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）

慣性平臺系統是一種框架系統，主要包括平臺本體、電路箱和電源箱。平臺系統精度主要靠安裝在平臺本體的三浮陀螺和加速度計來保證。通常慣性平臺的工作環境比較嚴酷，慣性傳感器對溫度有很高的敏感度，在系統正常工作時，平臺內部有二級溫控來保證儀表有良好的工作環境，但內部空間溫度梯度變化會影響慣性傳感器的精度。在溫度采集過程中，鉑電阻存在非線性、自熱效應及熱電動勢等電氣干擾的精度影響。采用阻值比較法，通過引入恒定激勵電流來抑制溫度采集電路的自熱效應，并基于FPGA設計并行多通道溫度采集電路。給出了系統總體設計方案、測溫電路參數設計、序列激勵電流控制和數字濾波補償的具體實現方式，測試結果表明該系統可實現64路溫度采集，在一定范圍內測溫精度能達到±0．02℃，滿足精度要求。

慣性平臺；溫度采集；FPGA；LabView

0 引言

在慣性平臺系統中，一般要求慣性儀表在固定的環境溫度下能正常工作，而在地面模擬導航、自標定和自瞄準時，本體轉位過程中會引起儀表所處環境的溫度波動。這樣儀表的輸出精度就發生了變化，進而影響到整個平臺系統導航精度。

為了減小平臺內溫度變化對于精度的影響，需對慣性儀表溫度敏感項的參數進行補償。在平臺溫度場模型建立的仿真階段，需要對儀表關鍵位置進行溫度測量。在平臺系統溫度補償的測試階段，實時對陀螺關鍵位置的溫度信息，發送給計算機進行溫度計算。隨著慣性平臺系統需求量的提升，要求儀表生產、測試有較高的效率。在慣性平臺的生產測試階段，要做溫度場實驗，也要對平臺系統內部環境溫度進行檢測。因此，設計高精度、寬范圍、多通道溫度自動測量系統對于陀螺加速度計和整個平臺系統的研發、設計、測試、生產具有重要的意義。

本文基于慣性平臺儀表的溫度敏感點，設計了用于慣性平臺溫度場有限點測試的多路溫度采集方案，完成了慣性平臺在地面模擬導航、自標定和自瞄準過程中儀表周圍的多點溫度測試，為陀螺及加速度計參數的精度補償提供了有效測試數據支撐。

1 多路測溫總體方案

平臺溫控系統應用于慣性平臺系統，主要對平臺臺體、陀螺和陀螺加速度計等慣性儀表進行恒溫控制，為慣性儀表提供最佳的工作溫度環境，以提高慣性儀表及平臺系統的使用精度。平臺臺體的恒溫點為+60℃±1℃，溫控點波動量精度為±0．5℃；在儀表周圍環境溫度穩定的條件下，儀表溫控電路（包含傳感器）實現以下溫控精度：溫控點±0．3°C，波動量≤0．03°C。在精度實驗攻關過程中，需要對平臺內部空間進行溫度監測，空間溫度采集方法如圖1所示。

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

2 多路測溫電路的設計與實現

2.1 多路測溫切換原理

多路溫度采集模塊完成對多個溫度測量點的溫度檢測，并轉換為數字量傳送給FPGA。以鉑電阻溫度傳感器和精密電阻設計溫度檢測電路，多通道選擇開關選擇對應的鉑電阻接入溫度檢測電路，將相應鉑電阻傳感器的信號送入A/D轉換器，A/D轉換器將溫度檢測電路輸出的模擬信號轉換為FPGA能識別的數字信號。測溫系統硬件原理如圖2所示。

8片模擬選擇開關ADG658對64個鉑電阻進行切換，每片ADG658為8路單通道選擇開關；另外8片模擬選擇開關ADG658對8路AD7793輸出的恒流源進行切換；8片AD轉換芯片AD7793對64個鉑電阻進行循環模擬量采集；1路RS-422串口傳遞采集到的溫度數據。

圖2 測溫系統原理框圖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。本設計采用阻值比較法進行溫度測量，AD輸出的恒流源通過溫度傳感器鉑電阻與精密電阻，由于通過兩者的電流相同，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性和長期穩定性，只要在通道切換的短時間內激勵電流未改變，就可消除激勵電流對溫度測量的影響，具體如圖3所示。在溫度檢測電路中精密電阻選用精度為0．01%，溫漂為1×10-7，標稱阻值為1kΩ的精密電阻，當環境溫度變化小于30℃時，精密電阻的溫漂引入誤差小于0．001℃。在精度測量時，鉑電阻引線電阻對溫度測量的影響不可忽略。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分析。

圖3 FPGA測溫切換原理圖Fig.3 Connection of FPGA hardware

2）A/D轉換器。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轉換器，它的最高有效分辨率可以達到23位。本設計采用外部2．5V參考電壓源，內置增益運算放大器，AD采集更新三浮選123Hz。高精度的AD7793不僅保證了溫度測量精度，而且內部集成了低噪聲儀表運算放大器、激勵恒流源、校準寄存器，使外圍電路簡化。

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 硬件實物圖Fig.4 Hardware of test system

2.3 測溫精度分析

多路溫度采集系統的器件主要包括：測溫鉑電阻Pt1000、ADG658八路單通道模擬開關、AD7793模擬數字信號轉換器、XC3S200AN可編程邏輯門陣列。

1）溫度采集電路。本系統采用的兩線制的鉑電阻線徑0．7mm、最長50mm，實測內阻≤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產生小于0．02℃的誤差。

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

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

3 系統軟件設計與實現

3.1 溫度采集模塊軟件設計

溫度采集模塊的FPGA硬件描述語言功能模塊包括：同步復位分頻、AD配置及轉換、通道切換、阻值和溫度換算、平均濾波、串行數據發送，RTL如圖5所示。

FPGA要從AD7793中正確地讀取A/D轉換值，首先要進行初始化操作。AD7793的初始化主要是對SPI接口時序的初始化，以及對AD7793內部寄存器的配置。A/D轉換器AD7793是通過同步串行接口SPI協議與FPGA進行通信的，狀態關系轉移圖如圖6所示，硬件描述語言功能仿真如圖7所示。

圖5 硬件描述語言RTL圖Fig.5 Simulation of parallel bus

圖6 A/D轉換的VHDL狀態轉移圖Fig.6 State machine of A/D transform

數據采集程序先采集精密電阻的數據，然后通過模擬開關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據。由于設置AD7793的數據更新三浮為39μs，需要的A/D轉換時間為42ms，當模擬開關選擇通道改變時，進行50ms的延時，使讀取結果為模擬輸入信號穩定后的A/D轉換值。數據采集程序采集溫度傳感器的阻值保存在一個全局數組變量中，通過全局變量傳遞給數據處理模塊。

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

3.2 溫度數字濾波及曲線擬合

由于環境溫度不會產生突變，為了抑制隨機高頻噪聲對溫度測量精度的影響，采用平均濾波對采集的數據進行濾波；受到鉑電阻和A/D轉換器的非線性的影響，鉑電阻的測量值與實際的溫度值在上位機采用最小二乘法進行溫度曲線擬合。

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

3.3 通信模塊軟件設計

多路溫度采集系統的上位機平臺用NI公司的LabView軟件開發，主要包括溫度數據接收、數據分析預處理、結果顯示及存儲3部分，如圖8所示。

1）溫度數據接收。采集計算到的溫度數據流經過RS422發送到串口板卡，通過上位機的LabView軟件可以實時監測平臺內部的溫度。通信協議：分別以幀頭識別不同位置的溫度數據，為保證數據正確性，進行CRC的數據校驗。通信三浮：完成64路溫度測試所需時間。AD采集完成一路的時間為0．8ms，6路并行采集，每一路進行8通道依次切換，所以測試一次的時間為0．5s。串口波特率為921．6Kbps。

2）數據分析預處理。本文對溫度的標定及計算在采集板的FPGA內部實現，溫度標定和溫度曲線擬合的控制指令通過上位機下發，上位機串口板卡程序如圖9所示。由于測量的溫度數據為浮點型，而串口不能以浮點數據發送，測量溫度的分辨率為0．005，需要溫度數據小數點后保留3位，將溫度數據乘以1000后，可以將溫度數據轉換為整型數據。

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

圖9 軟件顯示存儲前面板Fig.9 GUI of the program

3）結果顯示及存儲。儀表溫度控制系統實際用到的測溫電阻僅有4個測試點，不能完全反應儀表內部的溫度分布情況。為進一步了解平臺內部溫度場分布情況，實現儀表在實際工作條件下溫度場分布的均勻性，本設計中將串口板卡收到的溫度數據相對應的儀表位置顯示并進行記錄。當串口接收到數據后會產生接收數據事件，接收數據程序將串口緩存中的數據讀取至溫度數據緩存中，然后判斷溫度數據緩存中的數據是否有與協議符合的一段數據，并計算溫度值。讀取溫度數據后，清理相應的緩存區，然后保存溫度數據至數據文件中。同時，將測試點位置分布間距、量程范圍、精度范圍等常用參數連接至前面板。

針對本設計中較大的數據量，溫度采樣速度較低的特點，選用TDMS格式數據文件對數據存儲，且對溫度數據添加時間軸，這為軟件操作人員使用和后期分析溫度數據的空間分布提供便利。

4 測試數據驗證

（1）溫度曲線顯示驗證

如圖10所示，表示某一固定位置儀表的溫度數據波動。

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

如表1所示，根據測試結果可得出臺體及儀表的溫度控制效果，為控制系統偏移補償提供參數；可根據儀表周圍溫度分布為儀表溫度模型建模提供數據支持；可根據溫度控制較差點進行分析，調整臺體加熱功率的分布；分析儀表工作溫度的線性度，為提高陀螺精度提供有效測量參數。

表1 溫度單點1h測試結果Table 1 Test results of temperature in an hour

（2）測溫系統測量精度驗證

溫度測量系統各個通道除鉑電阻溫度傳感器外，各個通道的溫度信號都經過同一個器件，現以單通道測量的溫度數據進行精度驗證。固定電阻的阻值可以通過Agilent 3458A型高精度萬用表測量得到，查找鉑電阻的分度表可以得到對應的實際溫度，通過測量的溫度值與實際值比較驗證溫度測量精度。Agilent 3458A對10K以下的阻值測量精度能達到0．005Ω，對應的溫度約為0．00026℃，能達到0．02℃溫度測量精度的驗證。

5 結論

本文使用精密溫度測量板和LabView上位機平臺完成了空間溫度測試，測試精度滿足需求；開展了對現有溫度采集系統的測溫模塊在硬件電路、測溫補償等方面的改進設計；完成了儀表工作環境中有限溫度點的連續切換測試，為后續儀表溫度漂移補償提供有效數據。對于提高現有溫控系統的測溫精度、控溫精度、抗干擾能力和穩定性以及最終提高整個慣性平臺系統的精度具有重要意義。

［1］陸元九．慣性器件［M］．北京：中國宇航出版社，1990．LU Yuan-jiu．Inertial device［M］．Beijing：China Aerospace Press，1990．

［2］鄧益元．靜壓液浮陀螺平臺系統［M］．北京：中國宇航出版社，2012．DENG Yi-yuan．Hydrostatic liquid-bearing gyro stabilized platform［M］．Beijing：China Aerospace Press，2012．

［3］陳樹學．LabView寶典［M］．北京：電子工業出版社，2011．CHEN Shu-xue．LabView collection［M］．Beijing：Electronics Industry Press，2011．

［4］馬建國．FPGA現代數字系統設計［M］．北京：清華大學出版社，2010．MA Jian-guo．Modern digital system design of FPGA［M］．Beijing：Tsinghua University Press，2010．

［5］田耘，徐文波．Xilinx FPGA開發實用教程［M］．北京：清華大學出版社，2008．TIAN Yun，XU Wen-bo．Developing practical course of Xilinx FPGA［M］．Beijing：Tsinghua University Press，2008．［6］任愛峰．基于FPGA的嵌入式系統設計［M］．西安：西安電子科技大學出版社，2005．REN Ai-feng．Embedded system design based on FPGA［M］．Xi'an：Xidian University Press，2005．

［7］薛清華．高精度多通道溫度測量技術研究［D］．華中科技大學，2007．XUE Qing-hua．Research on high-accuracy multi-channel temperature measurement technology［D］．Huazhong University of Science and Technology，2007．

［8］羅立成．光纖陀螺精密溫度控制系統的設計及其研究［D］．哈爾濱工程大學，2011．LUO Li-cheng．Research and designing of high-precision temperature control system for FOG［D］．Harbin Engineering University，2011．

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，研究方向為慣性平臺電路設計。

2016-09-07