫精度優(yōu)于0.1 ℃，控溫精度優(yōu)于0.3 ℃。

圖11 控溫曲線

[1] 楊 飛,明 名,王富國,等. 溫度變化對123m望遠鏡光機系統(tǒng)的影響[J].光子學報，2012，41(1)：26-29.

[2] 張家迅,王 虹,孫家林. 熱敏電阻在航天器上的應用分析[J].中國空間科學技術(shù)，2004，6：54-59.

[3] 李 波，陳光華，徐 行,等.基于熱敏電阻的多通道高精度溫度測量系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008,5:87-88.

[4] 閔桂榮,郭 舜. 航天器熱控設計(第二版)[M].北京：科學出版社，1998.

[5] 胡壽松.自動控制原理(第五版)[M].北京：科學出版社，2007.

Space Camera Use High Precision Temperature Control System Based on 1553B Bus

Zhang Peng, Chang Xia

(Beijing Space Mechanical&Electronic Instument ,China Academy of Space Technology, Beijing 100094,China)

This paper introduces the design of temperature measuring and controlling system based on 1553B bus which use for space camera. The circuit measure the resistance of thermistor through resistance divider, temperature compensation part use the PID control method. This paper introduce the principle of the system, the realization of the circuit and software flow first, then analyses the temperature measurement’s error source and the method to correction, finally list the experimental data and came to the conclusion that the temperature measurement accuracy is better than 0.1℃, the temperature control accuracy is better than 0.3℃.

temperature control;1553B; space camera;PID;curve fitting

2017-03-27；

2017-04-28。

張 鵬(1985-)，男，河北邯鄲人，工程師，主要從事空間相機電子學方向的研究。

1671-4598(2017)07-0115-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.029

V19

A