空間相機溫控系統的軟件設計思路與方法

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(北京空間機電研究所 先進光學遙感技術北京市重點實驗室，北京100094)

引 言

空間相機溫控系統的控溫精度和可靠性對保證空間相機正常工作有著重要意義[1]。為使相機光學系統維持在穩定的溫度水平以保障成像品質，一般重要部件都采用直接或間接的主動控溫加熱回路，即根據反饋的控溫點測量溫度精確補償熱量損失，實現關鍵部件溫度的精確控制[2]。

相機控溫系統的性能主要取決于3個方面：系統結構、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軟件設計和實現方法，描述了空間相機溫控系統的結構，結合測溫精度、測溫范圍、存儲空間、工作量等綜合因素選擇最優的溫度標定與解算方法，結合系統特性和控溫精度選擇合適的溫控策略，并介紹了軟件實現方法以及設計實現過程需要注意的問題。實踐證明，該方法適用于空間相機溫控系統軟件的設計與實現。

1 空間相機溫控系統

空間相機溫控系統由相機控溫儀、相機主體、主體測溫接口和主體控溫接口等構成，溫控系統組成原理圖如圖1所示。其中相機控溫儀是空間相機溫控系統的核心，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80C32作為處理核心，由于80C32具有良好的穩定性和多次使用經驗，其在空間相機溫控系統乃至航天領域中都有著廣泛的應用，CPU電路與衛星數管分系統總線接口采用1553B或CAN總線形式，衛星為控溫儀提供一次電源接口。

圖1 空間相機溫控系統組成原理圖

系統的測溫原理是根據熱敏電阻在不同溫度具有不同的電阻值來確定對應溫度值[3]。為了便于測量，將熱敏電阻Rx串聯一個10 kΩ的精密電阻進行分壓，同時為了消除電纜長度、環境溫度等因素的影響，系統采用兩個標準精密電阻R0和R1對熱敏電阻的測量值進行校正，其中A/D轉換電路采用AD1674，并選擇12位量化，以獲得高精度的測量值。CPU通過控制相應通道，啟動A/D轉換裝置，讀取Rx、R0和R1的電壓采集值Vx、V0和V1，并采用式(1)對Vx進行校正，以消除誤差，其中V0s、V1s為標準回路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通過測溫點上熱敏電阻的電壓值獲取溫度，與設定溫度進行比較，判斷是否需要加熱，并通過控溫驅動電路控制加熱片的通斷將溫度控制在目標溫度。

圖2 測溫控溫原理圖

2 溫度標定與解算

溫度標定與解算是控溫流程中的重要環節，只有該環節做到精確才能保證測溫精度，進而保證控溫的精度[4]。

空間相機溫控系統的測溫流程一般分為以下3步：

① 進行A/D采集、校正和濾波，獲得當前溫度下的穩定電壓碼U；

② 根據標定所得的R-U轉換系數，解算出該電壓碼對應的熱敏電阻阻值R；

③ 根據熱敏電阻自身特性參數，計算出熱敏電阻對應的溫度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系數熱敏電阻。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，由于該系數為廠家給定的表示熱敏電阻特性的參數，所以認為通過該系數換算出的溫度T和電阻值R的誤差是極小的、可以忽略的。那么，通過標定得到R-U的轉換系數，就成為決定測溫精度的關鍵步驟。

(2)

(3)

由于電路、器件及熱敏電阻的特性存在的細微差異，所以在精度要求較高的情況下，R-U的轉換關系無法簡單用同一個公式表示。常用到的溫度標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的電壓U和電阻值R的對應關系，溫度間隔選取過大，則影響測溫精度，溫度間隔選取過小，則需要存儲大量數據。在測溫路數多，測溫范圍大的情況下，需要占用的程序存儲空間相當可觀。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]。根據式(2)和式(3)的反函數可以求得在特定溫度點下對應的熱敏電阻阻值的合集，在工程實踐中，根據測溫精度的要求進行溫度間隔的選取。

多項式擬合法標定過程一般分為以下3步：

① 選取標定溫度點T的合集，并計算取得各個溫度點對應的熱敏電阻阻值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的電壓碼U；

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

以某型號控溫儀為例，要求測溫精度在0～30 ℃范圍內優于±0.2 ℃，在-40～0 ℃、30～70 ℃范圍內優于±0.5 ℃。由于測溫精度要求不同，并且測溫范圍較廣，根據實踐經驗，采取分段擬合結合差值擬合的方法。

分段擬合：根據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：將測溫點以1 ℃為間隔進行標定，在得到標定數據后，在-40～0 ℃、30～70 ℃范圍內通過線性差值得到每0.5 ℃的電壓數據，在0～30 ℃范圍內通過線性差值得到每0.2 ℃的電壓數據，這樣不僅保證了測溫精度，也大大減少了標定工作量。

以某一路控溫回路0～30 ℃溫度區間為例，對數據進行了多項式擬合，擬合次數分別為1～10次，根據擬合系數計算出測溫誤差，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，4～10次的擬合誤差明顯優于3次擬合，但是4～10次擬合之間的誤差并沒有明顯區別。選取合適擬合次數的原則是在滿足精度要求的前提下，兼顧數據存儲量和計算量。4次擬合需要存儲5個浮點型的數據，10次擬合需要存儲11個浮點型的數據，因此選取4次擬合更為合適。使用4次擬合所得系數計算0～30 ℃各溫度點的誤差，各個溫度點的誤差均在-0.03～0.02 ℃之間，優于±0.2 ℃的要求，如圖3所示。

表1 0～30 ℃區間1～10次擬合誤差(單位：℃)

圖3 4次擬合條件下0～30 ℃各溫度點測溫誤差

3 溫控策略

在空間相機溫控系統中，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鍵環節。目前，常用的溫控策略有開關控制、比例控制和PID控制，工程實踐中經常用到的溫控策略是開關控制結合比例控制或者開關控制結合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，在下一周期進行輸出?？販刂芷趖需要根據測控溫回路數進行合理的選擇，一般在滿足熱控需求的條件下，應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，導致連續兩個控溫周期內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行反饋，影響控溫效果。

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

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

(4)

(5)

開關比例控制方法或開關PID控制方法：如果當前溫度在控溫閾值上下限之外，則采用開關控制；如果當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控制的設定溫度應為控溫閾值上下限的中心值。

開關比例控制是一種通用的控制方法，具有控制簡單、成熟可靠的優點，對大多數控溫對象都有較好的控溫效果。開關PID控制方法具有響應速度快、調節動作迅速、消除穩態誤差，并預測誤差的變化趨勢、避免嚴重超調等優點，但要達到良好的控溫效果，需要對PID參數在真實環境中進行參數整定，其工作量明顯大于開關比例控制方法。在實際應用中，可以根據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 ℃范圍內測溫精度優于±0.2 ℃，該型號采用的是開關比例控制方法，如表2所列，選取9個不同控溫點為例，在各個控溫點下的控溫效果都滿足要求。

表2 不同控溫點下的控溫效果 (單位：℃)

4 軟件設計與實現

溫控系統軟件的實現方法是在主程序中循環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，結合各種數字處理方法的優缺點，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，在一定程度上作數據平滑處理，根據溫度量的緩變特性，增加遞推平均濾波環節，進一步加強濾波效果。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確，所以這部分工作應該在定時器中斷中完成。對于每一路控溫回路，根據當前控溫回路的溫度值和設定溫度的關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，根據加熱時間在各個時間片內輸出加熱或不加熱。為防止溫控系統軟件在軌運行期間輸出異常，影響控溫效果，需要在每個時間片對所有回路的加熱狀態輸出，將異常情況的影響控制在一個時間片內。整個控溫過程就是循環執行上述步驟?？販啬K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80C32[7-9]，主頻為12 MHz，定時器中斷執行時間主要受控溫回路數量影響。由于控溫儀軟件除了測控溫功能之外，還需要與衛星進行總線通信，如果長時間處理定時器中斷服務程序，可能會導致指令接收響應延遲，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行細化，使其分配到多個更小的時間片中，使軟件既能滿足執行指令要求，又能保證控溫的實時性。

結 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軟件設計。