航天相機(jī)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(jī)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(jī)用基于1553B總線的測(cè)溫控溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，測(cè)溫部分通過(guò)電阻分壓的方式采集熱敏電阻的電壓值進(jìn)而計(jì)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(guò)PID控制方法驅(qū)動(dòng)加熱片進(jìn)行溫度補(bǔ)償，達(dá)到目標(biāo)溫度值;文中介紹了系統(tǒng)的原理及電路實(shí)現(xiàn)、軟件流程，對(duì)測(cè)溫過(guò)程中產(chǎn)生的誤差源進(jìn)行了分析并提出修正方案;最后給出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出結(jié)論，該系統(tǒng)測(cè)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(jī)；PID；曲線擬合

0 引言

現(xiàn)在空間相機(jī)的分辨率越來(lái)越高，這使得相機(jī)焦距長(zhǎng)，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(jī)結(jié)構(gòu)溫度的不均勻會(huì)導(dǎo)致光學(xué)元件及結(jié)構(gòu)件相對(duì)位置改變從而影響成像質(zhì)量。這就需要對(duì)相機(jī)進(jìn)行主動(dòng)溫度補(bǔ)償使相機(jī)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(dá)到預(yù)定的溫控效果需要通過(guò)傳感器采集相應(yīng)點(diǎn)的溫度值并根據(jù)設(shè)定溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。目前國(guó)內(nèi)航天相機(jī)上主要采用熱敏電阻作為測(cè)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(yīng)用。本系統(tǒng)以某型號(hào)衛(wèi)星相機(jī)負(fù)載為背景研制，通過(guò)1553B總線接收衛(wèi)星平臺(tái)發(fā)送控溫指令完成溫度控制，并將溫度遙測(cè)發(fā)送至衛(wèi)星平臺(tái)，完成空間相機(jī)的測(cè)溫控溫功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理

系統(tǒng)主要分為測(cè)溫部分與控溫部分。通過(guò)測(cè)溫電路采集熱敏電阻處的溫度值，將該溫度值通過(guò)1553B總線以及衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)返回地面。同時(shí)可根據(jù)地面設(shè)定的溫度值通經(jīng)過(guò)一定的控制算法驅(qū)動(dòng)加熱片進(jìn)行溫度補(bǔ)償指定區(qū)域穩(wěn)定在設(shè)計(jì)溫度。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 空間相機(jī)測(cè)溫控溫系統(tǒng)框圖

1.1 測(cè)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(guò)Steinhart-Har公式精確描述[3]。測(cè)溫電路通過(guò)精密的基準(zhǔn)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(duì)電壓進(jìn)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(duì)應(yīng)關(guān)系及電阻——溫度關(guān)系計(jì)算出熱敏電阻的溫度值，測(cè)溫原理如圖2所示。

圖2 測(cè)溫原理

1.2 控溫原理

控溫原理：將加熱片或半導(dǎo)體制冷器固定在需要溫度補(bǔ)償?shù)奈恢?，?duì)其施加方波電壓的使加熱片發(fā)熱(半導(dǎo)體制冷器制冷)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，通過(guò)控制方波的占空比控制加熱片的加熱量(制冷量)。

2 電路實(shí)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(gè)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(cè)物體表面，離測(cè)量電路較遠(yuǎn)導(dǎo)線容易受到其他信號(hào)串?dāng)_，使用電容C1濾波，R2為信號(hào)匹配電阻。通過(guò)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(shè)置為1，作為信號(hào)調(diào)理使用。由于放大器的輸入阻抗為百兆歐級(jí)別，所以計(jì)算是可忽略R2信號(hào)匹配電阻(33歐)，及模擬開(kāi)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(jìn)行換算后解析為溫度值。受限于航天器件等級(jí)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(dòng)及保護(hù)電路：

控溫驅(qū)動(dòng)電路使用鎖存器鎖存微處理器的數(shù)據(jù)線信號(hào)作為控制信號(hào)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(yùn)輸、衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程中的振動(dòng)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(huì)與電源地連接)[4]，所以每一個(gè)加熱回路都使用熔斷器做短路保護(hù)，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(guò)熔斷器F1，當(dāng)熔斷器F1失效后，F(xiàn)2可繼續(xù)工作。

圖5 控溫驅(qū)動(dòng)電路

2.4 1553B接口電路

相機(jī)屬于衛(wèi)星的載荷，為1553B總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，配置為遠(yuǎn)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(cè)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(hào)有數(shù)據(jù)信號(hào)，地址信號(hào)，控制信號(hào)，握手信號(hào)，中斷信號(hào)。該總線接收芯片具備多種工作模式，本設(shè)計(jì)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(shí)鐘系統(tǒng)，所以將ZERO-WAIT管腳置為邏輯“1”，使能READY信號(hào)，使用握手信號(hào)保證數(shù)據(jù)讀取的正確性，但總線收發(fā)芯片的READY信號(hào)應(yīng)與微處理器的READY信號(hào)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(dāng)總線上有消息時(shí)總線收發(fā)芯片發(fā)出中斷信號(hào)，微處理器進(jìn)入中斷處理程序進(jìn)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(cè)溫校正及控溫算法

3.1 測(cè)溫校正

對(duì)于航空相機(jī)來(lái)說(shuō)，在指定溫度范圍內(nèi)測(cè)溫精度達(dá)到±0.1 ℃已經(jīng)能滿足要求，下面根據(jù)此指標(biāo)分析各誤差影響，并對(duì)提出修正方案。根據(jù)圖2的測(cè)溫原理，影響測(cè)溫精度的誤差來(lái)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(guò)對(duì)公式系數(shù)標(biāo)定后精度可達(dá)0.01 ℃，對(duì)于±0.1 ℃的要求余量較大，所以忽略此項(xiàng)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(jìn)入模擬開(kāi)關(guān)后進(jìn)入放大器，放大器做信號(hào)調(diào)理后進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器件，根據(jù)上文分析，模擬開(kāi)關(guān)和放大器對(duì)于電路轉(zhuǎn)換關(guān)系并無(wú)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(zhǔn)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(duì)于熱敏電阻R3，以某型號(hào)使用的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻MF61為例，根據(jù)Steinhart-Har公式計(jì)算出20℃時(shí)R3(20)=4 800.8 Ω，C(20)=1 328，20.1℃時(shí)R3(20.1)=4 781.5 Ω，C(20.1)=1 325，19.9℃時(shí)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(duì)熱敏電阻在±0.1℃測(cè)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(kāi)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(xiàng)目可對(duì)精度造成較大影響，如AD轉(zhuǎn)換器的零偏誤差可達(dá)到±4個(gè)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(duì)于其它產(chǎn)品有其特殊性，如產(chǎn)品批量少、對(duì)產(chǎn)品體積重量敏感、要求產(chǎn)品可靠性高、由于國(guó)外禁運(yùn)以及器件等級(jí)要求等因素有些器件不可選用。根據(jù)以上特點(diǎn)，誤差的校正通過(guò)使用精密電阻源標(biāo)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(cè)溫電路，精密電阻箱的精度可達(dá)0.02%可滿足精度要求，使用精密電阻箱模擬出測(cè)溫范圍內(nèi)的一系列溫度點(diǎn)的阻值(步長(zhǎng)越短擬合的曲線越精確，一般根據(jù)測(cè)溫范圍取1℃或2℃)，記錄各個(gè)阻值對(duì)應(yīng)的碼值，根據(jù)阻值和碼值的對(duì)應(yīng)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(shí)為了減少隨機(jī)誤差，對(duì)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(diǎn)為不額外增加電路規(guī)模，而且可對(duì)整個(gè)電路各個(gè)環(huán)節(jié)的誤差進(jìn)行修正，缺點(diǎn)是會(huì)額外增加標(biāo)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(guò)程是閉環(huán)控制的過(guò)程，設(shè)計(jì)中采用開(kāi)關(guān)控制和PID控制相結(jié)合的方法進(jìn)行控溫。開(kāi)關(guān)控制模式是簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)方式，當(dāng)實(shí)際溫度與所設(shè)溫度相差較大時(shí)采用開(kāi)關(guān)控制，可使控溫點(diǎn)迅速達(dá)到設(shè)定溫度點(diǎn)附近，但是由于開(kāi)關(guān)控制方式的局限性和加熱器的慣性，在目標(biāo)溫度值附近常有過(guò)沖，控溫的穩(wěn)定性查。因此當(dāng)控溫點(diǎn)到達(dá)設(shè)定溫度點(diǎn)附近時(shí)采用位置式PID算法進(jìn)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(shí)域的傳遞函數(shù)表達(dá)式:

(5)

對(duì)上式中的微分和積分進(jìn)行近似:

t=NT

(6)

式中,N是離散點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

于是傳遞函數(shù)可以簡(jiǎn)化為：

(7)

其中:

(8)

式中,u(N)為第k個(gè)采樣時(shí)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(yīng)速度以及被控對(duì)象所處環(huán)境溫度變換速率、熱敏電阻響應(yīng)時(shí)間等綜合因素選擇，一般設(shè)置為秒級(jí)。PID參數(shù)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)初步選定數(shù)值后根據(jù)測(cè)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(shè)計(jì)

軟件通過(guò)1553B總線接收衛(wèi)星平臺(tái)發(fā)送的各種數(shù)據(jù)和指令，經(jīng)解析后進(jìn)行相應(yīng)的處理；采集軟件運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的遙測(cè)量、溫度數(shù)據(jù)和控溫回路加熱狀態(tài)等遙測(cè)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(tái)。軟件進(jìn)行的所有動(dòng)作都是受衛(wèi)星平臺(tái)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(yīng)并發(fā)的工作流程。

軟件定義了2個(gè)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(jì)算控溫回路加熱量用定時(shí)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(cè)溫控溫程序。測(cè)溫控溫程序使用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的功能模塊使用中斷方式實(shí)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(shí)50 ms等待各外圍芯片狀態(tài)穩(wěn)定，再對(duì)自身狀態(tài)、外RAM、定時(shí)器自檢，將結(jié)果存入遙測(cè)包中返回衛(wèi)星平臺(tái)，接著對(duì)各模塊進(jìn)行初始化，最后進(jìn)入循環(huán)執(zhí)行模塊，主要功能為更新遙測(cè)區(qū)以及喂狗。

歸納整理，就是將本地區(qū)的特有文化進(jìn)行歸納并對(duì)相關(guān)視覺(jué)化的城市品牌傳播可以劃分為初級(jí)傳播和高級(jí)傳播兩種類型。初級(jí)傳播包括景觀戰(zhàn)略、基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目、組織與管理結(jié)構(gòu)和區(qū)域行為四個(gè)廣泛領(lǐng)域。高級(jí)傳播是一種有意識(shí)的正式傳播，常采用眾所周知的營(yíng)銷活動(dòng)進(jìn)行，如城市基礎(chǔ)視覺(jué)設(shè)計(jì)和應(yīng)用推廣設(shè)計(jì)?；A(chǔ)視覺(jué)設(shè)計(jì)包含以下幾個(gè)要素，分別是：城市的標(biāo)志、城市中英文標(biāo)準(zhǔn)字、城市色彩規(guī)劃、視覺(jué)識(shí)別的輔助圖形以及吉祥物設(shè)計(jì)。而城市應(yīng)用推廣系統(tǒng)應(yīng)該包含以下這幾種應(yīng)用方式；傳統(tǒng)媒介宣傳（報(bào)紙、雜志、戶外廣告、海報(bào)招貼）、公共設(shè)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(luò)、影視）。

圖9 軟件模塊圖

圖10 1553B總線消息中斷處理與定時(shí)器中斷處理流程圖

4.3 軟件安全設(shè)計(jì)

由于空間遙感相機(jī)的不可維修性，軟件設(shè)計(jì)時(shí)考慮了熱敏電阻的失效故障模式。為了避免測(cè)量溫度值異常導(dǎo)致加熱片輸出異常，設(shè)置如下措施：

1)在軟件中設(shè)置測(cè)量溫度上下限，如果測(cè)量的溫度超出該限值則認(rèn)為該測(cè)溫回路異常，返回異常狀態(tài)遙測(cè)，同時(shí)不再控制該測(cè)溫回路對(duì)應(yīng)的控溫回路。

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

3)設(shè)置各加熱回路強(qiáng)制加熱或不加熱的開(kāi)環(huán)指令。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5.1 測(cè)溫驗(yàn)證

以下為某型號(hào)的測(cè)試數(shù)據(jù)：

(9)

式中,T為K,開(kāi)爾文；R為Ω,歐姆。

表1 熱敏電阻值-溫度公式系數(shù)表

通過(guò)上述公式計(jì)算出10℃～30℃熱敏電阻對(duì)應(yīng)的阻值：

表2 熱敏電阻溫度-阻值表

使用精密電阻箱設(shè)置上表中的阻值，記錄轉(zhuǎn)換后的碼值：

表3 精密電阻箱標(biāo)定數(shù)據(jù)表

根據(jù)上表數(shù)據(jù)擬合多項(xiàng)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(guò)碼值計(jì)算出溫度值。

試驗(yàn)驗(yàn)證：

使用電阻箱作為標(biāo)準(zhǔn)源設(shè)置一些溫度對(duì)應(yīng)的阻值，試驗(yàn)結(jié)果如下：

表5 驗(yàn)證數(shù)據(jù)表

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

5.2 控溫驗(yàn)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(jī)用基于1553B總線的測(cè)溫控溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹了該系統(tǒng)的原理及電路實(shí)現(xiàn)、軟件流程，對(duì)測(cè)溫過(guò)程中產(chǎn)生的誤差源進(jìn)行了分析并提出修正方案。最后給出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出結(jié)論，該系統(tǒng)測(cè)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(guó),等. 溫度變化對(duì)123m望遠(yuǎn)鏡光機(jī)系統(tǒng)的影響[J].光子學(xué)報(bào)，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(yīng)用分析[J].中國(guó)空間科學(xué)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(cè)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(shè)計(jì)(第二版)[M].北京：科學(xué)出版社，1998.

[5] 胡壽松.自動(dòng)控制原理(第五版)[M].北京：科學(xué)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(jī)電子學(xué)方向的研究。

1671-4598(2017)07-0115-05

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

V19

A