高精度輕質(zhì)無線測溫系統(tǒng)研制與實現(xiàn)

余 群，王 騫，王思峰，王領(lǐng)華，呂建偉

(中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

溫度作為航天器研制與試驗當(dāng)中重要參數(shù)，對航天器的設(shè)計與改進都具有重要的指導(dǎo)作用[1-2]。當(dāng)前航天運載器、航天器在飛行過程需要進行大量的溫度數(shù)據(jù)采集，以掌握其工作狀態(tài)，保障航天器上設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量安全。由于航天器內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜、空間緊湊，溫度范圍差異較大，且存在多種電磁干擾，因此對測溫系統(tǒng)的測溫精度、通道數(shù)量和可靠性提出了更高的要求[3-4]。且隨著科學(xué)和經(jīng)濟的發(fā)展，對航天器的重量、研制周期、維修性等也提出了更高要求，使得溫度測量向自動化、智能化方向進展[5]。

現(xiàn)有航天器上的溫度采集仍然采用傳統(tǒng)有線方式，要想滿足航天器上各設(shè)備、結(jié)構(gòu)等溫度采集速度、準(zhǔn)確度以及控溫精度，必須要布置足夠多數(shù)量的測溫傳感器。但過多的測溫傳感器必然會導(dǎo)致航天器內(nèi)部電纜數(shù)量的增加，而布線數(shù)目的增加必然會使航天器面臨多個方面問題，一方面，溫度采集電纜多，增加了航天器系統(tǒng)自身重量，有效載重量減小。另一方面，在有限的空間內(nèi)，在保證安全、穩(wěn)定的條件下，布線的數(shù)目是有限的，有限的測量通道數(shù)將無法滿足航天器高精度控溫需求。三是布線復(fù)雜，裝配困難，影響系統(tǒng)可靠性，工作耗時長。且溫度傳感器為耗材，使用次數(shù)和使用期限都有限制，測試成本高[6-8]。針對以上有線測溫方式存在的問題，可采用無線測溫方式替代。無線測量憑借其測點數(shù)目多、無線信息傳輸?shù)葍?yōu)勢，受到越來越多的關(guān)注[9-12]。無線溫度測量在民用產(chǎn)品上已有較多的應(yīng)用[13-18]，但由于其采用的多是半導(dǎo)體傳感器，僅適應(yīng)于空氣環(huán)境溫度的測量，且響應(yīng)時間長，無法滿足航天器上應(yīng)用需求。

針對航天器艙內(nèi)有限空間下有線測溫方法存在的問題，設(shè)計采用無線測溫的方式代替。為了滿足對航天器內(nèi)部設(shè)備溫度采集和測試要求，分析并設(shè)計了高精度輕質(zhì)無線測溫系統(tǒng)，測溫系統(tǒng)的溫度采集器體積小、準(zhǔn)確度高，通過ZigBee等無線信號傳輸?shù)姆绞娇蓪⒉杉臏囟葦?shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C保存、處理。

1 方案設(shè)計

1.1 設(shè)計目標(biāo)

根據(jù)航天器承擔(dān)任務(wù)的重要性，項目總體對溫度測量系統(tǒng)重量、測溫精度、可靠性、待機時間等提出了更高要求，要求每路溫度采集系統(tǒng)的重量低于2 g，且待機時間不少于240 h。圍繞溫度測量系統(tǒng)重量行了調(diào)查研究，目前現(xiàn)有航天器上應(yīng)用的溫度測量系統(tǒng)均為有線溫度測量系統(tǒng)，每路溫度傳感器的重量均超過30 g，指標(biāo)不滿足總體要求，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 現(xiàn)有航天器上溫度測量系統(tǒng)重量指標(biāo)

上述溫度測量系統(tǒng)為有線方案，民品上有些無線的應(yīng)用，但也存在一定局限性。調(diào)查情況如表2所示。

表2 現(xiàn)有溫度測量系統(tǒng)測量方式調(diào)查表

上述調(diào)查顯示，有線測溫系統(tǒng)無法滿足航天器對溫度測量系統(tǒng)提出的更高重量指標(biāo)要求。因此，為滿足對溫度測量系統(tǒng)重量及其他指標(biāo)要求，需研制新型輕質(zhì)無線測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠采集各測點的溫度信號，在對信號進行運算處理后，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給航天器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，用于后續(xù)判讀。

1.2 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)總體方案設(shè)計

無線通信技術(shù)是指在不依賴任何有線電纜的前提下，利用電磁波進行信號傳輸。根據(jù)傳輸距離的長短，可以將無線通信技術(shù)分為短距離無線通信技術(shù)和遠距離無線通信技術(shù)[19]。由于本無線測溫系統(tǒng)計劃在航天器上使用，因此主要適用短距離無線通信模塊。目前市場較為流行的短距離無線通信模塊主要有Wi-Fi模塊、藍牙(Bluetooth)模塊和ZigBee模塊等[20-23]。結(jié)合任務(wù)需求和總體目標(biāo)，對分別使用Wi-Fi模塊、藍牙(Bluetooth)模塊和ZigBee模塊設(shè)計的無線測溫系統(tǒng)進行了調(diào)研討論，利用親和圖對3種無線測溫系統(tǒng)方案特點進行了歸納梳理，結(jié)果如圖1所示。

圖1 無線測溫系統(tǒng)方案親和圖

對以上3種方案特點進行對比分析，如表3所示。

表3 無線通信技術(shù)方案及特點對比

結(jié)合以上的分析，考慮總體任務(wù)要求，按如下權(quán)重比例對上面的3種案進行了評估分析，評估系列表如表4所示。

表4 評估系列表

評估結(jié)果如表5所示。

根據(jù)評估分析方法的評估結(jié)果，綜合考慮覆蓋距離、功耗、傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)、安全性等指標(biāo)，ZigBee方案具有功耗更低、價廉、穩(wěn)定性好、可靠性更高等優(yōu)勢，方案最優(yōu)。因此本文利用ZigBee技術(shù)來實現(xiàn)無線通信功能。

表5 評估結(jié)論表

基于減小設(shè)備體積，減輕設(shè)備重量、降低功耗、提高可靠性等設(shè)計原則，本文完成了基于ZigBee技術(shù)的無線測溫系統(tǒng)硬件和軟件詳細設(shè)計。下面將從硬件和軟件兩方面詳細介紹無線測溫系統(tǒng)設(shè)計方案。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

ZigBee無線溫度采集方案硬件主要由溫度傳感器和ZigBee系統(tǒng)2大部分組成。無線測溫系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

圖2 無線測溫系統(tǒng)硬件組成示意圖

2.1 溫度傳感器模塊設(shè)計方案

目前溫度傳感器的應(yīng)用幾乎遍布于所有領(lǐng)域。溫度傳感器不斷的推陳出新，常見的有電偶傳感器、電阻式溫度傳感器、半導(dǎo)體式溫度傳感器等。已有型號產(chǎn)品上常用的溫度傳感器有鉑電阻、熱敏電阻、熱電偶、半導(dǎo)體傳感器[24]，這4種傳感器，各有有缺點。表6從測溫精度、測量電路復(fù)雜度、抗干擾能力以及測溫范圍等方面開展了對比分析。

根據(jù)任務(wù)需求的重要度，分別按1-5分(1分——不影響功能實現(xiàn)的需求；3分——比較重要的影響功能實現(xiàn)的需求；5分——基本的、重要的需求。)進行重要性分析評估。評估分析顯示，測量電路復(fù)雜度低，抗干擾能力強的熱敏電阻傳感器最優(yōu)，該傳感器電路簡單可靠，滿足系統(tǒng)研制要求。

表6 溫度傳感器硬件選擇研究

2.2 ZigBee系統(tǒng)方案

ZigBee系統(tǒng)硬件方案設(shè)計時，遵循繼承、通用的原則，對于母板，選用現(xiàn)有產(chǎn)品上的組件。下面分別對電源、電源電路和ZigBee電路的不同元件開展了選擇分析。

表7為電源電路選擇調(diào)查情況統(tǒng)計，經(jīng)過重要性打分及評估分析，電壓精度更高、空載電流更小且可關(guān)斷省電的MAX1726EUK25+T最優(yōu)，可作為電源電路方案，雖然其輸出電流較低，但滿足任務(wù)需求。表8為ZigBee電路方案選擇研究方案。

表7 電源電路方案選擇研究

表8 ZigBee電路方案選擇研究

經(jīng)過對比分析，CC2430方案開發(fā)成本低、體積小、容易開發(fā)，只需要配合少量的外圍電路和元件就能使用。且CC2430芯片電壓范圍比較大(2.0～3.6 V)，功耗低，在待機模式下耗電量小于0.6 A/h，而在休眠模式下則小于0.9 A/h。其內(nèi)優(yōu)豐富的集成元件和強大的開發(fā)工具，可滿足系統(tǒng)功能需求。因此雖然其無線性能不是最優(yōu)的，但其仍是ZigBee電路方案首選。

由于ZigBee方案低功耗特性，選用鋰電池或紐扣電池來為模塊供電，就可以滿足無線測溫系統(tǒng)功耗要求。下面從電池電壓、電池容量以及電池重量等因素對常用的401119鋰電池、CR2032紐扣電池和301033鋰電池展開了選用分析，詳見表9。

表9 電源方案選擇研究

通過對比分析，雖然CR2032紐扣電池電壓較另兩種電池電壓稍低，但其電池容量更大，重量更輕，因此綜合考慮，CR2032紐扣電池最優(yōu)，因此電源方案選用CR2032紐扣電池。

熱敏電阻傳感器通過連接器連接到采集板卡的輸入端，將溫度模擬信號轉(zhuǎn)換為電流量，采集板卡接收到熱敏電阻溫度電流量后，進行濾波、分壓和放大處理，經(jīng)模擬開關(guān)選擇進入A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。其中A/D轉(zhuǎn)換器選擇如表10所示。

表10 熱敏電阻A/D轉(zhuǎn)換硬件選擇研究

其中采用CC2430內(nèi)置A/D的熱敏電阻傳感器A/D轉(zhuǎn)換器測量路數(shù)多、電路簡單，滿足項目總體任務(wù)要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

無線測溫系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包含兩部分，溫度采集終端上的嵌入式系統(tǒng)軟件和設(shè)備管理軟件平臺上的應(yīng)用軟件，其中溫度采集終端上的嵌入式系統(tǒng)軟件主要負責(zé)溫度的采集、報警檢測和數(shù)據(jù)上傳的功能；設(shè)備管理軟件平臺上的應(yīng)用軟件主要負責(zé)對溫度采集終端進行出廠初始化設(shè)置、用戶自定義溫度采集終端的系統(tǒng)工作參數(shù)(例如開機時間、關(guān)機時間和溫度測量間隔)，以及獲取溫度采集終端采集的溫度進行可視化的操作。軟件設(shè)計組成如圖3所示。

圖3 軟件組成示意圖

3.1 下位機軟件設(shè)計

下位機軟件設(shè)計是采用C程序設(shè)計語言開發(fā)。C程序設(shè)計語言具有十分豐富的基礎(chǔ)功能函數(shù)庫、編譯效率高、處理速度快，可移植性很好，且更具有模塊化的結(jié)構(gòu)，可讀性更高，代碼更工整，很好的支持模塊化的程序設(shè)計，具有更好的擴展性，容易進行更改。就開發(fā)周期、靈活度以及可靠性等特征，重點開展了2種不同C語言編程方案的比較，比較結(jié)果如表11所示，無線透傳雖靈活度低，但其具有高可靠性且開發(fā)周期短的巨大優(yōu)勢，因此可作為下位機軟件設(shè)計方案。

表11 兩種C語言編程方案特點對比分析

具體的下位機軟件編寫流程如下。

首先，選擇一款具有無線透傳功能的軟件，該軟件已經(jīng)過長時間測量和使用功能完善，軟件性能穩(wěn)定，因此只要在此基礎(chǔ)上開展少量適應(yīng)性修改后就能滿足溫度采集、存儲功能，可放心使用；之后，使用cc-debugger仿真器完成該下位機軟件燒寫；最后利用廠家提供的軟件開展完成相關(guān)功能測試，至此，下位機軟件編寫完成。下位機軟件具有多路模擬量采集功能，可實現(xiàn)自組網(wǎng)，后對該軟件的串口讀寫功能進行了測試，其串口通信速率實測值為115 200 bps，不低于要求的57 600 bps，滿足項目總體任務(wù)要求。

3.2 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件設(shè)計和下位機軟件稍有不同，下位機軟件設(shè)計是基于C語言編制完成，而上位機軟件則是對C語言編程方案和Labview語言編程方案進行了對比分析，比較結(jié)果如表12所示。LabView為虛擬儀器編程專用軟件，圖形化編程，具有豐富的軟硬件接口子程序，可進行方便的斷口調(diào)試，且其開發(fā)周期較短，可作為此次無線測溫系統(tǒng)研制中上位機軟件設(shè)計編程首選方案。

上位機軟件采用Labview編程語言進行程序開發(fā)，首先完成軟件流程圖的設(shè)計編寫，在此基礎(chǔ)上，依次完成數(shù)據(jù)接收模塊、溫度修正模塊、溫度顯示模塊的設(shè)計編寫，且完成各模塊的組裝，生成可執(zhí)行程序，最后完成了上位機軟件的功能測試。該上位機軟件具有熱敏電阻溫度值修正功能，能直接顯示各類的溫度數(shù)據(jù)，并能存儲及回放，其測試軟件界面如圖4所示。

表12 上位機軟件編程方案選擇調(diào)查表

圖4 上位機軟件界面

根據(jù)以上一系列對比分析選擇后，新型高精度輕質(zhì)無線溫度傳感器的最佳方案，如圖5所示。

圖5 新型高精度輕質(zhì)無線溫度傳感器最佳方案

4 測試與分析

4.1 ZigBee無線傳感器電路板實現(xiàn)

ZigBee無線傳感器電路板的設(shè)計在遵循電子產(chǎn)品通用設(shè)計流程圖(見圖6)的基礎(chǔ)上，針對無線射頻電路板的設(shè)計特點，按以下設(shè)計流程，對每一步進行了實施。

圖6 ZigBee無線傳感器電路板實現(xiàn)流程圖

對上述流程圖中設(shè)計的4層印制板部分進行詳細說明，將網(wǎng)絡(luò)表文件裝載后，對5種24只元器件進行印制板布局、繪制印制板邊框，確定印制板尺寸為20 mm×40 mm；然后設(shè)置印制板參數(shù)、各種焊盤的尺寸和印制線寬度；最后進行印制板布線，布線過程中需經(jīng)常進行布線錯誤排查；完成布線并檢測無誤后，完成印制板設(shè)計，具體印制板設(shè)計如圖7所示。

圖7 無線傳感器印制板圖

之后，完成了無線溫度傳感器內(nèi)導(dǎo)線焊接，印制板電源安裝，整器裝配。

最后使用測試儀器，完成了ZigBee無線測溫系統(tǒng)溫度采集裝置性能測試，結(jié)果如表13所示。

表13 無線測溫系統(tǒng)溫度采集裝置性能測試結(jié)果

4.2 溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)聯(lián)試

熱敏電阻溫度傳感器存在很大的非線性，需要根據(jù)溫度使用范圍，通過軟件計算出最優(yōu)的溫度補償點，因此裝配前需完成熱敏電阻溫度傳感器溫度參數(shù)擬合，裝配完成后，把熱敏電阻溫度傳感器溫度數(shù)據(jù)擬合公式導(dǎo)入軟件，用于后期溫度數(shù)值補償。

按照任務(wù)總體要求及航天系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)試的統(tǒng)一技術(shù)要求，完成了對無線溫度傳感器的整機裝配和信號聯(lián)通性的測試，具體流程如圖8所示。

圖8 無線測溫系統(tǒng)整機裝配和信號聯(lián)通性測試流程

軟件中導(dǎo)入了溫度補償公式，無線測溫系統(tǒng)溫度采集裝置可實現(xiàn)自組網(wǎng)功能，并完成無線網(wǎng)絡(luò)下溫度數(shù)據(jù)采集，且采集到的溫度數(shù)據(jù)是經(jīng)過補償修正后的準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)。

4.3 無線測溫系統(tǒng)溫度采集裝置性能測試

按照項目總體及航天系統(tǒng)設(shè)備測試的統(tǒng)一技術(shù)要求，完成了對已加工的多個無線測溫系統(tǒng)重量、測溫精度、待機時間以及通信距離等基本技術(shù)指標(biāo)及電氣性能的測試。首先完成了測量系統(tǒng)重量測定，得到了單路溫度傳感器重量(如表14所示)，表15給出了無線測量系統(tǒng)待機時間測量統(tǒng)計結(jié)果。

表14 無線測溫系統(tǒng)重量測量統(tǒng)計表

表15 無線測溫系統(tǒng)待機時間測量統(tǒng)計表

其中通信距離測試結(jié)果如圖9所示，對已生產(chǎn)的10塊無線測溫系統(tǒng)，其通信距離都大于100 m。且測溫精度測試顯示，在0～70 ℃內(nèi)測量的溫度數(shù)據(jù)顯示，測溫精度優(yōu)于0.6 ℃；表14顯示單路溫度傳感器重量約為1.5 g，表15顯示整體無線測溫系統(tǒng)待機時間大于300 h，滿足航天器測溫精度高、重量輕等要求。

圖9 無線測溫系統(tǒng)通信距離

5 結(jié)束語

針對當(dāng)前航天運載器、航天器上傳統(tǒng)有線溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)重量大，布線復(fù)雜，影響系統(tǒng)可靠性等特點，設(shè)計并研制了可滿足航天應(yīng)用需求的新型輕質(zhì)無線測溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有維護方便、安裝方便、測量精準(zhǔn)等優(yōu)點。本文對新型輕質(zhì)無線測溫系統(tǒng)方案選擇，硬件及軟件設(shè)計進行了詳細描述。經(jīng)實際測試后發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)單路質(zhì)量小于2 g，測溫精度優(yōu)于0.6 ℃，待機時間長于300 h，極大的滿足了航天器中減重、測溫精度要求，應(yīng)用前景廣闊。

不過目前輕質(zhì)無線測溫系統(tǒng)還僅是處在試驗室測試階段，距離后續(xù)的飛行應(yīng)用還需開展較多飛行測試試驗驗證。通過技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其將更好地為復(fù)雜航天器內(nèi)各設(shè)備溫度測量和實時控制提供服務(wù)。