CN101799358B

CN101799358B - 具有无线传输功能的新型红外标温控系统

Info

Publication number: CN101799358B
Application number: CN2010101018589A
Authority: CN
Inventors: 于胜云; 钱婧; 雍朝良
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2030-01-27
Also published as: CN101799358A

Abstract

本发明公开了一种具有无线传输功能的新型红外标温控系统，该系统用于新型红外标辐射面的温度采集、温度控制、故障检测、远距离无线控制，并具有计算机远距离控制的2.4G无线收发模块和CAN接口。它包括：温度传感器、加热管、降温风扇、温度变送模块、加热控制模块、风扇控制模块、电源模块、数据采集与算法处理模块、CAN模块、温度传感器检测模块、加热管检测模块、风扇检测模块、2.4G无线收发模块和射频前端模块。该仪器可以通过CAN模块或2.4G无线收发模块实现远距离计算机控制，也可以独立运行。

Description

具有无线传输功能的新型红外标温控系统

技术领域

本发明属于测量仪器技术领域，具体是指一种红外成像仪器外场性能测试和定标设备，它用于对新型红外标辐射面的多路温度采集与控制。

背景技术

目前，国内对红外成像设备性能测试与定标用的红外辐射源研究主要集中在小辐射面定标黑体，主要是在实验室对红外成像设备进行定标，对外场测试用的大辐射面和宽辐射温度范围的红外辐射标研究不多。随着红外技术的发展，尤其是红外制导和红外成像制导武器的发展，对红外成像设备的目标识别和探测能力要求越来越高，探测距离也越来越远，为了提高红外成像设备的性能，在设计和研制阶段就必须对红外成像系统的各项指标进行检测。如果将成像设备置于真实的环境中进行性能评估，利用真实的目标进行实验，实验费用非常昂贵，且由于受到实际情况限制，难以对所有气象状况、不同目标和不同环境进行测试；而利用红外标模拟各种红外目标，则可为红外成像设备性能测试提供一种方便、可行、价廉的实验手段，可提供不同气象条件、不同背景下、不同目标的红外特征和热像，以便较全面地测试红外成像设备各种性能，并可节省大量实验经费。

外场试验时，成像设备和模拟辐射源一般具有一定距离，几百米甚至更远，而实验室定标用的辐射黑体由于辐射面积小，工作温度范围窄，不能实现远距离控制，没有无线通信接口，使用不方便，不能满足外场试验需要。因此，研制辐射面大、温度范围宽的新型红外标意义重大，而高精度温度控制与检测系统是红外标研制的关键技术之一。

发明内容

为解决上述问题，提供一种具有无线传输功能的新型红外标温控系统，满足红外成像设备外场性能测试和定标用模拟红外辐射源的高精度和大范围温度控制需要。

如附图1所示，本发明的一种具有无线传输功能的新型红外标温控系统，其构成如下：温度传感器1用于新型红外标辐射面的温度测量，共8路；加热管2实现辐射面的升温和温度保持，共6路；降温风扇3用于加快辐射面的降温速度，共3台；温度变送模块4实现变化引起温度传感器电阻变化到电压变化的转换；加热控制模块5实现加热管的PWM加热控制；风扇控制模块6实现风扇的转速控制；电源模块7用于加热管、风扇、单片机等各模块的供电；数据采集与算法处理模块8实现温度采集、温度控制算法、检测程序及通信接口等功能；CAN模块9提供了红外标远程控制的CAN总线接口；温度传感器检测模块10用于温度传感器的故障检测；加热管检测模块11用于加热管的故障检测；风扇检测模块12用于风扇故障的检测；2.4G无线收发模块13实现红外标的远距离无线数据传输；射频前端模块14用于增加无线数据传输的距离。

所述的数据采集与算法处理模块8采用内部集成8路输入12位AD转换器的新型单片机和外围电路构成，对8路辐射面温度变送器输出的模拟信号进行数字转换后，送入单片机进行处理，单片机根据采集温度信号等数据信息，按照PID算法输出相应占空比的PWM信号，控制加热控制模块5通断状态，以实现辐射面温度PID控制与调节。

所述的无线收发模块13主要完成辐射面温度控制系统与远距离计算机控制终端的无线数据传输，将检测的温度及状态信息以无线方式发送给具有无线收发模块的计算机控制端，计算机控制端以无线方式发送设置温度、参数调节等控制信息给温控系统，双方之间建立无线数据通道。为了提高系统传输距离和可靠性，采用CAP01及外围电路设计了双向传输功能的射频前端模块14，增大了发射功率，提高了接收灵敏度，延长了通信距离。

本发明具有如下优点：(1)系统实现了辐射面多路温度采集与多路PID控制，解决了红外标大辐射面温度分区控制的技术难题。(2)系统实现了故障自动检测与报警输出功能，提高了系统的可靠性。(3)系统具有与计算机通信的RS232通信接口，还具有远距离控制的无线通信接口和CAN总线接口，应用方便。(4)系统采用了新型SoC(片上系统)单片机，集成了多路ADC转换模块、64KB大容量程序存储器，实现了多路温度采集与PID算法，节约了系统成本。

附图说明

图1是本发明的具有无线传输功能的新型红外标温控系统功能构成示意图。

图2是本发明的具有无线传输功能的新型红外标温控系统实现辐射面分区域控制的传感器和加热管排列图。

图3是本发明的具有无线传输功能的新型红外标温控系统的无线传输模块设计电路图。

图4是本发明的具有无线传输功能的新型红外标温控系统的射频前端模块原理框图。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，一种具有无线传输功能的新型红外标温控系统，其构成如下：温度传感器1用于新型红外标辐射面的温度测量，共8路；加热管2实现辐射面的升温和温度保持，共6路；降温风扇3用于加快辐射面的降温速度，共3台；温度变送模块4实现温度变化引起的传感器电阻变化到电压变化的转换；加热控制模块5实现加热管的PWM加热控制；风扇控制模块6实现风扇转速控制；电源模块7用于加热管、风扇、单片机等各模块供电；数据采集与算法处理模块8实现温度采集、温度控制算法、检测程序及通信接口等功能；CAN模块9提供了红外标远程控制的CAN总线接口；温度传感器检测模块10用于温度传感器故障检测；加热管检测模块11用于加热管故障检测；风扇检测模块12用于风扇故障检测；2.4G无线收发模块13实现红外标远距离无线数据传输；射频前端模块14用于增加无线数据传输距离。

所述的红外标辐射面的温度传感器1最高工作温度为300度，因此，对温度测量所用传感器工艺提出了很高要求，普通传感器制造工艺测量温度范围大都在150度以下，因此采用工业级Pt100铂电阻作为测温传感器，经过特殊楷装制造工艺，加工成直径为4mm圆柱形状，长度为280mm，引线采用耐高温、高强度导线。

所述的辐射面加热管2采用交流工作方式，电阻式加热，单根加热管功率大约为2KW。由于辐射面是一块面积为1平方米的铝质材料，加热器件要充分接触辐射面，要求加热器件坚固耐用，这里采用管状电阻式加热。为了实现辐射面均匀性研制要求，采用将加热管制折成一定面积的加热模块。加热管2与温度传感器1镶嵌在辐射面背面，排列如图2所示。

所述的降温风扇3用于加快辐射面降温速度，由于辐射面最高温度达300度，降温风扇3又靠近辐射面，因此采用金属外壳风扇，最高工作温度可以达150度。

所述的温度变送模块4实现温度变化引起的传感器电阻变化到电压变化的转换。变送器采用三线制测量方式以消除传感器引线电阻产生的测量误差，采用恒流源激励，由于恒流源激励输出电压信号很微弱，在mV量级，需要测量放大电路将其放大，这里采用应用比较广泛的AD623精密仪表运放，运放的增益可方便调节，只需在1、8脚外接一个可变电阻Rg，运放增益由G＝1+100kΩ/Rg确定。

所述的加热控制模块5主要是根据数据采集与算法处理模块8输出的PWM信号实现加热管的加热控制，这里采用交流固态继电器，控制信号为直流电平信号。

所述的风扇控制模块6采用TC655实现风扇转速控制，TC655芯片是一个风扇速度控制器，具有SMBus总线接口、风扇故障检测功能。TC655通过V_OUT输出不同占空比的脉冲序列来控制风扇速度，这个脉冲序列的占空比可在30％～100％范围内改变。TC655产生的脉冲序列驱动一个外部的晶体管或一个N沟道MOSFET。用调制的电压控制MOSFET门电路，则风扇上的电压也受到调制。当脉冲序列的占空比为100％时，风扇全速运转；当占空比降低时，风扇的速度也相应降低。V_OUT占空比可通过SMBus接口设置占空比寄存器来控制。

所述的电源模块7用于加热管、风扇、单片机等各模块供电，由于辐射面共有6个加热管，总功率接近15KW，因此采用380V三相交流电，每一相220V给两个加热管供电；单片机、固态继电器的直流信号等采用220V转直流模块来实现供电。

所述的数据采集与算法处理模块8是温度控制系统核心，实现温度采集、温度控制算法、检测程序及通信接口等功能；系统所采用的C8051F040单片机是与8051指令完全兼容的CIP-51内核。最高频率可达25M，内置64K FLASH RAM和4K的数据存储器，它在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件，包括ADC、可编程增益放大器、DAC、电压比较器、温度传感器、UART、I²C、SPI、定时器、内部震荡器、看门狗电路和控制器等，这种高度集成为设计体积小、低功耗、高可靠性、高性能的测控系统提供了方便，同时也使测控设备整体成本能够降低。

温控系统最核心的是温度控制算法，温度控制采用PID算法，控制输出为脉冲宽度调制原理(PWM)的方式。PID算法简化表达式为：

Δu(k)＝K_P(e_k-e_k-1)+K_Ie_k+K_D(e_k-2e_k-1+e_k-2) (1)

其中K_P、K_I、K_D分别是比例、积分和微分常数，e_k是第k次温度采样值。由于温度响应具有迟滞性，属于一阶延时系统，若采用常规PID算法，在系统启动、停止或大幅调节时，容易产生很大的超调量，引起积分饱和，控制效果不好。为了解决这一问题，设计采用积分分离PID算法。

温度PID控制是一个反馈调节的过程：比较实际温度和设定温度的偏差，通过对偏差及偏差变化率的处理来获得控制信号，从计算所得Δu(k)转化为PWM信号，由该信号控制加热丝的加热时间，达到控制加热功率的目的，从而实现对系统的温度控制。利用PWM来实现模拟化控制，将PID算法的结果对模拟量的连续控制转化为对时间量的连续控制(PWM占空比的调节)，使用固态继电器直接控制加热丝工作电流的导通与断开，以简化整个PID控制过程。如果当前温度值小于设定温度值，则由PWM信号控制加热管工作，随着温差值的减小，PWM占空比也逐渐减小，使加热量减小。如果当前温度值高于设定温度值与一个设定量(一般设为5℃)之和，则PWM占空比为零，停止加热，使辐射面自然散热。当一旦检测到温度值低于设定值，PWM占空比增加，使加热管又开始工作。通过不断的加热和散热，让红外标体辐射面的辐射温度维持恒定。

所述的CAN模块9采用CAN总线独立控制器SJA1000和驱动器PCA82C250构成。控制器局域网络CAN(Controller Area Network)是一种具有国际标准、性价比较高的现场总线。CAN总线直接通信距离最大可达10Km(速率在5Kb/s以下)，最高通信速率可达1Mb/s(此时距离最长为40m)，节点数可达110个，通信介质可以是双绞线，同轴电缆或光导纤维。CAN接口电路由CAN控制器和CAN驱动器组成。CAN控制器选用Philips公司生产的SJA1000控制器，SJA1000是用于移动目标和一般工业环境中的区域网控制(CAN)的一种独立控制器，它增加了一种新的工作模式(PeliCAN)，这种模式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议。与SJA1000配套的驱动器选用PCA82C250，PCA82C250具有限定的电流值以保护接收器输出级，避免阳极和阴极的短路，这个值将防止发送器输出级的毁坏。PCA82C250具有3种不同的工作模式：高速、备用、斜率控制。PCA82C250提供总线差动发送能力和接收能力，高速可达1Mbps，有较强的抗干扰能力，最多节点数可达110个，在本系统中选用PCA82C250的斜率控制工作模式。

所述的温度传感器检测模块10用于温度传感器故障检测，这里检测主要是电阻测量，Pt100铂电阻传感器是一个阻值变化器件，故障一般产生原因是短路和开路，导致电阻为0或无穷大，传感器检测模块10在设计时和温度变送器集成到一起，只是在检测到故障时，传感器检测模块10输出一个报警信号。

所述的加热管检测模块11用于加热管故障检测，加热管故障检测是系统可靠运行的一个重要因素。系统采用交流电流变送器，实现加热管交流信号到直流信号的转换。交流电流变送器工作原理：电磁感应线圈对穿过其中心交流导线中的交流电流产生感应电流，交流电流变送器输出电流信号，送入加热故障检测器，加热故障检测器经过信号放大、电流到电压的转换、A/D采样，最终将采集到的数字信号送入MCU，通过信号反演得到被测交流电流值，依此来判断加热管工作是否正常。

所述的风扇检测模块12用于风扇故障检测，风扇故障检测主要是检测风扇是否正常运转。3线风扇是目前使用范围非常广泛的风扇，3线风扇比2线风扇多了转速脉冲信号线。3线风扇最大的改进就是加入了转速测量功能，利用这根线，风扇控制系统就能获得风扇转速的反馈信号。系统采用FanSense^TM技术的PWM风扇速度控制器TC642实现风扇故障检测。风扇正常运行时，脉冲丢失检测器对SENSE引脚上的脉冲序列进行监视。风扇失速、开路或断接时，将使TC642触发一次启动定时器。如果故障持续存在，FAULT输出引脚将变为低电平，而器件则被锁定在关断模式。

所述的2.4G无线收发模块13采用工作于2.4GHz ISM频段的射频芯片nRF24L01，实现红外标的远距离无线数据传输，电路设计如图3所示。nRF24L01是一款新型单片射频收发器件，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA；接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。nRF24L01具有自动应答和自动再发射功能，片内自动生成报头和CRC校验码，数据传输率为1Mb/s或2Mb/s，SPI速率为0Mb/s～10Mb/s，125个频道，供电电压为1.9V～3.6V。

nRF24L01收发过程如下：

发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式；接着把地址TX_ADDR和数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据；若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从发送堆栈中清除；若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC_CNT)达到上限，MAX_RT置高，TX_PLD不会被清除，MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，以便通知MCU。最后发射成功时，若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1；若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射；若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。

接收数据时，首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在接收堆栈中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，以便通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。

所述的射频前端模块14采用用MicroLinks推出了MCP01射频前端芯片及外围电路构成。针对2.4GHz ISM频段无线应用，MicroLinks推出了MCP01射频前端模块。如图4所示，MCP01芯片集成了功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、天线开关(Antenna Switch)和功率检测器(Power Detector)，并特别增加PA带通及LNA带通的省电功能，内部还针对天线端做了ESD保护设计。MCP01系列芯片采用标准的QFN 3×3mm²超小型封装，输入和输出已集成隔直电容和匹配电路，外围元件仅需少量滤波电容，极大地简化了PCB设计。

MCP01集成的功率放大器是一款高线性高效率PA，在2.4GHz～2.5GHz频段内有20dB增益，线性输出功率为18dBm时的三阶交调IM3小于-30dBc。PA的静态工作电流可低至10mA，饱和输出功率可达23dBm，功率附加效率高达45％，这么高的效率有助于延长供电时间。

MCP01集成的低噪声放大器具有很高的线性度，在2.4GHz～2.5GHz频段内有10dB增益，工作电流仅4.5mA，噪声系数小于2.6dB(已包括开关损耗)，输入三阶交调点IIP3高达+8dBm。模块内的LNA bypass功能，既可作为省电模式，又能增大接收机的动态范围。

MCP01集成了功率检测，通过测量PD端电压可以检测功放的输出功率。该模块输入和输出已经在内部匹配到50欧姆，客户应用时不需要在PCB板上设计匹配电路，使得PCB板设计更加容易。功率放大器的输出谐波已经抑制到-50dBc以下，应用时外部通常已不需要滤波器。

Claims

1.一种具有无线传输功能的新型红外标温控系统，其构成如下：温度传感器(1)用于新型红外标辐射面的温度测量，共8路；加热管(2)实现辐射面的升温和温度保持，共6路；降温风扇(3)用于加快辐射面的降温速度，共3台；温度变送模块(4)实现温度变化引起的传感器电阻变化到电压变化的转换；加热控制模块(5)实现加热管基于PWM的开关加热控制；风扇控制模块(6)实现风扇转速控制；电源模块(7)用于加热管、风扇和单片机模块的供电；数据采集与算法处理模块(8)实现温度采集、温度控制算法、故障检测程序及通信接口功能；CAN模块(9)提供了红外标远距离控制的CAN总线接口；温度传感器检测模块(10)用于温度传感器故障检测；加热管检测模块(11)用于加热管故障检测；风扇检测模块(12)用于风扇故障检测；2.4G无线收发模块(13)实现红外标的远距离无线数据传输，实现温控系统的远距离控制；射频前端模块(14)用于增加无线数据传输距离。

2.根据权利要求1所述的一种具有无线传输功能的新型红外标温控系统，其特征在于：所述的2.4G无线收发模块(13)为工作于ISM开放频段的射频芯片及外围器件构成。

3.根据权利要求1所述的一种具有无线传输功能的新型红外标温控系统，其特征在于：所述的射频前端模块(14)为ISM波段的射频前端芯片及外围器件构成，包括收发切换开关、低噪声放大器和功率放大器，可实现20dB发射功率增益和10dB的接收增益。

4.根据权利要求1所述的一种具有无线传输功能的新型红外标温控系统，其特征在于：所述的数据采集与算法处理模块(8)包括多路AD转换器、数据处理和算法实现处理器及PWM信号输出电路，实现了集多路温度采集与控制算法实现于一体，并提供了与计算机连接的RS232通信接口。

5.根据权利要求1所述的一种具有无线传输功能的新型红外标温控系统，其特征在于：CAN模块(9)包括CAN2.0B协议的总线控制器和收发驱动器，实现了红外标基于CAN总线远距离控制测控。