空間相機(jī)溫控系統(tǒng)的軟件設(shè)計思路與方法

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(北京空間機(jī)電研究所 先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點(diǎn)實驗室，北京100094)

引 言

空間相機(jī)溫控系統(tǒng)的控溫精度和可靠性對保證空間相機(jī)正常工作有著重要意義[1]。為使相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)維持在穩(wěn)定的溫度水平以保障成像品質(zhì)，一般重要部件都采用直接或間接的主動控溫加熱回路，即根據(jù)反饋的控溫點(diǎn)測量溫度精確補(bǔ)償熱量損失，實現(xiàn)關(guān)鍵部件溫度的精確控制[2]。

相機(jī)控溫系統(tǒng)的性能主要取決于3個方面：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、熱敏電阻的溫度解算精度和溫控策略。本文主要介紹一種通用的溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計和實現(xiàn)方法，描述了空間相機(jī)溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，結(jié)合測溫精度、測溫范圍、存儲空間、工作量等綜合因素選擇最優(yōu)的溫度標(biāo)定與解算方法，結(jié)合系統(tǒng)特性和控溫精度選擇合適的溫控策略，并介紹了軟件實現(xiàn)方法以及設(shè)計實現(xiàn)過程需要注意的問題。實踐證明，該方法適用于空間相機(jī)溫控系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實現(xiàn)。

1 空間相機(jī)溫控系統(tǒng)

空間相機(jī)溫控系統(tǒng)由相機(jī)控溫儀、相機(jī)主體、主體測溫接口和主體控溫接口等構(gòu)成，溫控系統(tǒng)組成原理圖如圖1所示。其中相機(jī)控溫儀是空間相機(jī)溫控系統(tǒng)的核心，一般包括管理CPU電路模塊、測溫及控溫電路模塊、供電模塊。管理CPU電路采用51系列單片機(jī)80C32作為處理核心，由于80C32具有良好的穩(wěn)定性和多次使用經(jīng)驗，其在空間相機(jī)溫控系統(tǒng)乃至航天領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用，CPU電路與衛(wèi)星數(shù)管分系統(tǒng)總線接口采用1553B或CAN總線形式，衛(wèi)星為控溫儀提供一次電源接口。

圖1 空間相機(jī)溫控系統(tǒng)組成原理圖

系統(tǒng)的測溫原理是根據(jù)熱敏電阻在不同溫度具有不同的電阻值來確定對應(yīng)溫度值[3]。為了便于測量，將熱敏電阻Rx串聯(lián)一個10 kΩ的精密電阻進(jìn)行分壓，同時為了消除電纜長度、環(huán)境溫度等因素的影響，系統(tǒng)采用兩個標(biāo)準(zhǔn)精密電阻R0和R1對熱敏電阻的測量值進(jìn)行校正，其中A/D轉(zhuǎn)換電路采用AD1674，并選擇12位量化，以獲得高精度的測量值。CPU通過控制相應(yīng)通道，啟動A/D轉(zhuǎn)換裝置，讀取Rx、R0和R1的電壓采集值Vx、V0和V1，并采用式(1)對Vx進(jìn)行校正，以消除誤差，其中V0s、V1s為標(biāo)準(zhǔn)回路R0、R1的電壓測量值，Vx0為校正后的電壓值。

(1)

圖2為測溫控溫原理圖，CPU通過測溫點(diǎn)上熱敏電阻的電壓值獲取溫度，與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，判斷是否需要加熱，并通過控溫驅(qū)動電路控制加熱片的通斷將溫度控制在目標(biāo)溫度。

圖2 測溫控溫原理圖

2 溫度標(biāo)定與解算

溫度標(biāo)定與解算是控溫流程中的重要環(huán)節(jié)，只有該環(huán)節(jié)做到精確才能保證測溫精度，進(jìn)而保證控溫的精度[4]。

空間相機(jī)溫控系統(tǒng)的測溫流程一般分為以下3步：

① 進(jìn)行A/D采集、校正和濾波，獲得當(dāng)前溫度下的穩(wěn)定電壓碼U；

② 根據(jù)標(biāo)定所得的R-U轉(zhuǎn)換系數(shù)，解算出該電壓碼對應(yīng)的熱敏電阻阻值R；

③ 根據(jù)熱敏電阻自身特性參數(shù)，計算出熱敏電阻對應(yīng)的溫度T。

熱敏電阻是一種電阻值隨溫度變化的電子元件，工程實踐中經(jīng)常用到的是MF61和B6兩種類型的熱敏電阻，這兩種熱敏電阻T-R的換算關(guān)系如式(2)和式(3)所示。由公式可知，溫度值越高熱敏電阻值越低，該類型的熱敏電阻為負(fù)系數(shù)熱敏電阻。其中T為攝氏溫度，R為熱敏電阻阻值，a、b、c為給定的換算系數(shù)，由于該系數(shù)為廠家給定的表示熱敏電阻特性的參數(shù)，所以認(rèn)為通過該系數(shù)換算出的溫度T和電阻值R的誤差是極小的、可以忽略的。那么，通過標(biāo)定得到R-U的轉(zhuǎn)換系數(shù)，就成為決定測溫精度的關(guān)鍵步驟。

(2)

(3)

由于電路、器件及熱敏電阻的特性存在的細(xì)微差異，所以在精度要求較高的情況下，R-U的轉(zhuǎn)換關(guān)系無法簡單用同一個公式表示。常用到的溫度標(biāo)定與解算方法有查表法和多項式擬合法兩種。但是由于查表法需要存儲各個測溫點(diǎn)的電壓U和電阻值R的對應(yīng)關(guān)系，溫度間隔選取過大，則影響測溫精度，溫度間隔選取過小，則需要存儲大量數(shù)據(jù)。在測溫路數(shù)多，測溫范圍大的情況下，需要占用的程序存儲空間相當(dāng)可觀。另外在測溫精度要求較高的情況下，該方法也無法滿足精度要求。多項式擬合法可以很好地解決上述問題，是普遍被采用的一種方法[4]。根據(jù)式(2)和式(3)的反函數(shù)可以求得在特定溫度點(diǎn)下對應(yīng)的熱敏電阻阻值的合集，在工程實踐中，根據(jù)測溫精度的要求進(jìn)行溫度間隔的選取。

多項式擬合法標(biāo)定過程一般分為以下3步：

① 選取標(biāo)定溫度點(diǎn)T的合集，并計算取得各個溫度點(diǎn)對應(yīng)的熱敏電阻阻值R；

② 使用精密電阻箱模擬熱敏電阻接入測溫電路，測得各個阻值下對應(yīng)的電壓碼U；

③ 使用MATLAB中polyfit(x,y,n)函數(shù)[5-6]，對電壓碼U和電阻值R進(jìn)行多項式擬合，根據(jù)測溫誤差和存儲空間確定合適的擬合次數(shù)，從而確定R-U的擬合系數(shù)。

以某型號控溫儀為例，要求測溫精度在0～30 ℃范圍內(nèi)優(yōu)于±0.2 ℃，在-40～0 ℃、30～70 ℃范圍內(nèi)優(yōu)于±0.5 ℃。由于測溫精度要求不同，并且測溫范圍較廣，根據(jù)實踐經(jīng)驗，采取分段擬合結(jié)合差值擬合的方法。

分段擬合：根據(jù)測溫精度將測溫范圍分為3段，為-40～0 ℃、0～30 ℃和30～70 ℃。

差值擬合：將測溫點(diǎn)以1 ℃為間隔進(jìn)行標(biāo)定，在得到標(biāo)定數(shù)據(jù)后，在-40～0 ℃、30～70 ℃范圍內(nèi)通過線性差值得到每0.5 ℃的電壓數(shù)據(jù)，在0～30 ℃范圍內(nèi)通過線性差值得到每0.2 ℃的電壓數(shù)據(jù)，這樣不僅保證了測溫精度，也大大減少了標(biāo)定工作量。

以某一路控溫回路0～30 ℃溫度區(qū)間為例，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了多項式擬合，擬合次數(shù)分別為1～10次，根據(jù)擬合系數(shù)計算出測溫誤差，如表1所列。從表1中可以看出，3次及3次以上的擬合誤差均在允許范圍內(nèi)，4～10次的擬合誤差明顯優(yōu)于3次擬合，但是4～10次擬合之間的誤差并沒有明顯區(qū)別。選取合適擬合次數(shù)的原則是在滿足精度要求的前提下，兼顧數(shù)據(jù)存儲量和計算量。4次擬合需要存儲5個浮點(diǎn)型的數(shù)據(jù)，10次擬合需要存儲11個浮點(diǎn)型的數(shù)據(jù)，因此選取4次擬合更為合適。使用4次擬合所得系數(shù)計算0～30 ℃各溫度點(diǎn)的誤差，各個溫度點(diǎn)的誤差均在-0.03～0.02 ℃之間，優(yōu)于±0.2 ℃的要求，如圖3所示。

表1 0～30 ℃區(qū)間1～10次擬合誤差(單位：℃)

圖3 4次擬合條件下0～30 ℃各溫度點(diǎn)測溫誤差

3 溫控策略

在空間相機(jī)溫控系統(tǒng)中，一般包含多個控溫回路，選擇合適的溫控策略是保證控溫精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，常用的溫控策略有開關(guān)控制、比例控制和PID控制，工程實踐中經(jīng)常用到的溫控策略是開關(guān)控制結(jié)合比例控制或者開關(guān)控制結(jié)合PID控制。無論采用哪種溫控策略，都需要確定一個固定的控溫周期t，在當(dāng)前周期輸出上一周期計算出的加熱時間，并計算出所有控溫回路的加熱時間，在下一周期進(jìn)行輸出?？販刂芷趖需要根據(jù)測控溫回路數(shù)進(jìn)行合理的選擇，一般在滿足熱控需求的條件下，應(yīng)大于所有回路的測溫周期。如果選擇的控溫周期過小，則可能在當(dāng)前周期計算加熱時間的時候，使用的是上一周期的溫度量，導(dǎo)致連續(xù)兩個控溫周期內(nèi)輸出的加熱時間相同，增加了CPU無用的操作；如果選擇的控溫周期過大，則溫度的變化不能及時進(jìn)行反饋，影響控溫效果。

開關(guān)控制方法：如果當(dāng)前溫度低于設(shè)定溫度，則下一控溫周期加熱時間為控溫周期t；如果當(dāng)前溫度高于設(shè)定溫度，則下一控溫周期加熱時間為0。

比例控制方法：根據(jù)當(dāng)前溫度和控溫閾值上下限的關(guān)系求得加熱時間，其中Tmax、Tmin、Tcur分別為控溫閾值上下限和當(dāng)前溫度，計算方法見式(4)。

(4)

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開關(guān)比例控制方法或開關(guān)PID控制方法：如果當(dāng)前溫度在控溫閾值上下限之外，則采用開關(guān)控制；如果當(dāng)前溫度介于控溫閾值上下限之間，則采用比例控制或PID控制，PID控制的設(shè)定溫度應(yīng)為控溫閾值上下限的中心值。

開關(guān)比例控制是一種通用的控制方法，具有控制簡單、成熟可靠的優(yōu)點(diǎn)，對大多數(shù)控溫對象都有較好的控溫效果。開關(guān)PID控制方法具有響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)動作迅速、消除穩(wěn)態(tài)誤差，并預(yù)測誤差的變化趨勢、避免嚴(yán)重超調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，但要達(dá)到良好的控溫效果，需要對PID參數(shù)在真實環(huán)境中進(jìn)行參數(shù)整定，其工作量明顯大于開關(guān)比例控制方法。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)控溫精度要求和控溫效果來選擇不同的溫控策略。

以某型號控溫儀為例，要求0～30 ℃范圍內(nèi)測溫精度優(yōu)于±0.2 ℃，該型號采用的是開關(guān)比例控制方法，如表2所列，選取9個不同控溫點(diǎn)為例，在各個控溫點(diǎn)下的控溫效果都滿足要求。

表2 不同控溫點(diǎn)下的控溫效果 (單位：℃)

4 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

溫控系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)方法是在主程序中循環(huán)采集更新各個測溫回路的溫度量，溫度屬于緩慢變化量，不需要極高的實時性，結(jié)合各種數(shù)字處理方法的優(yōu)缺點(diǎn)，軟件采用了去極值平均濾波法，在消除偶然脈沖干擾和周期性干擾的同時，在一定程度上作數(shù)據(jù)平滑處理，根據(jù)溫度量的緩變特性，增加遞推平均濾波環(huán)節(jié)，進(jìn)一步加強(qiáng)濾波效果。溫度采集模塊流程如圖4所示。

為了保證控溫效果和控溫周期，各個回路的加熱時間計算和輸出都要求及時準(zhǔn)確，所以這部分工作應(yīng)該在定時器中斷中完成。對于每一路控溫回路，根據(jù)當(dāng)前控溫回路的溫度值和設(shè)定溫度的關(guān)系決定下一周期的加熱時間。通常將控溫周期等分成若干個時間片，根據(jù)加熱時間在各個時間片內(nèi)輸出加熱或不加熱。為防止溫控系統(tǒng)軟件在軌運(yùn)行期間輸出異常，影響控溫效果，需要在每個時間片對所有回路的加熱狀態(tài)輸出，將異常情況的影響控制在一個時間片內(nèi)。整個控溫過程就是循環(huán)執(zhí)行上述步驟。控溫模塊流程如圖5所示。

圖4 溫度采集模塊流程圖

圖5 控溫模塊流程圖

以某型號控溫儀為例，其含有96個控溫回路，處理器采用單片機(jī)80C32[7-9]，主頻為12 MHz，定時器中斷執(zhí)行時間主要受控溫回路數(shù)量影響。由于控溫儀軟件除了測控溫功能之外，還需要與衛(wèi)星進(jìn)行總線通信，如果長時間處理定時器中斷服務(wù)程序，可能會導(dǎo)致指令接收響應(yīng)延遲，甚至丟失指令。在控溫回路較多的情況下，可以將該程序功能再進(jìn)行細(xì)化，使其分配到多個更小的時間片中，使軟件既能滿足執(zhí)行指令要求，又能保證控溫的實時性。

結(jié) 語

董婷、柴鳳萍(工程師)，李愷(高級工程師)：主要研究方向為空間遙感相機(jī)軟件設(shè)計。