紅外面目標模擬器溫度控制技術的研究

吳春光，王愛民

（92941部隊，葫蘆島 125000）

紅外成像制導武器系統研制過程中，紅外成像目標模擬器是半實物仿真實驗中不可缺少的組成部分。目前常見的目標成像生成裝置有紅外CRT、液晶光閥和電阻陣［1］等。電阻陣具有紅外輻射強度高、覆蓋光譜寬等特點，可適用于線掃和凝視兩種紅外成像器件的紅外圖像目標源［2］，因此得到了廣泛的應用。國外通過多年的技術積累已經建立起從目標紅外圖像、大氣傳輸、戰場背景模擬到多種目標紅外模擬器全套的目標紅外模擬系統，并已成功的應用到靶場測試、軍事演習等多種領域中［3］。

本文設計了一種采用分布溫度控制系統構成的面目標模擬器。通過對局部模擬溫度的調節，實現了模擬目標溫度分布特性。溫度波動在無擾動情況下傳感器測試溫度達到0.2℃。

1 系統組成

紅外面目標模擬器主要由紅外輻射體以及測溫控溫等裝置組成。利用目標輻射特性的統計特征，可以給出構成目標主要輻射部分的輻射溫差和輻射面積。并對目標進行網格化處理，其每個單元網格可近似為溫度分布均勻的紅外輻射體。采用多個溫度控制模塊實現對每個網格的紅外輻射特征模擬，并通過測控設備實現與中心控制器數據信息交換。

2 硬件結構設計

根據測控需求指標，設計以單片機為單元控制器的測控電路。為簡化連接線路，與中心控制計算機通信采用了電力載波通訊。根據測控需求，控制終端盒內的控制器選用單片機測控溫結合電力載波通信實現。按照測控系統的需求，采用模塊化、可擴展的思想，設計功能模塊。功能模塊具體分為溫度采集模塊、PID溫度控制模塊、電力載波通訊模塊等。具體包括2路模擬信號測量接口，用來實現環境溫度信號采集和目標溫度信號采集。1路PWM輸出接口，實現目標的PID溫度控制。1路電力載波通信接口，實現與中心控制計算機之間的通訊。鉑電阻性能穩定、線性好、精度高。因此溫度傳感器選用鉑電阻 pt100。溫度傳感器采用三線制，目的是消除線長的影響。在測量時，流過溫度傳感鉑電阻的電流不能太大，否則會引起鉑電阻自熱，產生溫升。當流過pt100鉑電阻的電流為1mA時，鉑電阻自熱產生的溫升為0.05℃。當溫度變化1℃時pt100溫度傳感器變化0.3左右。所以需要對鉑電阻產生的溫度信號進行放大才能使溫度測量達到一定的精度。要使測量精度達到1℃，必須采用高精度的A/D轉換器并要適合工業級的環境溫度要求，A/D轉換器采用 16位的和—差式 A/D轉換器AD7705。

由于采集的溫度點多且分散，因此需要將采集的溫度點分類編號，用總線組成網絡傳輸，并要求網絡上任意一個節點發生故障不影響其它節點工作。電力載波通信使控制器與總線之間實現電氣上隔離進一步提高溫控的可靠性。靶船溫控系統硬件組成原理圖如圖1。在進行溫度控制時，各個溫控節點接收發送來的溫度目標值，根據溫度目標值，控制固態繼電器通斷，使加熱單元溫度穩定在目標值上。溫控算法采用脈寬調制法進行。即當每個獨立加電單元的溫度值低于目標溫度值時，根據實測溫度值與目標溫度值之間的差值大小，則對加熱膜進行頻率相同但占空比不同的脈沖加熱方式。根據溫度控制實驗結果，周期設計為 30s。占空比為0.1%～100%。脈寬調制加熱由控制器軟件實現。

3 軟件設計

3.1 溫度采集控制器軟件設計

溫度采集控制器的軟件流程如圖2。

3.2 溫度控制節點控制器軟件設計

圖1 靶船溫控系統硬件組成原理圖Fig.1 The hardware schematic diagram of target ship temperature controlling systems

圖2 節點控制器的軟件流程Fig.2 The software flow diagram of node controller

溫度控制器工作溫度為 20℃～50℃，選擇工業級的A/D轉換器AD7705，它包括一個型ADC、片內帶靜態RAM的校準控制器、時鐘振蕩器、數字濾波器和一個雙向串行通信端口。該器件的電源電流僅為320A，供電電源可選擇2.7～5.25V。AD7705包括2個可編程增益全差分模擬輸入通道，輸入通道的可選增益為1、2、4、8、16、32、64和128，當基準輸入電壓為2.5V時允許器件接受0mV～+20mV。器件的工作溫度為 40℃～+85℃。

4 電力載波傳輸芯片

電力載波傳輸芯片選用PL2102，該芯片是專為電力線通訊網絡設計的半雙工異步調制解調器。它僅由單一的+5V電源供電，以及一個外部的接口電路與電力線耦合。PL2102除具備基本的通訊控制功能外，還內置了五種常用的功能電路：可數字頻率校正的實時鐘電路，32 Bytes SRAM，電壓監測，看門狗定時器及復位電路，它們通過標準的I2C接口與外部的微處理器相聯，其中實時鐘與32 Bytes SRAM在主電源掉電的情況下可由3V備用電池供電繼續保持工作。PL2102是特別針對中國電力網惡劣的環境所研制開發的低壓電力線載波通信芯片。

5 溫度控制器

溫度控制器采用了三相四線制輸入、兩路溫度測量接口、一路PMW控制功率輸出。同時設計了三相電斷相檢測與保護以及過溫度硬件保護等功能。整機電路圖如圖3所示。溫度測量接口采用了三線制的熱電阻橋式測量電路。并在輸出端設計了穩壓二極管限制輸出過電壓。放大電路芯片由測量放大運放OP27組成，具有線性度好、溫度適應范圍寬的優點。單片機采用AT89S52芯片，具有在線程序下載接口。電力載波芯片為PL2102，輸出調制信號經放大后饋至電力線A相。整個控制板供電由三個電源變壓器提供。這三個變壓器同時兼做三相電缺相檢測輸入。三相電斷相檢測電路由三個電壓比較器（U11）實現。在電源缺相時將斷開外部機械式繼電器并報警。電路中設計了 AT24C04的EEPROM，保存該板的節點地址號和溫度傳感器的校準數據。為了便于調試，單片機設計了紅外數據傳輸串口。具有和通用紅外串行控制器接口功能。通過紅外串行控制器修改地址和校準數據。

圖3 溫度控制箱的接線示意圖Fig.3 Connection schematic diagram of temperature control box

溫度控制箱電路板設計完成后，先后進行了溫度控制調試、載波通信調試、紅外傳輸控制調試。在溫度控制調試中，針對已經研制的單元樣板，進行了PID參數的選取，設計中采用了可變PID參數的調節技術，針對不同的溫度誤差范圍選取不同的PID參數，實驗測試結果表明在通電20分鐘后，溫度控制進入穩定狀態。溫度波動在無擾動情況下傳感器測試溫度達到0.2℃。

6 結束語

本紅外面目標模擬器滿足了項目對外場目標模擬源的技術要求，其研制填補了專項配套設備的空白，解決了外場使用和內場科研中的相應問題。實際應用效果良好，既可廣泛地進行外場應用，又可靈活地用于支持各種內場科研試驗。為科研和部隊技術保障增添了得力的輔助設備。對于提升部隊戰斗力起到積極的作用，具有良好的應用前景和相當的經濟效益潛力。

［1］肖云鵬，馬斌，梁平治.國產電阻陣列動態紅外景像投射器研制進展［J］.紅外技術，2006，28（5）：266-270.

［2］Harrison D.C.Infrared System Engineering［M］.John Wiley&Sons，INC，1996.

［3］蘆漢生，白廷柱，鄒正峰.電阻陣列紅外動目標源的研究［J］.紅外與激光工程，1998，27（1）：20-22.