高精度輕質無線測溫系統研制與實現

余 群，王 騫，王思峰，王領華，呂建偉

(中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

0 引言

溫度作為航天器研制與試驗當中重要參數，對航天器的設計與改進都具有重要的指導作用[1-2]。當前航天運載器、航天器在飛行過程需要進行大量的溫度數據采集，以掌握其工作狀態，保障航天器上設備產品質量安全。由于航天器內部環境復雜、空間緊湊，溫度范圍差異較大，且存在多種電磁干擾，因此對測溫系統的測溫精度、通道數量和可靠性提出了更高的要求[3-4]。且隨著科學和經濟的發展，對航天器的重量、研制周期、維修性等也提出了更高要求，使得溫度測量向自動化、智能化方向進展[5]。

現有航天器上的溫度采集仍然采用傳統有線方式，要想滿足航天器上各設備、結構等溫度采集速度、準確度以及控溫精度，必須要布置足夠多數量的測溫傳感器。但過多的測溫傳感器必然會導致航天器內部電纜數量的增加，而布線數目的增加必然會使航天器面臨多個方面問題，一方面，溫度采集電纜多，增加了航天器系統自身重量，有效載重量減小。另一方面，在有限的空間內，在保證安全、穩定的條件下，布線的數目是有限的，有限的測量通道數將無法滿足航天器高精度控溫需求。三是布線復雜，裝配困難，影響系統可靠性，工作耗時長。且溫度傳感器為耗材，使用次數和使用期限都有限制，測試成本高[6-8]。針對以上有線測溫方式存在的問題，可采用無線測溫方式替代。無線測量憑借其測點數目多、無線信息傳輸等優勢，受到越來越多的關注[9-12]。無線溫度測量在民用產品上已有較多的應用[13-18]，但由于其采用的多是半導體傳感器，僅適應于空氣環境溫度的測量，且響應時間長，無法滿足航天器上應用需求。

針對航天器艙內有限空間下有線測溫方法存在的問題，設計采用無線測溫的方式代替。為了滿足對航天器內部設備溫度采集和測試要求，分析并設計了高精度輕質無線測溫系統，測溫系統的溫度采集器體積小、準確度高，通過ZigBee等無線信號傳輸的方式可將采集的溫度數據傳輸到上位機保存、處理。

1 方案設計

1.1 設計目標

根據航天器承擔任務的重要性，項目總體對溫度測量系統重量、測溫精度、可靠性、待機時間等提出了更高要求，要求每路溫度采集系統的重量低于2 g，且待機時間不少于240 h。圍繞溫度測量系統重量行了調查研究，目前現有航天器上應用的溫度測量系統均為有線溫度測量系統，每路溫度傳感器的重量均超過30 g，指標不滿足總體要求，統計結果如表1所示。

表1 現有航天器上溫度測量系統重量指標

上述溫度測量系統為有線方案，民品上有些無線的應用，但也存在一定局限性。調查情況如表2所示。

表2 現有溫度測量系統測量方式調查表

上述調查顯示，有線測溫系統無法滿足航天器對溫度測量系統提出的更高重量指標要求。因此，為滿足對溫度測量系統重量及其他指標要求，需研制新型輕質無線測量系統，該系統能夠采集各測點的溫度信號，在對信號進行運算處理后，通過無線網絡發送給航天器數據采集系統進行數據采集，用于后續判讀。

1.2 無線傳輸網絡總體方案設計

無線通信技術是指在不依賴任何有線電纜的前提下，利用電磁波進行信號傳輸。根據傳輸距離的長短，可以將無線通信技術分為短距離無線通信技術和遠距離無線通信技術[19]。由于本無線測溫系統計劃在航天器上使用，因此主要適用短距離無線通信模塊。目前市場較為流行的短距離無線通信模塊主要有Wi-Fi模塊、藍牙(Bluetooth)模塊和ZigBee模塊等[20-23]。結合任務需求和總體目標，對分別使用Wi-Fi模塊、藍牙(Bluetooth)模塊和ZigBee模塊設計的無線測溫系統進行了調研討論，利用親和圖對3種無線測溫系統方案特點進行了歸納梳理，結果如圖1所示。

圖1 無線測溫系統方案親和圖

對以上3種方案特點進行對比分析，如表3所示。

表3 無線通信技術方案及特點對比

結合以上的分析，考慮總體任務要求，按如下權重比例對上面的3種案進行了評估分析，評估系列表如表4所示。

表4 評估系列表

評估結果如表5所示。

根據評估分析方法的評估結果，綜合考慮覆蓋距離、功耗、傳輸速率、網絡節點數、安全性等指標，ZigBee方案具有功耗更低、價廉、穩定性好、可靠性更高等優勢，方案最優。因此本文利用ZigBee技術來實現無線通信功能。

表5 評估結論表

基于減小設備體積，減輕設備重量、降低功耗、提高可靠性等設計原則，本文完成了基于ZigBee技術的無線測溫系統硬件和軟件詳細設計。下面將從硬件和軟件兩方面詳細介紹無線測溫系統設計方案。

2 系統硬件設計

ZigBee無線溫度采集方案硬件主要由溫度傳感器和ZigBee系統2大部分組成。無線測溫系統硬件組成如圖2所示。

圖2 無線測溫系統硬件組成示意圖

2.1 溫度傳感器模塊設計方案

目前溫度傳感器的應用幾乎遍布于所有領域。溫度傳感器不斷的推陳出新，常見的有電偶傳感器、電阻式溫度傳感器、半導體式溫度傳感器等。已有型號產品上常用的溫度傳感器有鉑電阻、熱敏電阻、熱電偶、半導體傳感器[24]，這4種傳感器，各有有缺點。表6從測溫精度、測量電路復雜度、抗干擾能力以及測溫范圍等方面開展了對比分析。

根據任務需求的重要度，分別按1-5分(1分——不影響功能實現的需求；3分——比較重要的影響功能實現的需求；5分——基本的、重要的需求。)進行重要性分析評估。評估分析顯示，測量電路復雜度低，抗干擾能力強的熱敏電阻傳感器最優，該傳感器電路簡單可靠，滿足系統研制要求。

表6 溫度傳感器硬件選擇研究

2.2 ZigBee系統方案

ZigBee系統硬件方案設計時，遵循繼承、通用的原則，對于母板，選用現有產品上的組件。下面分別對電源、電源電路和ZigBee電路的不同元件開展了選擇分析。

表7為電源電路選擇調查情況統計，經過重要性打分及評估分析，電壓精度更高、空載電流更小且可關斷省電的MAX1726EUK25+T最優，可作為電源電路方案，雖然其輸出電流較低，但滿足任務需求。表8為ZigBee電路方案選擇研究方案。

表7 電源電路方案選擇研究

表8 ZigBee電路方案選擇研究

經過對比分析，CC2430方案開發成本低、體積小、容易開發，只需要配合少量的外圍電路和元件就能使用。且CC2430芯片電壓范圍比較大(2.0～3.6 V)，功耗低，在待機模式下耗電量小于0.6 A/h，而在休眠模式下則小于0.9 A/h。其內優豐富的集成元件和強大的開發工具，可滿足系統功能需求。因此雖然其無線性能不是最優的，但其仍是ZigBee電路方案首選。

由于ZigBee方案低功耗特性，選用鋰電池或紐扣電池來為模塊供電，就可以滿足無線測溫系統功耗要求。下面從電池電壓、電池容量以及電池重量等因素對常用的401119鋰電池、CR2032紐扣電池和301033鋰電池展開了選用分析，詳見表9。

表9 電源方案選擇研究

通過對比分析，雖然CR2032紐扣電池電壓較另兩種電池電壓稍低，但其電池容量更大，重量更輕，因此綜合考慮，CR2032紐扣電池最優，因此電源方案選用CR2032紐扣電池。

熱敏電阻傳感器通過連接器連接到采集板卡的輸入端，將溫度模擬信號轉換為電流量，采集板卡接收到熱敏電阻溫度電流量后，進行濾波、分壓和放大處理，經模擬開關選擇進入A/D轉換器進行模數轉換。其中A/D轉換器選擇如表10所示。

表10 熱敏電阻A/D轉換硬件選擇研究

其中采用CC2430內置A/D的熱敏電阻傳感器A/D轉換器測量路數多、電路簡單，滿足項目總體任務要求。

3 系統軟件設計

無線測溫系統的軟件設計主要包含兩部分，溫度采集終端上的嵌入式系統軟件和設備管理軟件平臺上的應用軟件，其中溫度采集終端上的嵌入式系統軟件主要負責溫度的采集、報警檢測和數據上傳的功能；設備管理軟件平臺上的應用軟件主要負責對溫度采集終端進行出廠初始化設置、用戶自定義溫度采集終端的系統工作參數(例如開機時間、關機時間和溫度測量間隔)，以及獲取溫度采集終端采集的溫度進行可視化的操作。軟件設計組成如圖3所示。

圖3 軟件組成示意圖

3.1 下位機軟件設計

下位機軟件設計是采用C程序設計語言開發。C程序設計語言具有十分豐富的基礎功能函數庫、編譯效率高、處理速度快，可移植性很好，且更具有模塊化的結構，可讀性更高，代碼更工整，很好的支持模塊化的程序設計，具有更好的擴展性，容易進行更改。就開發周期、靈活度以及可靠性等特征，重點開展了2種不同C語言編程方案的比較，比較結果如表11所示，無線透傳雖靈活度低，但其具有高可靠性且開發周期短的巨大優勢，因此可作為下位機軟件設計方案。

表11 兩種C語言編程方案特點對比分析

具體的下位機軟件編寫流程如下。

首先，選擇一款具有無線透傳功能的軟件，該軟件已經過長時間測量和使用功能完善，軟件性能穩定，因此只要在此基礎上開展少量適應性修改后就能滿足溫度采集、存儲功能，可放心使用；之后，使用cc-debugger仿真器完成該下位機軟件燒寫；最后利用廠家提供的軟件開展完成相關功能測試，至此，下位機軟件編寫完成。下位機軟件具有多路模擬量采集功能，可實現自組網，后對該軟件的串口讀寫功能進行了測試，其串口通信速率實測值為115 200 bps，不低于要求的57 600 bps，滿足項目總體任務要求。

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件設計和下位機軟件稍有不同，下位機軟件設計是基于C語言編制完成，而上位機軟件則是對C語言編程方案和Labview語言編程方案進行了對比分析，比較結果如表12所示。LabView為虛擬儀器編程專用軟件，圖形化編程，具有豐富的軟硬件接口子程序，可進行方便的斷口調試，且其開發周期較短，可作為此次無線測溫系統研制中上位機軟件設計編程首選方案。

上位機軟件采用Labview編程語言進行程序開發，首先完成軟件流程圖的設計編寫，在此基礎上，依次完成數據接收模塊、溫度修正模塊、溫度顯示模塊的設計編寫，且完成各模塊的組裝，生成可執行程序，最后完成了上位機軟件的功能測試。該上位機軟件具有熱敏電阻溫度值修正功能，能直接顯示各類的溫度數據，并能存儲及回放，其測試軟件界面如圖4所示。

表12 上位機軟件編程方案選擇調查表

圖4 上位機軟件界面

根據以上一系列對比分析選擇后，新型高精度輕質無線溫度傳感器的最佳方案，如圖5所示。

圖5 新型高精度輕質無線溫度傳感器最佳方案

4 測試與分析

4.1 ZigBee無線傳感器電路板實現

ZigBee無線傳感器電路板的設計在遵循電子產品通用設計流程圖(見圖6)的基礎上，針對無線射頻電路板的設計特點，按以下設計流程，對每一步進行了實施。

圖6 ZigBee無線傳感器電路板實現流程圖

對上述流程圖中設計的4層印制板部分進行詳細說明，將網絡表文件裝載后，對5種24只元器件進行印制板布局、繪制印制板邊框，確定印制板尺寸為20 mm×40 mm；然后設置印制板參數、各種焊盤的尺寸和印制線寬度；最后進行印制板布線，布線過程中需經常進行布線錯誤排查；完成布線并檢測無誤后，完成印制板設計，具體印制板設計如圖7所示。

圖7 無線傳感器印制板圖

之后，完成了無線溫度傳感器內導線焊接，印制板電源安裝，整器裝配。

最后使用測試儀器，完成了ZigBee無線測溫系統溫度采集裝置性能測試，結果如表13所示。

表13 無線測溫系統溫度采集裝置性能測試結果

4.2 溫度傳感器網絡聯試

熱敏電阻溫度傳感器存在很大的非線性，需要根據溫度使用范圍，通過軟件計算出最優的溫度補償點，因此裝配前需完成熱敏電阻溫度傳感器溫度參數擬合，裝配完成后，把熱敏電阻溫度傳感器溫度數據擬合公式導入軟件，用于后期溫度數值補償。

按照任務總體要求及航天系統設備聯試的統一技術要求，完成了對無線溫度傳感器的整機裝配和信號聯通性的測試，具體流程如圖8所示。

圖8 無線測溫系統整機裝配和信號聯通性測試流程

軟件中導入了溫度補償公式，無線測溫系統溫度采集裝置可實現自組網功能，并完成無線網絡下溫度數據采集，且采集到的溫度數據是經過補償修正后的準確的溫度數據。

4.3 無線測溫系統溫度采集裝置性能測試

按照項目總體及航天系統設備測試的統一技術要求，完成了對已加工的多個無線測溫系統重量、測溫精度、待機時間以及通信距離等基本技術指標及電氣性能的測試。首先完成了測量系統重量測定，得到了單路溫度傳感器重量(如表14所示)，表15給出了無線測量系統待機時間測量統計結果。

表14 無線測溫系統重量測量統計表

表15 無線測溫系統待機時間測量統計表

其中通信距離測試結果如圖9所示，對已生產的10塊無線測溫系統，其通信距離都大于100 m。且測溫精度測試顯示，在0～70 ℃內測量的溫度數據顯示，測溫精度優于0.6 ℃；表14顯示單路溫度傳感器重量約為1.5 g，表15顯示整體無線測溫系統待機時間大于300 h，滿足航天器測溫精度高、重量輕等要求。

圖9 無線測溫系統通信距離

5 結束語

針對當前航天運載器、航天器上傳統有線溫度數據采集系統重量大，布線復雜，影響系統可靠性等特點，設計并研制了可滿足航天應用需求的新型輕質無線測溫系統，該系統具有維護方便、安裝方便、測量精準等優點。本文對新型輕質無線測溫系統方案選擇，硬件及軟件設計進行了詳細描述。經實際測試后發現，本系統單路質量小于2 g，測溫精度優于0.6 ℃，待機時間長于300 h，極大的滿足了航天器中減重、測溫精度要求，應用前景廣闊。

不過目前輕質無線測溫系統還僅是處在試驗室測試階段，距離后續的飛行應用還需開展較多飛行測試試驗驗證。通過技術的不斷發展和完善，其將更好地為復雜航天器內各設備溫度測量和實時控制提供服務。