船用光纖陀螺精密溫控系統的設計與實現

程建華，陳 李，李明月

（哈爾濱工程大學 自動化學院，哈爾濱 150001）

高精度光纖陀螺儀是構成船用捷聯式慣導系統的核心慣性器件，它利用固態的全光纖結構實現載體旋轉角速度的測量，具有啟動快、體積小、質量輕、可靠性高、功耗低、壽命長、動態范圍大、耐沖擊等優點，是工程應用的理想慣性器件。但是，構成光纖陀螺儀的核心部件對溫度敏感，溫度的變化會引起材料物理參數、工作狀態的變化以及結構零件的形變，這些變化會造成光路的變化與激光能量的非均勻損耗，使光纖陀螺產生非互易性效應，降低光纖陀螺的輸出精度。因此溫度成為了高精度光纖陀螺儀工程化過程中所面臨的主要問題之一[1-2]。

由于建立光纖陀螺準確的溫度補償模型比較困難，很難在全溫度范圍內實現陀螺漂移的精確補償，尤其是高精度光纖陀螺[3]。因此，采用溫度控制方式，提供恒定的溫度環境，從而減小陀螺隨溫度變化而產生的漂移誤差，對于保障高精度光纖陀螺的使用特性，具有非常實際的應用價值[4]。

1 總體方案設計

針對高精度光纖陀螺的使用要求，以半導體制冷器為溫控執行元件，以TMS320C6713B為控制芯片[5-6]，設計了一適用于光纖陀螺捷聯慣導系統的小型精密溫度控制系統。系統總體設計方案如圖1所示。

圖1 精密溫控系統總體方案設計圖Fig.1 General design of precision temperature control system

精密溫控系統由信號采集模塊完成溫度信號采集，為了提高溫度測量精度，采用Pt1000精密鉑電阻作為溫度敏感元件，通過三線制惠斯通電橋和ADS8344完成阻值信號采集、放大和發送。

數據處理由 TMS320C6713B數字信號處理器完成，通過多通道緩沖串行端口 McBSP完成信號采集和溫度數據發送，并同時完成溫度采集數據的濾波和溫度控制量計算，由GPIO實現控制信號輸出。

溫控執行模塊負責對溫控箱體進行溫度控制。考慮到光纖陀螺對工作環境溫度的要求，采用半導體制冷器TEC作為溫控執行器件，具備加熱和制冷功能，并具有體積小，無機械轉動部件以及使用壽命長等優點，并通過反相器、光耦和H橋實現TEC的信號控制。

2 信號采集模塊設計

采用惠斯通電橋實現鉑電阻信號的測量，由于使用三線制接入方式，可有效減小導線電阻對測溫精度的影響，如圖2所示。圖2中Rt為測溫元件鉑電阻，R1、R2、R3為電橋橋臂；測溫電橋中取R1=R2，在0°C時Rt≈R3，電橋處于平衡狀態；

當溫度發生變化時，測溫元件Pt1000阻值會相應發生變化，于是溫度量變化就轉為化Pt阻值變化，進而導致電橋不平衡，于是電橋兩端出現電壓的變化，此時電橋電路的輸出與輸入關系為：

式中：ΔR為鉑電阻阻值變化量。

在圖2所示的測溫電橋中，在0～50°C時，ΔR最大可達194Ω，為有效保證測溫電橋的線性度和靈敏度，取R1=R2=5.1kΩ，而由0℃時Rt≈R3的條件，取R3=1.0kΩ。

圖2 三線制測溫電路原理圖Fig.2 Principle diagram of three-wire temperature measurement circuit

通過測溫電橋，將阻值變化量轉化為電壓變化量，經放大后傳送給多通道模數轉換芯片 ADS8344進行采集，轉化為數字量傳送給DSP芯片。

ADS8344是具有多個模擬信號輸入通道的16位逐次逼近型的模數轉換芯片，其最大采樣頻率為 100 kHz，能夠滿足溫度信號采集精度要求。

TMS320C6713B通過設置串口控制寄存器（SPCR）的 CLKSTP位，使得 McBSP模塊工作在SPI模式下，進而通過SPI協議與ADS8344進行通信。考慮到系統中會有高頻噪聲干擾，在A/D芯片的模擬信號輸入端接入0.1 μF電容進行濾波，模擬信號轉換為數字信號的電路圖如圖3所示。

圖3 模數轉換電路原理圖Fig.3 Principle diagram of analog-to-digital conversion

ADS8344的串口通信流程為，當CS為低時，DSP由DX管腳發送串行命令字到A/D的DIN管腳，并寫入A/D的控制寄存器，A/D根據命令字控制采集通道采樣完成后進行模數轉換；當BUSY管腳產生一個下降沿信號后模數轉換完成，A/D芯片通過DOUT管腳將數據傳送到DSP芯片的DR管腳，即完成了一次數據采集過程。

由于采用McBSP與A/D連接進行信號采集，且采用 SPI協議進行通信，所占用的管腳只有 4個，ADS8344是16位多通道的逐次逼近型串行模數轉換芯片。這樣在軟件編寫上更加簡單明了容易實現，在硬件電路上簡化了電路連接，減少了電路中元器件，使硬件資源得到更加合理的運用。

3 數據處理模塊設計

3.1 DSP系統設計

采用 TI公司的 32位浮點型高性能芯片TMS320C6713B作為數據處理模塊的核心，構建其應用系統包括以下部分：

電源和復位電路：采用雙電源電路對芯片進行供電，包括3.3 V的外設電壓和1.2 V的核心電壓。采用RC電路作為自動復位電路使在DSP上電時刻回到初始狀態。

時鐘模塊：使用 25 MHz的外部時鐘信號，經TMS320C6713B內部鎖相環時鐘發生電路進行 5倍頻，產生CPU的工作時鐘頻率125 MHz。

PLL濾波回路：在供電電路中加入 EXCCET103U型電磁兼容濾波器對3.3 V電源進行濾波器，得到平穩的電壓信號，以滿足PLLV管腳對供電電壓的嚴格要求。

JTAG仿真電路：基于IEEE1149.1標準的一種邊界掃描測試方式，用于訪問DSP的所有資源，進而提供一個實時的硬件仿真與調試環境。

FLASH回路：選用AMD的AML29LC160D芯片存儲程序，以防止系統掉電后DSP芯片寫入程序的丟失。

串口通信電路：由TMS320C6713B的McBSP模塊通過串口電壓轉換芯片MAX3232將測溫數據和控制信息發送至上位機進行狀態監測。

3.2 測溫數據平滑

測溫電路在工作過程中，不可避免的受到電源穩定性、外部電磁干擾等的影響，因此A/D采集數據存在一定的噪聲。

根據對測溫數據噪聲的頻域分析結果，在不影響控制回路特性的情況下，采用巴特沃斯低通濾波器完成對測溫數據的高頻去噪[7]。濾波器設計結果為：

將設計的低通濾波器用于對溫度數據進行數字濾波處理，得到如圖4所示的信號處理結果。

圖4 測溫數據濾波效果圖Fig.4 Filter result of temperature data

3.3 測溫補償設計

對溫度測量數據進行標校補償是實現精密溫控系統的一個關鍵環節。在實際設計測溫電路時，很難保證橋臂阻值與設計值完全吻合，因此測量結果與溫度絕對值之間會產生差異。采用測溫補償的方法能有效的完成對測量結果的準確補償。

由于采用恒溫控制方式，因此在控溫點附近對測溫結果進行補償，可獲得更高的溫度補償精度。而對于離控溫點較遠的溫度點，即使補償效果不理想，對控溫效果影響也不大。利用測溫回路在小溫度范圍內可近似為線性的特性，對實測溫度采取最小二乘法擬合，找出實測數值與真實數值的關系；在采集溫度數值后，由DSP內部進行數學校正處理。

選用28.96℃、37.31℃和43.03℃三個位置對測溫結果進行校準，校準結果如圖5所示。采用線性擬合法在三個溫度點的擬合誤差分別為 0.02℃、0.01℃和-0.023℃。

圖5 測溫曲線擬合結果Fig.5 Fitting output of temperature curve

通過對溫度測量數據的平滑處理和標校補償，能得到準確的溫度測量值，與設定溫度做差后，可計算出控制量，由溫控執行模塊實現溫度控制。

4 溫控執行模塊設計

4.1 溫控驅動器件

由于設定溫度可能高于或低于環境溫度，采用半導體制冷器（TEC）作為溫控執行元件，實現對溫控箱體的加熱或致冷。

半導體制冷是一種基于鉑爾貼效應的技術，它將一個P型半導體和一個N型半導體用銅聯結片焊接成電偶對，當接通直流電源時，電子由負極出發，首先經過P型半導體，在此吸收熱量，到了N型半導體，又將熱量放出，從而實現熱量自冷端至熱端的轉移。

4.2 溫控驅動電路

TEC的驅動采用 H橋，H橋可輸出兩個方向的PWM波，通過控制施加在TEC兩端電壓時間長短和電壓的方向實現對TEC工作狀態的控制，H橋驅動原理如圖6所示。

圖6 H橋驅動電路原理圖Fig.6 Principle chart of H bridge

流過TEC的電流方向由驅動信號V1和V2決定。當V1為正，V2為負時，電流方向為線路1的方向，此時TEC表現為致冷特性；相反，若驅動信號V1為負，V2為正，則電流方向為線路2，TEC表現為加熱特性。MOSFET管RF9540N和IRF540N的導通電阻低、負載電流大，并且開通關斷時間均為納秒級，能夠滿足PWM對H橋精確時間控制的要求。

圖7 溫度控制驅動電路Fig.7 Drive circuit of temperature control

溫度控制驅動電路原理如圖 7所示，由于 GPIO管腳的輸出電壓低，不能夠起到驅動電路的作用，選用SNJ54LS04反相器芯片對DSP輸出的電壓進行放大，以提高其驅動能力。TLP521-4是多路光電耦合器集成芯片，當其輸入端收到來自反相器的電壓信號時，其發光二極管發出光線，光電三極管接收后就產生光電流，從輸出端輸出，從而實現“電→光→電”的轉換，這樣就實現DSP系統芯片與后端執行電路的有效隔離，起到了保護DSP芯片的作用。

4.3 溫控結構設計

溫控箱體采用帶有保溫夾層的兩層金屬結構，IMU直接固定在箱體的內殼上，在箱體的每個面均安裝有齒式散熱片，用于溫控箱體散熱，箱體內部安裝光纖陀螺 IMU慣性測量組件。箱體的內外殼體采用熱絕緣螺栓固定，中間灌注聚乙烯保溫泡沫，作為保溫夾層，以防止環境溫度的干擾以及制冷器熱端的熱量回流，如圖8所示。測溫元件直接嵌入在溫箱內殼體中，用于敏感內殼體（即TEC冷端）的溫度，制冷組件鑲嵌在溫箱內殼體和齒式散熱器之間，三者通過擠壓和增設導熱橡膠的方式保持緊密接觸。

圖8 溫控箱體結構示意圖Fig.8 Sketch plan of system structure

5 系統實驗

采用ESPEC公司的SET-Z-021UF型高低溫箱（控溫精度優于0.5℃）提供變溫環境，在-10～50℃的范圍內進行變溫實驗，通過帶溫控和不帶溫控兩種條件下的加速度計和陀螺儀輸出精度驗證溫控系統的性能。環境溫度條件如圖9所示，變溫環境下的溫控測溫結果如圖10所示，兩種情況下的Z軸加速度計輸出和X陀螺比對輸出如圖11、圖12所示。

圖11 z 軸加速度計原始數據輸出Fig.11 Raw output of z-axis accelerator

圖 12 x陀螺原始數據輸出Fig.12 Raw output of x-axis gyro

通過圖12所示的溫控測溫結果可以看出，變溫條件下的精密溫控系統精度優于 0.1℃，達到了預期的設計指標。而通過圖11、圖12的比對結果可以看出，帶溫控情況下的加速度計及陀螺輸出精度明顯優于不帶溫控條件下的輸出精度。因此，精密溫控系統很好的保障了慣性元器件的工作環境溫度。

6 結 論

本文以提高船用光纖陀螺精度為目標，開展精密溫度控制系統的設計與實現。針對恒定溫度設計，從精密測溫、精密控溫兩方面開展系統設計，完成了系統的軟硬件及結構設計。實驗結果證實了精密溫控系統的有效性，提高了光纖陀螺儀的精度。本系統的成功設計為類似的溫度控制系統提供了有益的參考。

（References）：

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[2] Blin S, Digonnet M J F, Kino G S. Noise analysis of an air-core fiber optic gyroscope[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2007, 19(9): 1520-1522.

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[7] 程建華，羅立成，王鑫哲. 高精度溫度測量系統的測溫補償算法研究[J]. 傳感器與微系統，2010，29(11)：36-39.CHENG Jian-hua, LUO Li-cheng, WANG Xin-zhe.Research on temperature compensation algorithm of high-precision temperature measurement system[J].Transducer and Microsystem Technologies, 2010,29(11): 36-39.