某機載特種設備艙高可靠溫度控制系統設計

閆新峰，金 文，耿 健，王偉偉，蘇 偉

(北京航天長征飛行器研究所，北京 100076)

0 引言

某機載特種設備懸掛于飛機外部，在飛機飛行過程中需長時間暴露在高空寒冷環境中，艙內設備為對溫度敏感的精密儀器，若艙內溫度超出一定范圍，則會嚴重影響艙內儀器的正常工作，因此需要研制一套高可靠的溫度控制系統，將艙內溫度控制在儀器正常工作范圍內。

溫度控制技術有純硬件控制和軟件控制兩種方式。軟件控制方式采用ARM或DSP芯片作為主控芯片，根據采集到的溫度值，通過軟件控溫算法，實現對后端加溫通路的控制[1-4]，對于需要高精度溫度控制的場景，還可以采用PID算法調節PWM的占空比實現高精度溫度控制[5-7]，軟件控制方式優點是控制方式靈活[8]，可以實現高精度，但軟件易受到外界干擾導致軟件跑飛、死機等造成系統工作故障。

本文設計了一種適用于某機載特種設備艙的高可靠溫度控制系統，采用純硬件電路的溫度控制方式，電路簡單可靠，且采取了多種可靠性設計措施，進一步提高了系統的可靠性，能夠將艙內溫度穩定控制在儀器正常工作范圍內。

1 系統總體方案設計

溫控系統由溫度傳感器、溫度控制裝置和電加溫元件組成，系統組成如圖1所示。載機為溫控系統提供直流100 V供電，電源模塊將100 V電壓轉換為5 V電壓供設備內部供電，100 V電壓作為電加溫元件的加溫電壓，溫控控制模塊通過控制固態繼電器的通斷實現加溫通路的控制。

由于該機載特種設備艙兩端存在熱短路現象，艙內空氣溫度分布呈現出中間高、兩端低的特點，鑒于該溫度分布特點，溫控系統設計時沿艙的軸向分3個區域進行加熱，分別為溫區1、溫區2和溫區3，每個溫區安裝了3個獨立的溫度傳感器和12片電加溫元件。3個溫區分別由3個獨立的溫度控制模塊獨立控制。

溫度控制裝置是本溫控系統的核心設備，負責采集溫度傳感器反饋的溫度值，采用一定的溫度控制策略對電加溫元件的供電通路進行控制以及與主控系統通過1553B接口進行狀態交互。溫度傳感器用于測量設備艙內的空氣溫度。電加溫元件用于將輸入的電能轉化為熱能對設備艙進行加溫。

圖1 系統組成框圖

2 硬件設計

三個溫區的硬件電路設計相同，以溫區1的硬件電路設計為例進行介紹。硬件電路如圖2所示。硬件電路由電源模塊、1553B模塊、電壓比較電路、三判二控制電路、加熱控制電路組成。

圖2 硬件電路框圖

2.1 溫度傳感器

溫度傳感器用于測量每個溫區的空氣溫度，反饋給溫度控制裝置。采用熱敏電阻元件MF501，測溫范圍為-55～125 ℃。熱敏電阻元件四周由外殼保護，上方為開放無遮擋，外殼壁上開有一定數量的通氣孔，體積小巧，便于安裝。

2.2 電加溫元件

電加溫元件采用薄膜型聚酰亞胺電加溫元件，由蝕刻電熱合金鉑片產生的電阻元件與聚酰亞胺絕緣膜層疊組成三明治結構，具有加熱速度快、使用壽命長、厚度薄、重量輕等特點，電加溫元件通過硅橡膠粘接于溫控支架外測，實現艙內空氣溫度控制。

2.3 電源模塊

電源模塊將輸入的直流100 V電壓轉換為5 V電壓，同時實現對輸入電源的隔離和濾波，電源模塊電路如圖3所示。選用EMI和DC/DC電壓輸入范圍為80～120 V，為隔離DC/DC，能夠滿足100 V供電正負端與設備內部二次電源的地線隔離的要求。

圖3 電源模塊電路框圖

電源模塊輸入前端為了防止輸入端電壓正負接反，同時保護輸入端電源，在EMI濾波器輸入正端串聯了一對并聯的整流二極管V1和V2。同時在EMI濾波器的輸入端并聯了1個瞬態抑制二極管V3，防止輸入端電壓中高脈沖電壓對其他元器件的損害，輸入前端電路如圖4所示。

圖4 輸入前端電路

2.4 1553B模塊

1553B模塊采用TI的DSP TMS320F2812作為核心控制芯片[9]，控制1553B協議芯片B61580實現RT功能，與主控系統進行通信，同時實現對電壓的采集功能，電路框圖如圖5所示。其中CPLD完成B61580和DSP之間的電平轉換、邏輯控制功能，通過中斷的方式通知DSP對1553B消息進行處理。使用DSP自帶的12位ADC實現對5V電壓、溫度傳感器分壓以及加熱控制電壓的采集，為了避免采集電路對溫控電路的影響，溫度傳感器分壓以及加熱控制電壓需要經過射隨器阻抗變換后進入DSP的ADC采集模塊進行采集。

圖5 1553B模塊原理框圖

2.5 電壓比較電路

電壓比較電路由測溫電路和電壓比較器組成。測溫電路由電阻組成分壓電路。溫度傳感器的輸出作為控溫閾值，測溫電路的輸出接到電壓比較器的輸入端，當環境溫度較低時，比較器輸入低于設定的控溫閾值下限，比較器輸出高電平，當環境溫度較高時，比較器輸入高于設定的控溫閾值上限，比較器輸出低電平。電壓比較電路如圖6所示。

圖6 電壓比較電路

N1為電壓比較器，采用NSC公司集成運算放大器LM158，由一個電阻和比較器接成正反饋滯環比較器形式。輸出電壓反饋到輸入端，使集成運放的輸出在高電位和低電位的情況下，具有不同的門限電壓。

R1～R4為基準電阻，R5為反饋電阻，均選用精度為0.1%的精密電阻。C1～C6為濾波電容，V1和V2為接口保護二極管。

溫度傳感器采用MF501型熱敏電阻，阻值隨著溫度的變化而變化，溫度與阻值的關系可以通過Steinhart-Har公式精確描述[10]。在確定控溫點后，取定R2、R3、R4值后，可計算得R1和R5的值。

本溫控系統的溫度控制范圍為10～30 ℃，考慮到溫度過沖的影響，將高低溫控溫點分別設置為23 ℃和17 ℃，通過計算，23 ℃和17 ℃時熱敏電阻對應的阻值分別為5.494 5 kΩ和7.281 6 kΩ。電路中橋臂電阻R2、R4選用精密10 K電阻，R3選用精密8 K電阻，R1選用精密電阻1.8 K，反饋電阻R5選用精密82 K電阻。

當比較器輸出高時(升溫過程)，正、負端電壓分別為：

(1)

(2)

當比較器輸出為低時(降溫過程)，正、負端電壓：

(3)

(4)

式中，V為比較器LM158輸出電壓，約3.5 V。

通過式(1)～(4)可算出，溫度傳感器阻值為5.494 5 kΩ，即溫度為23 ℃時(升溫過程)，比較器正端電壓為2.557 5 V，負端電壓為2.615 3 V，正端電壓低于負端，比較器輸出為低，加熱控制電路輸出關信號(23 ℃時)；溫度傳感器阻值為7.281 6 kΩ，即溫度為17 ℃時(降溫過程)，比較器正端電壓為2.356 3 V，負端電壓為2.341 7 V，比較器輸出為高，加熱控制電路輸出開信號(17 ℃時)。即溫度控溫點為17 ℃和23 ℃。

2.6 三判二控制電路

三判二控制電路主要實現3選2控制功能，電路原理圖如圖7所示。電路選用四二輸入或門54HC32，四二輸入與門54HC08，以及三極管3DK2222AUB(取反，起非門作用)。

圖7 三判二控制電路

由圖7可知：

(5)

由式(5)可知，三路比較器輸出中，任意兩路達到加熱要求，三判二控制電路輸出低電平，控制后端的加熱控制電路接通，電加溫元件加熱；任意兩路達到停止加熱要求，三判二控制電路輸出高電平，控制后端的加熱控制電路關斷，電加溫元件停止加熱。

2.7 加熱控制電路

加熱控制電路如圖8所示，加熱通路的開關控制由固體繼電器實現。固體繼電器是具有隔離功能的電子開關，是由半導體器件和無源元件組成，利用光電子和微電子技術實現控制電路(輸入端)與負載電路(輸出端)之間的電耦合和電隔離，無任何可動部件。固體繼電器除具有與電磁繼電器一樣的功能外，還具有與邏輯電路兼容、開關速度快、輸出接通電阻穩定、抗干擾能力強、對外界干擾小、壽命長(一般可達108～1012次，電磁繼電器一般為幾十萬次)、工作可靠性高等突出的特點。本設計中，固態繼電器選用JG-42MB，輸出電流20 A，電壓300 V，具有變壓器隔離，耐過壓及欠壓浪涌功能。

圖8 加熱控制電路

通過控制三極管的通斷來控制固態繼電器，從而控制電加溫元件100 V電壓的通斷。當三判二控制電路輸出電壓為高電平時，三極管輸出低電平，固態繼電器關斷，電加溫元件的100 V電壓斷開，停止加溫；當三判二控制電路輸出電壓為低電平時，三極管輸出高電平，固態繼電器接通，電加溫元件的100 V電壓接通，開始加溫。

3 軟件設計

圖9 軟件總體流程圖

軟件總體流程如圖9所示。系統上電后首先進行初始化，初始化內容包括時鐘、ADC采集、中斷向量、Flash、DSP外設、外部總線、1553B總線、定時器、外部中斷和看門狗等。初始化完成后判斷RT模式標志位是否為1，如果為1，則根據RT命令字分別進行自檢、時間同步和時間同步子地址重置，其中自檢主要判斷溫度是否在10～30 ℃范圍內，每隔500 ms將自檢結果寫入到發送子地址，判斷自檢結果被取走后，將自檢結果初始化為0xFFFF。如果RT模式標志位不為1，則檢查是否有中斷，首先檢查看門狗是否到時，如果到時則喂狗，然后檢查500 ms定時是否到時，如果到時則執行自檢函數，最后檢查400 ms定時是否到時，如果到時，則計算ADC采集結果。

4 可靠性設計

該機載特種設備艙內的溫度對艙內設備的正常工作影響很大，且在空中長時間掛飛飛行，因此對溫度控制系統的可靠性要求很高，溫度控制系統進行了可靠性設計，采取的可靠性措施主要有：

1)溫度控制方案采用純硬件電路控制的方案，避免了軟件設計方案中存在的軟件跑飛、死機等造成系統工作故障；

2)溫度分區獨立控制設計。根據該機載特種設備艙內溫度分布不均的特點，溫控系統設計時沿艙的軸向分3個溫區獨立加熱，3個溫區分別由3個獨立的溫度控制模塊獨立控制；

3)溫度傳感器冗余設計。在每個溫區安裝了3個獨立的溫度傳感器，分別采集不同位置的艙內溫度，用于溫度的判斷；

4)電加溫元件冗余設計。在每個溫區安裝了12片電加溫元件，即使有個別電加溫元件出現故障，也不影響正常加溫；

5)溫度控制電路三判二設計。對每個溫區的3路溫度控制信號進行三判二處理后，再控制后端加溫通路的通斷，由此提高溫度控制通路的可靠性；

6)與機載主控系統的通訊采用1553B總線，為A、B總線雙冗余設計，具有很高的可靠性。

5 試驗驗證與分析

5.1 溫度采集精度試驗驗證與分析

本系統中使用的熱敏電阻元件MF501電阻阻值與溫度的換算公式為：

(6)

式中，t為攝氏溫度( ℃)；R為熱敏電阻的阻值(Ω)；a、b、c為常數，分別為：a=-6.011 88；b=4 622.533 37；c=-86 421.724 14。

使用專用檢測設備模擬-40～60 ℃范圍內的熱敏電阻的阻值，從-40～60 ℃間隔1 ℃遞增，記錄溫度采集值，經過測試，溫度采集值與設定值相比誤差最大不超過±0.4 ℃，表明溫控系統的溫度采集精度優于0.4 ℃。

5.2 溫度控制精度試驗驗證與分析

本溫控系統的高低溫控溫點分別為23 ℃和17 ℃，即溫度低于17 ℃時，溫控通路接通，溫度高于23 ℃時，溫控通路斷開。使用專用檢測設備模擬熱敏電阻的阻值，從-40～60 ℃間隔0.1 ℃遞增，記錄溫控通路接通和斷開的溫度值，再從60～-40 ℃間隔0.1 ℃遞減，記錄溫控通路接通和斷開的溫度值，經過多次測試，溫控通路接通的精度優于0.4 ℃，溫控通路斷開的精度優于0.2 ℃。

5.3 試驗曲線

某次試驗的實測溫度曲線如圖10所示，艙內初始溫度為24 ℃左右，艙外溫度為-55 ℃，試驗時間為12 500 s，由圖可以看出，溫控系統可以在長時間內將艙內溫度穩定控制在10～30 ℃范圍內。

圖10 某次試驗溫度曲線

6 結束語

本文介紹了一種適用于某機載特種設備艙的高可靠溫度控制系統的設計，介紹了系統總體方案以及硬件和軟件設計。采用純硬件電路控制方案、分區獨立控制設計、冗余設計、溫度控制電路三判二設計等多種措施，提高了系統的可靠性。測試和試驗結果表明，溫度采集精度優于0.4 ℃，溫控通路接通的精度優于0.4 ℃，溫控通路斷開的精度優于0.2 ℃，溫控系統可以將艙內溫度長時間穩定控制在10 ℃～30 ℃范圍內。