單總線技術(shù)在航空相機溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：航空成像設(shè)備通常需要對溫度敏感區(qū)進行分區(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，保證模擬信號遠距離測量的精度在技術(shù)實現(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)。實驗結(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，特別適合航空成像設(shè)備在空間受限，多傳感器遠距離布線特點下的溫度組網(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。在偵察機升空拍照過程中，相機外表面溫度及濕度變化也很大。作為相機成像的關(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。因為某些電子器件的正常工作溫度范圍很窄，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，影響相機成像質(zhì)量。綜上所述，對相機進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，由于相機結(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。基于單總線技術(shù)的溫度傳感器DS18B20U可以很好地滿足航空相機溫度控制的要求。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相機主要由機身組件、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)域進行溫度實時測量和控制。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行溫度顯示和控制。圖1是相機溫控系統(tǒng)的實驗框圖。

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。控制器采用DSPTMS320F2812。在相機中的一個溫控區(qū)域布置多個傳感器實時采樣，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，從而控制相機敏感區(qū)的溫度。其中，相機鏡頭組件區(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，并接到最近的相機本體上。利用相機本體接地的特點，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的作用是增強了總線上拉能力，保證了總線空閑時強上拉狀態(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逐個掛接在主機上，以讀出其序列號。其工作過程為：主機發(fā)出一個不小于480μs的低電平信號，復(fù)位DS18B20U。然后主機釋放總線，進入接收模式，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)脈沖由主機接收后，主機再發(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)點進行統(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)以初始化器件程序為例，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
    根據(jù)相機環(huán)境適應(yīng)性要求，通過對相機進行高溫試驗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，實時傳送到上位機顯示。在室溫20℃時，相機放入溫度箱進行高溫試驗，設(shè)定目標(biāo)溫度為70℃，溫升速度為1℃／m。在高溫試驗過程中，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，適合遠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，且測量距離遠等特點下航空相機的溫度測量與控制。