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[導(dǎo)讀]摘要:航空成像設(shè)備通常需要對溫度敏感區(qū)進(jìn)行分區(qū)控制。以往的溫度傳感器多采用熱敏電阻,它易損壞,長時間使用后需重新標(biāo)定,狹小空間下的多傳感器布線非常復(fù)雜,保證模擬信號遠(yuǎn)距離測量的精度在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上也比較困

摘要:航空成像設(shè)備通常需要對溫度敏感區(qū)進(jìn)行分區(qū)控制。以往的溫度傳感器多采用熱敏電阻,它易損壞,長時間使用后需重新標(biāo)定,狹小空間下的多傳感器布線非常復(fù)雜,保證模擬信號遠(yuǎn)距離測量的精度在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上也比較困難。提出了采用一種基于單總線技術(shù)的新型數(shù)字溫度傳感器DS18B20U的測溫系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于DS18B20U的單總線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有測量精度高,測溫范圍寬,布線少,無需標(biāo)定等特點(diǎn),特別適合航空成像設(shè)備在空間受限,多傳感器遠(yuǎn)距離布線特點(diǎn)下的溫度組網(wǎng)測量。
關(guān)鍵詞:單總線技術(shù);DS18820U;測量精度;測溫網(wǎng)絡(luò);溫度標(biāo)定

    航空相機(jī)在外場執(zhí)行任務(wù)時,由于季節(jié)、地域的不同,所處的外場環(huán)境溫度變化范圍很大。在偵察機(jī)升空拍照過程中,相機(jī)外表面溫度及濕度變化也很大。作為相機(jī)成像的關(guān)鍵組件,鏡頭的溫度變化和溫度梯度變化會造成像面離焦并產(chǎn)生像差,導(dǎo)致像質(zhì)變壞。盡管有溫度調(diào)焦補(bǔ)償,也不能完全消除這些影響。此外,航空電子設(shè)備故障率的50%~60%是熱管理問題,其中包括電子器件散熱和溫度保持。因?yàn)槟承╇娮悠骷恼9ぷ鳒囟确秶苷?,比如某種面陣CCD的正常工作溫度范圍是-10~+50℃,并且CCD輸出噪聲隨溫度升高變化明顯,影響相機(jī)成像質(zhì)量。綜上所述,對相機(jī)進(jìn)行溫度控制就顯得十分必要。傳統(tǒng)的航空設(shè)備溫度傳感器采用光敏電阻,比如美國RECON/OPTICAL公司的KS-146膠片相機(jī),由于相機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,所以傳感器布線長度受限,只配備兩個傳感器,安裝在鏡頭附近,這樣不能準(zhǔn)確掌握所有鏡頭組件的溫度變化,且長期使用后需要重新標(biāo)定傳感器,傳感器的拆卸工作也非常困難?;趩慰偩€技術(shù)的溫度傳感器DS18B20U可以很好地滿足航空相機(jī)溫度控制的要求。單總線是一種特殊的串行數(shù)據(jù)通信方式,是美國Dallas公司專有的總線技術(shù),它將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線、電源線(寄生電源方式下)合為一根信號線,允許在這根信號線上掛數(shù)百個測控對象,芯片抗干擾性能好;具有CRC校驗(yàn)功能,可靠性高;軟件設(shè)計規(guī)范,可以與DSP等數(shù)字控制芯片無縫連接。在測量溫度不超過100℃環(huán)境下,還可以采用寄生電源供電模式,即不用外部電源線,只用一根信號線作為通信和供電通道,極大地降低了布線難度。

1 系統(tǒng)設(shè)計
    航空CCD相機(jī)主要由機(jī)身組件、掃描頭組件、鏡頭組件、快門組件、檢調(diào)焦組件、CCD組件、溫控艙組件等組成。其中,溫度敏感區(qū)包括CCD組件,鏡頭組件和電控箱組件,需要對這些區(qū)域進(jìn)行溫度實(shí)時測量和控制。測溫采用分區(qū)控制策略,以鏡頭組件為例,其中在關(guān)鍵位置上共安裝6個傳感器,實(shí)時測量鏡頭的溫度水平和溫度梯度,并把溫度信號傳送控制器進(jìn)行溫度顯示和控制。圖1是相機(jī)溫控系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)框圖。


1.1 DS18B20U介紹
    DS18B20U是DS18B20系列產(chǎn)品中的一種,采用μSOP封裝,這種封裝只有3.0 mm×5.0mm的水平尺寸,高度小于1.2 mm。非常適合用于集成度高,對尺寸要求嚴(yán)格的場合。它采用單總線的獨(dú)特連接方式,可以方便地組建傳感器網(wǎng)絡(luò),特別適合與微處理芯片構(gòu)成多點(diǎn)溫度測控系統(tǒng)。測溫范圍為-55~+125℃,9~12位分辨率可選,12位時測量精度可達(dá)0.062 5℃,固有測溫分辨率為0.5℃,供電電壓范圍為3.0~5.5 V,有電源模式和寄生電源供電模式兩種,用戶可編程溫度上下限報警設(shè)定功能。
1.2 單總線原理
    單總線系統(tǒng)利用一根總線主控制器控制多個被控器,其中DS18B20U作為被控器,并且所有數(shù)據(jù)和命令的發(fā)送都是低位在前。區(qū)分掛在單總線上的不同器件是單總線技術(shù)的一個很重要部分。為了區(qū)分不同器件,單總線器件在制作時都用激光刻錄1個64位的二進(jìn)制代碼,是惟一的序列號。序列號的格式是:從低位起第1個字節(jié)(8位)是單總線器件的家族代碼,表示產(chǎn)品的分類;緊接著的6個字節(jié)(48位)是每個單總線器件的全球惟一序列號,確保每一個器件被惟一地識別出來;最后一個字節(jié)(8位)是前56位的CRC校驗(yàn)碼,用于確保數(shù)據(jù)通信的正確。由上可知,每一種單總線器件類型都有多達(dá)248個ID號,這足以解決單總線上的地址沖突問題。
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2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    系統(tǒng)硬件主要包括控制器、溫度傳感器、加熱片等??刂破鞑捎肈SPTMS320F2812。在相機(jī)中的一個溫控區(qū)域布置多個傳感器實(shí)時采樣,根據(jù)多次測量的平均值,通過控制器調(diào)節(jié)輸出PWM脈寬,以控制加熱片的輸出,從而控制相機(jī)敏感區(qū)的溫度。其中,相機(jī)鏡頭組件區(qū)域的溫度測量示意圖如圖2所示。


    6只傳感器根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)熱分析結(jié)果,布置在鏡頭組件的不同位置上。為了最大限度方便布線,傳感器采用寄生電源供電,即電源端與接地端相連,并接到最近的相機(jī)本體上。利用相機(jī)本體接地的特點(diǎn),用一根信號線連接6只傳感器,利用DSP上的一個I/O口采集溫度信號。其中,SN74LVC4245A作為雙向電平轉(zhuǎn)換隔離器件,提高了對傳感器的驅(qū)動能力,對傳感器采用5 V電平信號驅(qū)動。MOSFET的作用是增強(qiáng)了總線上拉能力,保證了總線空閑時強(qiáng)上拉狀態(tài),提高了寄生電源模式下對傳感器的供電能力。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)對DS18B20U各種操作必須按如下順序進(jìn)行:初始化DS18820U;發(fā)ROM功能命令;發(fā)存儲器操作命令;處理數(shù)據(jù)執(zhí)行。
    由于DS18B20U對操作的時序性要求很高,所以主CPU經(jīng)過單總線接口訪問DS18B20U的工作流程必須要遵守嚴(yán)格的操作順序,如果順序中任意一步缺少或順序錯亂,DS18B20U將不會響應(yīng)。首先將DS18B20U逐個掛接在主機(jī)上,以讀出其序列號。其工作過程為:主機(jī)發(fā)出一個不小于480μs的低電平信號,復(fù)位DS18B20U。然后主機(jī)釋放總線,進(jìn)入接收模式,這時總線被上拉電阻和MOSFET管共同拉高,當(dāng)DS18B20U探測到這個上升沿的時候,等待15~60μs后發(fā)送一個器件存在脈沖信號,把總線拉低大約60~240μs,表示器件已經(jīng)正常掛接到總線上,當(dāng)DS18B20U所發(fā)響應(yīng)脈沖由主機(jī)接收后,主機(jī)再發(fā)讀ROM命令代碼33H,然后發(fā)一個脈沖,接著讀取DS18B20U序列號的1位。用同樣的方法讀取序列號的56位。由于DS18B20U單總線通信功能是分時完成的,需要遵循嚴(yán)格的時序。讀取器件序列號的程序流程如圖3所示。


    DS18B20U的命令中允許對所有在線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一操作,利用的是跳過ROM命令(命令為CCH),即后面的操作是面對總線上所有的DS18B20 U。命令序列先跳過ROM,啟動總線上所有DS18B20U進(jìn)行溫度測量,然后通過匹配ROM,再逐一讀取DS18B20U的溫度數(shù)據(jù)。這種方式使采集的溫度數(shù)據(jù)具有很好的同步性,而且節(jié)省時間。讀取多傳感器溫度信號的軟件流程如圖4所示。[!--empirenews.page--]
    現(xiàn)以初始化器件程序?yàn)槔?,圖5給出對器件的初始化時序。


    初始化時,首先主控器拉低總線至少480μs,然后釋放總線進(jìn)入接收狀態(tài),總線在上拉電阻的作用下產(chǎn)生一個上升沿,DS18B20U檢測到這個上升沿后,等待15~60μs發(fā)出一個代表器件存在脈沖拉低總線約60~240μs,表示器件正常掛接,初始化部分程序代碼如下:
   

4 高溫試驗(yàn)
    根據(jù)相機(jī)環(huán)境適應(yīng)性要求,通過對相機(jī)進(jìn)行高溫試驗(yàn)來檢測傳感器的工作情況。利用傳感器網(wǎng)絡(luò)采集溫度數(shù)據(jù),通過串口通信,實(shí)時傳送到上位機(jī)顯示。在室溫20℃時,相機(jī)放入溫度箱進(jìn)行高溫試驗(yàn),設(shè)定目標(biāo)溫度為70℃,溫升速度為1℃/m。在高溫試驗(yàn)過程中,鏡頭組件中的一個溫度傳感器顯示溫度曲線如圖6所示。



5 結(jié)語
    單總線的溫度傳感器DS18B20U體積小,精度高,不需要A/D轉(zhuǎn)換和標(biāo)定的優(yōu)點(diǎn),適合遠(yuǎn)距離多傳感器下的溫度測量,使用寄生電源模式下,可使接線更加簡單。試驗(yàn)結(jié)果顯示,該傳感器滿足空間狹小,傳感器布置多,且測量距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)下航空相機(jī)的溫度測量與控制。

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