基于嵌入式的高精度溫度傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊建

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)測(cè)溫精度較低、穩(wěn)定性較弱的弊端，設(shè)計(jì)基于TEC的嵌入式的高精度溫度傳感系統(tǒng)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體架構(gòu)，其由溫度傳感主板與溫度傳感子板構(gòu)成。用DS18B20溫度傳感器采集溫度信號(hào)，設(shè)計(jì)該溫度傳感器的結(jié)構(gòu)并設(shè)計(jì)基于LED的溫度顯示模塊，向用戶實(shí)時(shí)呈現(xiàn)溫度結(jié)果。系統(tǒng)邊緣濾波解調(diào)模塊由光路以及電路構(gòu)成，通過(guò)光路彌補(bǔ)光和溫度變化導(dǎo)致測(cè)溫誤差高的弊端，確保溫度測(cè)量結(jié)果更加精確。系統(tǒng)軟件部分詳細(xì)分析了系統(tǒng)溫度傳感器的解調(diào)方法，基于溫度傳感器中光纖的布里淵散射與瑞利散射強(qiáng)度受到來(lái)自噪聲與系統(tǒng)溫漂的影響，通過(guò)計(jì)算多個(gè)分段溫度的平均值獲取準(zhǔn)確的溫度測(cè)量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在測(cè)溫精度和穩(wěn)定性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞： TEC； 傳感系統(tǒng)； 邊緣濾波； 溫度傳感器； 解調(diào)方法； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN253?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）14?0044?04

Design of an embedded high?precision temperature sensing system based on TEC

YANG Jian

（School of Electrical and Electronic Information Engineering， Sichuan University Jinjiang College， Meishan 620860， China）

Abstract： In allusion to the disadvantages of low temperature measurement accuracy and poor stability of the traditional distributed optical fiber temperature sensing system， an embedded high?precision temperature sensing system based on TEC is designed. The overall architecture of the system is designed. The system is composed of the temperature sensing main?board and sub?board. The temperature signals are collected by using the DS18B20 temperature sensor. The structure of the temperature sensor and the temperature display module based on LED are designed to display temperature results to users in real time. The edge filtering demodulation module of the system is composed of the optical path and circuit. The optical path is used to compensate for the big temperature measurement errors caused by light and temperature variation， so as to ensure the temperature measurement results to be more accurate. In the software part of the system， the demodulation method for the temperature sensor of the system is analyzed in detail. Based on the fact that the Brillouin scattering and Rayleigh scattering intensities of the optical fiber in the temperature sensor are influenced by noises and the temperature drift of system， the average value of each segmented temperature is calculated to obtain the accurate temperature measurement results. The experimental results show that the designed system has a significant advantage in the aspects of temperature measurement accuracy and stability.

Keywords： TEC； sensing system； edge filtering； temperature sensor； demodulation method； system design

傳感器是一種先進(jìn)的信息技術(shù)，特別是溫度傳感器在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境、軍事以及探測(cè)等領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)環(huán)境溫度的檢測(cè)以及控制應(yīng)用范圍廣，采用數(shù)字溫度傳感器設(shè)計(jì)不同傳感系統(tǒng)日益成為學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。某些領(lǐng)域?qū)囟染染哂休^高的要求，當(dāng)前的溫度傳感器系統(tǒng)無(wú)法滿足需求。因此，設(shè)計(jì)高精度溫度傳感器系統(tǒng)成為當(dāng)前傳感控制領(lǐng)域發(fā)展的新方向[1]。

為了滿足相關(guān)行業(yè)的技術(shù)需求，彌補(bǔ)傳統(tǒng)分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)測(cè)溫精度較低、穩(wěn)定性較弱的弊端，研發(fā)高精度、穩(wěn)定性強(qiáng)的溫度傳感系統(tǒng)勢(shì)在必行。本文設(shè)計(jì)的基于嵌入式高精度溫度傳感系統(tǒng)解決了上述問題。

1 基于TEC的嵌入式高精度溫度傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)基于TEC（半導(dǎo)體制冷器）的嵌入式高精度溫度傳感系統(tǒng)。溫度傳感主板與溫度傳感子板共同構(gòu)成了本文系統(tǒng)的主體。各路子板獲取電源、溫度傳感信號(hào)以及溫度設(shè)置信號(hào)等信息是通過(guò)主板來(lái)實(shí)現(xiàn)的。子板獲取到相應(yīng)的信號(hào)信息之后，開始執(zhí)行控制TEC溫度的命令，達(dá)到控制匹配光柵溫度的目的[2]。通過(guò)把匹配光柵用鐵質(zhì)封裝片依附在TEC上，且保存在密封材料中的方式確保其免遭周圍不確定因素的干擾。為了讓TEC能夠正常發(fā)揮其制冷的功能，在其熱端安裝了散熱器。

LTC1923是子板的核心部分，TEC是子板的溫度控制終端。溫度顯示模塊、邊緣濾波解調(diào)模塊、DS18B20溫度傳感器、以及放大電路共同構(gòu)成了溫度控制子板的主體。A/D轉(zhuǎn)換器的溫度設(shè)定值與TEC端面當(dāng)前溫度的差值被LTC2053構(gòu)成的差值放大電路進(jìn)行擴(kuò)大后輸送給LTC1923的補(bǔ)償電路。將得到的輸出和LTC1923三角波信號(hào)進(jìn)行對(duì)比獲取到脈寬調(diào)制信號(hào)。經(jīng)過(guò)該脈寬調(diào)制信號(hào)的計(jì)算并且擴(kuò)大來(lái)獲取一定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)功率H橋電路的運(yùn)轉(zhuǎn)依賴于該驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用[3]，以此實(shí)現(xiàn)TEC端面的溫度控制。

1.2 DS18B20溫度傳感器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是DS18B20新型智能溫度傳感器，其低成本、組裝簡(jiǎn)便、高精度以及無(wú)需A/D轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)溫度傳感器接收信號(hào)布置復(fù)雜、易受外界干擾的弊端。但其抗腐蝕性較低，好在可以通過(guò)與外界易腐蝕因素隔絕的方式解決此問題[4]。

由于溫度的變化不會(huì)影響到低溫度系數(shù)晶振的震蕩頻率，因此固定頻率脈沖信號(hào)的形成得以實(shí)現(xiàn)。將此信號(hào)輸入到計(jì)數(shù)器1中，高溫度性質(zhì)系數(shù)晶振的震蕩率會(huì)隨著溫度的變化而改變，計(jì)數(shù)器2的輸入正來(lái)源于此。預(yù)置計(jì)數(shù)器1與溫度寄存器在-55 ℃相應(yīng)的基數(shù)值中，輸入到計(jì)數(shù)器1的脈沖信號(hào)將被實(shí)施減法運(yùn)算，通過(guò)對(duì)低溫度系數(shù)晶振輸入到計(jì)數(shù)器1的脈沖信號(hào)實(shí)施減法運(yùn)算的方式來(lái)保證計(jì)數(shù)器1的預(yù)設(shè)值減少為0；溫度寄存器所得到的數(shù)值是加1，這是應(yīng)對(duì)計(jì)數(shù)器1的預(yù)設(shè)值進(jìn)行重新設(shè)置，低溫度系數(shù)晶振的脈沖信號(hào)又被重新輸入到計(jì)數(shù)器1中開始實(shí)施運(yùn)算。這一過(guò)程不斷循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2也為0，此時(shí)溫度寄存器的累計(jì)加和應(yīng)馬上終止，獲取的顯示數(shù)值即當(dāng)下實(shí)際測(cè)量溫度[5]。

1.3 溫度顯示模塊設(shè)計(jì)

溫度顯示模塊在本文系統(tǒng)中發(fā)揮著溫度顯示作用[6]。溫度顯示是通過(guò)LED來(lái)實(shí)現(xiàn)。LED通過(guò)段碼和位碼進(jìn)行劃分。LED顯示出“8”的8位數(shù)據(jù)的功能要?dú)w功于段碼，具體步驟是：采用譯碼電路把輸入的4位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為與LED顯示相一致的8位段碼。LED的顯示使能端要依靠位碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)循環(huán)掃描不同LED的方式確保使能各LED的情況下，輸入想要顯示的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的8位段碼，就能達(dá)到8個(gè)LED共同顯示數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

1.4 邊緣濾波解調(diào)模塊設(shè)計(jì)

1.4.1 邊緣濾波模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

邊緣濾波解調(diào)模塊在光和溫度變化的影響下[7]，本文系統(tǒng)的測(cè)量溫度功能會(huì)受到一定的影響。為解決這一問題，引入了光路作為邊緣濾波解調(diào)模塊的一部分。光路以及電路部分構(gòu)成了整個(gè)調(diào)節(jié)模塊的主體。寬帶光源、耦合器、傳感器、邊緣濾波器構(gòu)成了光路部分；光電探測(cè)器、濾波電路、光電轉(zhuǎn)化器、DPS處理電路、顯示電路以及鍵盤控制電路構(gòu)成了電路部分，如圖1所示。

1.4.2 邊緣濾波解調(diào)原理

Melle在1992年創(chuàng)立了一種線性邊緣率比解調(diào)系統(tǒng)，又被稱為分束非平衡濾波法。設(shè)置邊緣濾波器輸出光強(qiáng)的變化量為[ΔI]，波長(zhǎng)漂移量為[λ-λ0]，兩者為正比關(guān)系，詳細(xì)函數(shù)如下：

[Fλ=Aλ-λ0] （1）

式中：[A]為邊緣濾波器的斜率；[λ0]為截止波長(zhǎng)；[λ]為輸入邊緣濾波器的光波波長(zhǎng)。

1.5 系統(tǒng)溫度傳感器解調(diào)方法

在本文設(shè)計(jì)的基于嵌入式高精度溫度傳感系統(tǒng)中，布里淵散射信號(hào)的頻率以及強(qiáng)度會(huì)受到溫度的作用。為獲取沿光纖的溫度排列，本文采用了光時(shí)域反射儀。在信號(hào)解調(diào)的過(guò)程中，采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活且依賴于強(qiáng)度的解調(diào)系統(tǒng)光路作為其中部分。光纖自發(fā)布里淵散射信號(hào)中斯托克與反斯托克兩者的總強(qiáng)度為：

[IB（l）=IR（l）T（l）Tfρv2aβT-1] （2）

式中：[IB（l）]，[IR（l）]表示光纖的自發(fā)布里淵散射與瑞利散射強(qiáng)度；[T（l）]，[Tf]，[βT]，[ρ]和[va]分別表示光纖中某點(diǎn)的溫度、材料構(gòu)型平衡溫度、等溫壓縮系數(shù)、材料密度和聲速。分析式（2）可得，溫度與應(yīng)變的函數(shù)是自發(fā)布里淵散射強(qiáng)度，其中應(yīng)變對(duì)溫度的影響要強(qiáng)于對(duì)強(qiáng)度的影響。在光纖所受應(yīng)變是零或者均勻的情況下，應(yīng)使用光纖的瑞利光時(shí)域反射儀曲線來(lái)解調(diào)布里淵散射光時(shí)域反射儀曲線[8]，以獲取沿光纖的溫度排列。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 系統(tǒng)精確度檢測(cè)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于嵌入式高精度溫度傳感系統(tǒng)測(cè)量溫度的精確度，將本文系統(tǒng)采用的傳感器與數(shù)字傳感器進(jìn)行參考實(shí)驗(yàn)（此處采用的數(shù)字傳感器精度是0.25 ℃，精確度極高）。將兩種不同的傳感器同時(shí)放置在恒溫水槽內(nèi)[9]，對(duì)其實(shí)施升溫、降溫操作，提高了實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性以及可信度。兩者在水槽內(nèi)的詳細(xì)溫度變化如圖2所示。數(shù)字傳感器的溫度測(cè)量狀況用虛線表示，本文系統(tǒng)采用的傳感器溫度測(cè)量狀況用實(shí)線表示。圖1清晰地顯示，兩條線上下走勢(shì)相差無(wú)幾，吻合度相當(dāng)高，表明本文設(shè)計(jì)的基于嵌入式高精度溫度傳感系統(tǒng)精確度極高。

2.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性檢測(cè)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于嵌入式高精度溫度傳感系統(tǒng)穩(wěn)定性，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)步驟如下：將本文系統(tǒng)使用的溫度傳感器放置在水槽中，為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性令水溫長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在65 ℃不變，這段期間內(nèi)準(zhǔn)確地記錄所得數(shù)據(jù)，仔細(xì)觀察傳感器的穩(wěn)定性[10]。圖3詳細(xì)描述了傳感器溫度曲線變化，不難看出，實(shí)驗(yàn)每隔104 s記錄一次數(shù)據(jù)，共記錄3個(gè)104 s，總時(shí)長(zhǎng)大于8 h，測(cè)試溫度是65 ℃，傳感器的溫度波動(dòng)均小于0.1 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的基于嵌入式高精度溫度傳感系統(tǒng)穩(wěn)定性極強(qiáng)。

2.3 恒溫箱測(cè)溫檢測(cè)

為了檢測(cè)本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的實(shí)測(cè)溫度情況，將本文系統(tǒng)采用的傳感器與傳統(tǒng)系統(tǒng)采用的傳感器同時(shí)分三次放置在恒溫箱內(nèi)，每段時(shí)間內(nèi)設(shè)置恒溫分別為298 K，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出：本文系統(tǒng)采用的傳感器的測(cè)量誤差均小于0.3 K；分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)采用的傳感器測(cè)量誤差均在1 K以上；本文系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比更接近于平均值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的基于嵌入式高精度溫度傳感系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、誤差小的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的基于TEC的嵌入式高精度溫度傳感系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)測(cè)量溫度情況不穩(wěn)定、誤差大等弊端，為現(xiàn)代水利工程建設(shè)、電力設(shè)施的發(fā)展提供了新的測(cè)量手段。

參考文獻(xiàn)

[1] 司禹，馮鵬，于雙銘，等.基于RFID溫度標(biāo)簽的嵌入式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42（7）：57?59.

SI Yu， FENG Peng， YU Shuangming， et al. Embedded temperature monitoring system based on RFID temperature tag [J]. Application of electronic technique， 2016， 42（7）： 57?59.

[2] 劉智超，楊進(jìn)華，王高.FBG測(cè)溫系統(tǒng)的光譜校正算法的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2014，34（7）：1793?1796.

LIU Zhichao， YANG Jinhua， WANG Gao. Research on spectrum correction algorithm of temperature measurement system based on FBG [J]. Spectroscopy and spectral analysis， 2014， 34（7）： 1793?1796.

[3] ZHENG Z B. Design of food temperature and humidity monitoring system based on wireless multimedia sensor network [J]. Advance journal of food science & technology， 2015， 8（9）： 662?665.

[4] 楊韞鐸，康娟，徐賁，等.基于掃描激光器的邊孔光纖光柵溫度壓力傳感系統(tǒng)[J].光子學(xué)報(bào)，2016，45（6）：24?29.

YANG Yunduo， KANG Juan， XU Ben， et al. Temperature and pressure sensing system of side hole fiber grating based on scanning laser [J]. Acta photonica sinica， 2016， 45（6）： 24?29.

[5] 趙宇佳，姜漢鈞，張羊，等.一種超低功耗高精度溫度傳感器芯片設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2015，32（12）：40?43.

ZHAO Yujia， JIANG Hanjun， ZHANG Yang， et al. A novel ultra?low power temperature sensor IC with high precision [J]. Microelectronics & computer， 2015， 32（12）： 40?43.

[6] 陳暉，景為平.一種面向無(wú)源RFID的新型高精度溫度傳感器[J].微電子學(xué)，2016，46（2）：239?242.

CHEN Hui， JING Weiping. A novel high precision temperature sensor for passive RFID applications [J]. Microelectronics， 2016， 46（2）： 239?242.

[7] 劉童，陳華，邱僅朋，等.星載溫度傳感控制芯片的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，29（9）：1449?1456.

LIU Tong， CHEN Hua， QIU Jinpeng， et al. An automatic test system for a spaceborne chip of a temperature?sensing controller [J]. Chinese journal of sensors and actuators， 2016， 29（9）： 1449?1456.

[8] SONG H Y， LEE K H， LEE J W. A design of infant′s body temperature sensing system based on embroidery textile conductive wire [J]. Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers， 2016， 65（5）： 862?867.

[9] 李家榮.高精度溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究[J].量子電子學(xué)報(bào)，2016，33（5）：614?617.

LI Jiarong. Design and application of high precision temperature control system [J]. Chinese journal of quantum electronics， 2016， 33（5）： 614?617.

[10] 金艷云，李紅兵，崔榮華，等.基于填充混合液體的六邊形光子晶體光纖的溫度傳感[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，42（6）：168?172.

JIN Yanyun， LI Hongbing， CUI Ronghua， et al. Temperature sensing of hexagonal photonic crystal fiber filled with mixed liquid [J]. Journal of Lanzhou University of Technology， 2016， 42（6）： 168?172.