特種車輛溫控系統的溫濕度測量網絡設計

(北京航天發射技術研究所，北京 100076)

0 引言

溫控系統是某型特種車輛的重要系統之一，其主要功能是給駕駛室內的人員和車輛的特種裝備提供良好的溫濕度保障環境。特種車輛溫控系統(后簡稱“溫控系統”)通常是一個多點溫濕度測量系統，溫濕度信號作為控制依據起著重要作用，它的準確測量與否直接決定著系統能否正常運轉。隨著科技的進步，傳統的溫控系統溫濕度測量方式在總體架構、成本、可靠性、通用性及擴展性等方面逐漸落伍，不利于武器裝備的技術發展及實戰化效能提升。數字式傳感器技術的發展，可有效彌補上述不足，為溫濕度信號的測量帶來了新的解決方案。

1 溫控系統特點及方案選擇

1.1 溫控系統特點及要求

某型特種車輛是具有運輸、起豎和特種操作等多種功能的專用車輛，對所屬分系統及零部件的可靠性、擴展性及維修性有著極高的要求，同時也關注系統成本及知識產權自主等問題。溫控系統在規定的時間內為車輛人員和特種裝備提供良好的溫濕度環境，要求溫度和濕度的精度指標分別為±0.5℃和±3.5% RH。駕駛室內環境舒適，可保證人員精神狀態良好，提高作戰和指揮能力；特種裝備溫濕度適宜，能最大限度保證裝備的性能。溫控系統性能已成為衡量特種車輛技術水平的重要指標。

傳統的溫控系統溫濕度測量方式采用4～20 mA電流型溫濕度傳感器，通過電纜與中央控制單元連接，后者完成信號采集與控制。由于特種車輛空間狹小、溫濕度測點較多且分布散亂，采用該方式不但使得電纜布局走線困難，不利于施工與維修，而且傳感器和電纜價格昂貴，不利于成本控制。本設計采用XC164CS單片機和單總線技術相結合，開發了一種網絡式的溫濕度測量裝置，有效解決了上述問題，并極大地簡化了溫控系統總體設計難度。

1.2 單總線技術

單總線技術是Dallas 半導體公司推出的新技術，它將地址線、數據線、控制線合為1 根信號線，并允許數百個單總線器件同時掛接在這根信號線上，雙向傳送數據并實現獨立工作。為了區分總線上的不同器件，每個芯片出廠時都具有唯一的64 位光刻ROM 序列號，是定位和尋址器件實現測控功能的前提條件。單總線器件在檢測點便將被測信號數字化，因此總線上傳輸的信號均為數字信號，這使得系統的抗干擾性能好，可靠性高，傳輸距離遠[1]。單總線器件采用CMOS 技術,耗電量很小,可采用“竊電”的方式從總線上獲取電源，傳輸速率通常為16.3 kB/s,超速模式下可達100 kB/s左右,傳輸距離一般達到200 m[2]。

1.3 單總線測量方案的優勢

對于傳統方案與單總線方案的兩種溫濕度測量方式，從總體架構、成本、可靠性、通用性及擴展性等幾方面對進行對比，如圖1。

圖1 兩種方案的對比

1.3.1 總體架構

1)傳統測量方案采用4～20 mA電流型溫濕度復合型傳感器，每個傳感器都需配套一根電纜，并在測量環節為其設計專用的檢測電路。在空間相對狹窄的特種車輛上，多點測量帶來了電纜數量多、布局布線凌亂復雜、電磁兼容性差的問題；同時，多路檢測電路的設計導致元器件數量較多，給測量電路印制板的設計及調試增加了難度。

2)單總線測量方案只需要一路檢測電路和一根電纜，便可對總線上的多個測點進行同步測量，電纜布局布線、印制板設計與調試都相對較為容易，而且總體架構清晰、簡單。

1.3.2 成本

傳統方案中由于使用了多路同樣的檢測電路和傳感器，元器件數量根據測點數量成倍增長；而單總線方案的元器件數量則不隨測點數量增多而增加，種類與數量大幅度降低，調試和試驗過程簡化，都有利于成本的降低。經測算，單總線方案的單路溫濕度信號測量成本約為650元(含軍標環境篩選測試及出廠試驗，下同)，而同等性能的傳統溫濕度測量成本約為6000元。可見，單總線成本優勢非常明顯。

1.3.3 可靠性及準確性

傳統方案的信號傳輸方式為模擬量，采集過程中容易受干擾，電磁兼容性差且準確性差；而基于單總線的測量方案，傳輸信號均為數字量，不易受干擾，且傳輸數據可通過軟件進行CRC-8校驗，使得誤碼率更低，從而可靠性和準確性更高。

1.3.4 通用性及擴展性

單總線測量方式的多個測點只需要一根電纜，其檢測電路也唯一，測點的擴展方便簡單，不需重新設計檢測電路；增加測點時，只需進行軟件的配置即可。而傳統測量方案一旦確定后，如要增加測點，對應的檢測電路、軟件及接口必須同時增加，不利于測點的擴展，更不利于日常的維護。

1.3.5 知識產權自主

傳統方案選用外購溫濕度傳感器，由于技術細節不透明，核心技術沒有掌握，出現問題后往往不能從根本上解決問題，只是進行傳感器的簡單更換，不符合武器裝備知識產權自主的研制宗旨。而采用集成芯片自行研制溫濕度傳感器，可以從根本上掌握技術秘密，出現問題容易“刨根問題”，有利于產品的進一步升級，有利于武器裝備的技術發展及實戰化效能提升。

綜上所述，基于單總線的溫濕度測量方案從總體架構、成本、可靠性及準確性、通用性、擴展性及知識產權自主等各方面都較傳統測量方案有較大的優勢。

2 系統硬件設計

按照溫控系統總體設計要求，需要設計一個溫濕度信號的測量網絡，可完成15個甚至更多溫濕度測點的信號測量，并具備傳感器數量擴展的功能。同時，將采集到的溫濕度數據解析和處理后以固定的幀格式發送給后端控制系統，以便其完成對特種車輛溫控系統的控制，具體如下：

1)最遠端溫濕度傳感器的傳輸距離不大于200 m。

2)溫度測量范圍：-40～+60℃，誤差不大于0.5℃。

3)濕度測量范圍：0～100.0% RH，誤差不大于3.5% RH。

4)與后端控制系統的通訊距離不大于500 m，通訊周期為10 s。

2.1 溫濕度測量網絡組成

溫濕度測量網絡基于單總線架構進行設計，采用單主機多從機模式，由單總線溫濕度傳感器(從機)、單總線電纜和溫濕度檢測單元(主機)等組成。檢測單元對連接在單總線上的溫濕度傳感器進行管理和信號采集，系統網絡如圖2所示。

圖2 溫濕度測量系統網絡拓撲圖

2.2 溫濕度傳感器設計

2.2.1 結構設計

溫濕度傳感器采用不銹鋼鎧裝桿式結構，將溫度敏感元件和濕度敏感元件組裝成一體式電氣組件，并安裝到不銹鋼外殼內。在傳感器的敏感元件端開設透氣窗孔，并將敏感元件緊貼窗孔安裝，傳感器的感應側只能通過透氣窗孔對其周邊的空氣進行測量，透氣窗處的體積越小，敏感元件與周邊空氣建立溫、濕度平衡的過程就越短，測量到的信號就越準確和及時。本傳感器的透氣窗處的體積僅為160 mm3左右，因此，與空氣建立溫、濕度平衡的過程很短，這為信號的準確測量提供了有利的條件[3]。

2.2.2 溫度測量

傳統溫度測量通常選用熱敏電阻，由于其線性度較差，產生數據處理復雜、控制效果差、占用 A/D端口資源多等一系列問題，且不利于總線系統的擴展[4]。本設計選用單總線接口的數字式溫度傳感器DS18B20，其數據輸出可以通過編程進行 9～12位選擇，它采用單總線方式，不需要另外添加A/D 轉換器。其測溫范圍為-55～125℃，在-10～85℃范圍內保持±0.5℃的精度，用戶可自定義非易失性報警溫度值，當溫度異常時，主機可通過報警查詢命令辨別、定位超限溫度點。相對于傳統溫度傳感器而言，DS18B20溫度傳感器具有更高的經濟性、靈活性、抗干擾性和精確度，在科學研究和生產實際中得到了廣泛的應用[5]。

2.2.3 濕度測量

為便于溫濕度信號的網絡構建，濕度測量與溫度測量采用相同的測量方法，即采用單總線方式進行。將Dallas公司的10位單總線電池監控芯片DS2438與Honeywell公司的相對濕度測量芯片HIH-4000配合使用，設計出濕度信號的單總線測量電路，并通過溫度補償的方法實現對環境濕度信號的測量，從而設計出符合單總線規范的濕度傳感器，原理如圖3。

圖3 濕度測量原理圖

與DS18B20類似，DS2438同樣滿足單總線協議，包括1路10位電壓A/D轉換器、1路10位電流A/D轉換器、1路13位溫度傳感器、40 字節的E2PROM。它只有一根數據線，多個DS2438可以通過該數據線并聯起來，完成與CPU的通信。

HIH-4000是Honeywell 公司生產的具有低功耗特性的模擬大信號相對濕度傳感器。該傳感器采用熱固聚酯電容式傳感頭，內部集成了濕度傳感器、信號調理與變換、數字通信接口、數字校準等功能電路，是一種基于智能傳感器設計理念的新型傳感器,實現了溫濕度傳感器的數字式輸出, 且免調試、免標定、免外圍電路[6]。同時，該傳感器還具有精度高、響應快速、高穩定性、低溫漂、抗化學腐蝕性能強及互換性好等優點[7]。

HIH-4000 系列傳感器數據手冊[8]給出了25℃時輸出電壓UO、相對濕度RHS、電源電壓US之間的線性關系，如式(1)；當環境溫度變化時，其相對濕度隨之進行相應的變化，應進行溫度補償，真實的環境相對濕度值RHtrue如式(2)。

UO=US(0.006 2RHS+0.16)

(1)

(2)

因此，HIH4000 的濕度測量結果RHtrue可以通過濕度傳感器輸出電壓UO、電源電壓US和環境溫度T計算得到，如式(3)：

(3)

其中:輸出電壓UO由濕度敏感元件DS2438測量完成，電源電壓US為供電電壓+5 V，環境溫度T由溫度敏感元件DS18B20的測量完成。

2.3 溫濕度檢測單元設計

溫濕度檢測單元以XC164CS單片機為核心，外部擴展單總線驅動控制電路、RS-422 通訊接口、存儲器電路、鍵盤與顯示接口電路及看門狗電路，設計一個嵌入式的溫濕度信號檢測單元，可完全滿足系統要求，檢測單元原理框圖如圖4。

圖4 溫濕度檢測單元原理框圖

2.3.1 微處理器

為了滿足特種車輛元器件統型，微處理器采用Infineon 公司的16 位車載級單片機XC164CS 作為控制核心。XC164CS采用C166V2 內核，具有5 級指令流水線，工作頻率40 MHz, 單周期指令，具有128 KB程序Flash，6 KB片上RAM，14路模擬輸入通道，6個串行接口。XC164CS功能強大、集成度高，其MAC 單元加入 DSP 功能處理數字濾波算法，大大縮短了乘除運算時間。

2.3.2 單總線驅動控制電路

單總線驅動控制電路完成對溫濕度傳感器的驅動和信號采集，使用高性能的CMOS 線驅動器74ACT245，其輸出電流可達75 mA，而輸入電流僅1 μA，其強大的驅動能力為多點遠距離溫濕度測量的實現提供了保證。由于74ACT245 和單總線器件均為集電極開路輸出，使用上拉電阻使總線信號保持穩定、準確。

由于DS18B20、DS2438、HIH-4000的采樣精度都受電源電壓的影響，因此，系統沒有采用單總線的“竊電”技術，而是采用單獨的電源供電。另外，上述芯片采用相同的電源，保證了DS18B20、DS2438 所測的電源電壓就是HIH4000所使用的電源電壓，確保式(3)中各項數據的準確性[3]。

2.3.3 RS-422串行通訊電路

本設計采用MAX1490 芯片作為RS-422總線收發器，該收發器具有單片電氣隔離功能，與外部電路連接時，無需設計隔離電路，可以減小EMI，并降低由不恰當的終端匹配電纜引起的反射，實現最高250 kb/s 的無差錯數據傳輸，傳輸距離可達1200 m。

2.3.4 看門狗電路

看門狗電路可以在程序“跑飛”情況下，對單片機XC164CS 進行復位，重啟檢測單元，使整個系統的工作不間斷，對于提高系統的可靠工作具有重要意義。本設計采用MAX706 芯片，它將上電復位控制、看門狗定時器以及降壓管理功能合于一體，有助于簡化應用系統的設計，減少印制板的占用面積，提高可靠性。

3 系統軟件設計

3.1 軟件設計思路

溫濕度檢測單元采用單總線方式與溫濕度傳感器進行數據交換與控制，通過周期性循環采集傳感器的數據，并以RS-422通訊方式按照約定的數據幀格式傳輸給后端控制系統。對于這個測量網絡來講，軟件設計非常重要。本系統的軟件設計主要包括：

1)系統初始化：主要完成串口、鐵電存儲器、IO及定時器等微控制器內核及外設功能的初始化；

2)傳感器搜索與編碼：讀取存儲在鐵電存儲器內的傳感器數量及序列號，判斷是否需要重新搜索傳感器序列號，如需搜索，則搜索序列號，并將序列號與前面讀取序列號對比后，存儲已更換傳感器序列號；

3)溫濕度轉換：啟動溫濕度傳感器進行數據轉換，并采集其對應的二進制編碼；

4)數據解析與處理：將采集到的傳感器二進制編碼進行解析、數字濾波和轉換，并按照固定的幀格式存放于相應的存儲單元；

5)數據上傳：通過自定義協議，以RS-422方式向后端控制系統傳輸采集到的溫濕度數據。

系統的主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主函數流程圖

3.2 單總線數據軟件校驗方法

DS18B20和DS2438等單總線器件內部均集成一個8 位CRC (循環冗余檢驗)處理器，CRC 碼的生成原則可表示為式(4):

CRC=X8+X5+X4+ 1

(4)

單總線器件在完成數據采集后，自動在緩沖區的下一個單元產生相應的CRC 碼。檢測單元在讀取傳感器數據時，連同其產生的CRC碼一并讀取，并利用式(4)的校驗原則,將讀取的一系列數據生成一個校驗值, 與從單總線器件中讀取的CRC 值進行比較, 校驗通過則表示數據傳輸正確，否則為無效數據[9]。采用這種循環碼冗余校驗的方法，可有效保證傳感器數據讀取的準確性，從而提高溫控系統的可靠性。

4 試驗結果及應用

4.1 測試數據

選用3只溫濕度傳感器在國家認定的儀器計量機構進行精度鑒定測試。測試時將傳感器置于標準溫濕度調控儀中，設定調控儀創造標準的溫度、濕度環境，對試驗傳感器的測量精度進行驗證。根據溫濕度傳感器的使用工況，將溫度測試點選為-30℃、-10℃、10℃、30℃、50℃和70℃，濕度測試點分別選為10℃和40℃條件下的10% RH、30% RH、50% RH、70% RH、90% RH，測試結果見表1和表2。由數據分析可以看出:溫度測量誤差≤0.3℃, 濕度測量誤差≤2.3% RH,滿足±0.5℃和±3.5% RH的精度要求。

表1 溫度試驗測量 ℃

表2 濕度試驗測量 % RH

4.2 應用情況

基于單總線技術的多點溫濕度測量系統具有較強的通用性，已在單位多型特種車輛得以成功應用。在多年的隨車試驗及特種操作過程中，測量數據準確可靠，系統運行良好。此外，成本上的巨大優勢，使得其進行適當民用化改造后，完全可以在數字化糧情檢測、數字化倉儲檢測、蔬菜種植環境檢測等民用領域中得以應用并形成相當的競爭力，具有非?，F實的意義。

5 結束語

在特種車輛溫控系統中，采用了單總線技術進行溫濕度測量網絡的構建，設計指標滿足系統性能要求。與傳統方式相比，該方案不但大大降低了成本，而且在總體架構、可靠性、通用性及擴展性等各方面都具有較大的優勢，已在單位多型特種車輛得以成功應用，具有重要的現實意義。