劉淵，田彥云，張?zhí)旌?/p>

(南京航空航天大學(xué) 江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210016)

* 基金項(xiàng)目：南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地(實(shí)驗(yàn)室)開放基金(kfjj201462)；中央高?；鹂蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助。

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TM4C123GH6PM的旋轉(zhuǎn)熱管溫度遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉淵，田彥云，張?zhí)旌?/p>

(南京航空航天大學(xué) 江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210016)

* 基金項(xiàng)目：南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地(實(shí)驗(yàn)室)開放基金(kfjj201462)；中央高?；鹂蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助。

摘要:針對(duì)傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)熱管溫度測(cè)量系統(tǒng)存在信號(hào)干擾的問(wèn)題，以低功耗、高性能的ARM芯片TM4C123GH6PM為硬件核心，結(jié)合多路K型熱電偶測(cè)溫節(jié)點(diǎn)及無(wú)線串口通信模塊設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)溫度遙測(cè)系統(tǒng)?；贚abVIEW開發(fā)監(jiān)測(cè)界面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的顯示、存儲(chǔ)與回放等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)有效避免了信號(hào)干擾，成本低，易于操作且可擴(kuò)展性強(qiáng)，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:TM4C123GH6PM；熱電偶；MAX6675；無(wú)線串口通信；LabVIEW

引言

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)熱管溫度采集系統(tǒng)一般采用電刷傳遞溫度傳感器信號(hào)，這種接觸式信號(hào)傳導(dǎo)方式不僅導(dǎo)致使用壽命短，而且不可避免地存在信號(hào)干擾，難以獲得準(zhǔn)確的溫度值，已不能滿足日益提高的工業(yè)要求。

目前，ARM內(nèi)核微控制器發(fā)展迅速，其處理器性能高、耗電少、成本低，具備16/32位雙指令集，可擴(kuò)展性能強(qiáng)。而在工業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用中，作為一種主要的測(cè)溫元件，熱電偶以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、使用方便、測(cè)溫范圍寬、測(cè)溫精度高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫領(lǐng)域中。綜上所述，本文將Cortex-M4內(nèi)核的低功耗ARM芯片TM4C123GH6PM和多個(gè)K型熱電偶結(jié)合，組成了溫度采集結(jié)點(diǎn)，并通過(guò)無(wú)線串口通信模塊實(shí)現(xiàn)了其與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通信，從而有效避免了干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)旋轉(zhuǎn)熱管的多點(diǎn)溫度遙測(cè)功能。

1系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

旋轉(zhuǎn)熱管溫度遙測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其主要由ARM核心模塊、電源模塊、片選模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、熱電偶測(cè)溫、無(wú)線串口通信模塊及監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)組成。整個(gè)系統(tǒng)由3.7 V/1000 mAh鋰電池電源模塊供電，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，并且可以方便地對(duì)電池進(jìn)行充電。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

ARM核心模塊即為TM4C123GH6PM的最小系統(tǒng)，其通過(guò)片選模塊依次選擇需要工作的熱電偶結(jié)點(diǎn)，熱電偶測(cè)溫模塊對(duì)旋轉(zhuǎn)熱管完成溫度采集工作后，通過(guò)SPI總線將溫度數(shù)字量傳輸給TM4C123GH6PM。由于系統(tǒng)包含10路熱電偶測(cè)溫模塊，在其與ARM核心模塊之間添加了總線收發(fā)器74HC245驅(qū)動(dòng)模塊，以提高端口的驅(qū)動(dòng)能力。在收到溫度數(shù)據(jù)后，TM4C123GH6PM通過(guò)無(wú)線串口通信模塊將溫度值發(fā)送給遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，運(yùn)行于PC機(jī)上的監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放、電池電壓監(jiān)測(cè)與低壓報(bào)警等功能。同時(shí)，為了防止無(wú)線傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟包等情況，系統(tǒng)還具有板載Flash的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，在進(jìn)行溫度無(wú)線傳輸?shù)耐瑫r(shí)，ARM核心模塊通過(guò)SPI口將數(shù)據(jù)存入Flash芯片中，待實(shí)驗(yàn)完成后，通過(guò)PC機(jī)檢測(cè)平臺(tái)可將板載數(shù)據(jù)導(dǎo)出，方便與遙測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1　熱電偶測(cè)溫電路

圖2　熱電偶測(cè)溫電路

雖然K型熱電偶具備諸多優(yōu)點(diǎn)，但其輸出電勢(shì)極其微弱，而且存在冷端溫度誤差和輸出電勢(shì)與被測(cè)溫度的非線性問(wèn)題，易引起較大測(cè)量誤差，因此需要對(duì)熱電偶輸出信號(hào)進(jìn)行處理。系統(tǒng)的測(cè)溫電路如圖2所示，采用了Maxim公司的K型熱電偶串行A/D轉(zhuǎn)換器MAX6675芯片，該型號(hào)芯片能夠獨(dú)立完成信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、線性化、A/D 轉(zhuǎn)換及SPI串口數(shù)字化輸出功能，可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成12 位的數(shù)字量，溫度分辨率達(dá)0.25℃,且芯片內(nèi)部含有熱電偶斷線檢測(cè)電路。其冷端補(bǔ)償溫度范圍為-20～80 ℃，應(yīng)用的環(huán)境溫度范圍比較寬，可以測(cè)量0～1023.75 ℃的被測(cè)溫度，基本符合旋轉(zhuǎn)熱管溫度測(cè)量的實(shí)際需求。

MAX6675的2、3引腳與K型熱電偶的負(fù)極和正極連接，6引腳則與74HC154譯碼器的輸出端相連接，同時(shí)，5引腳時(shí)鐘SCK則與驅(qū)動(dòng)芯片74HC245相連接。

2.2　Flash存儲(chǔ)電路

為了保證所采集的溫度數(shù)據(jù)的完整性，本系統(tǒng)提供了板載Flash用以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，具體電路如圖3所示。這里采用了SPI總線接口的閃存芯片AT45DB161D，速度可達(dá)66 MHz，存儲(chǔ)空間包含4 096頁(yè)，每頁(yè)包含512或528個(gè)字節(jié)。與并行Flash存儲(chǔ)器不同，它采用Rapids串行接口，從而大大減少了可用引腳數(shù)量，同時(shí)也提高了系統(tǒng)可靠性，降低了開關(guān)噪聲，縮小了封裝體積，滿足本系統(tǒng)低電壓、低功耗與小體積的要求。

圖3　Flash存儲(chǔ)電路

2.3　無(wú)線串口通信模塊

圖4　無(wú)線串口通信模塊實(shí)物圖

無(wú)線串口通信模塊采用的是成都億佰特電子科技有限公司的工業(yè)級(jí)無(wú)線數(shù)傳收發(fā)模塊E14-TTL。該模塊中心頻率為2.4 GHz，最大功率達(dá)到100 mW，傳輸距離可達(dá)2 100 m，具有TTL電平的串口通信接口，支持1200～115 200 bps多種波特率，模塊實(shí)物圖如圖4所示。本系統(tǒng)權(quán)衡傳輸速度與傳輸精度，選擇波特率為9 600 bps，實(shí)現(xiàn)了測(cè)溫節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)的高可靠性串行無(wú)線通信。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1　下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

圖5　軟件流程圖

系統(tǒng)的下位機(jī)軟件采用前后臺(tái)運(yùn)行機(jī)制，軟件流程圖如圖5所示。由于MAX6675的測(cè)溫步長(zhǎng)為190 ms，為了保證溫度數(shù)據(jù)讀取的可靠性，本軟件設(shè)置定時(shí)時(shí)間為250 ms，在前臺(tái)定時(shí)器中斷服務(wù)程序中完成標(biāo)志位置位。后臺(tái)主循環(huán)程序通過(guò)串口接收上位機(jī)數(shù)據(jù)導(dǎo)出指令，若不導(dǎo)出，則程序通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電池電壓讀取，并依次讀取多路溫度結(jié)點(diǎn)的輸出值，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于板載Flash中。同時(shí)，利用串口將所得數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，若收到導(dǎo)出指令，則程序執(zhí)行板載Flash數(shù)據(jù)導(dǎo)出操作。

3.2　上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

為了提高開發(fā)效率，上位機(jī)監(jiān)控軟件采用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)。LabVIEW提供了一個(gè)簡(jiǎn)潔直觀的圖形化編程環(huán)境，可以輕松搭建友好美觀的操作界面，無(wú)需編寫繁瑣的計(jì)算機(jī)程序代碼，大大簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)。

旋轉(zhuǎn)熱管溫度監(jiān)測(cè)界面(正在進(jìn)行溫度采集)如圖6所示，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化思想，其主要由通信設(shè)置、溫度顯示、電池低壓報(bào)警及操作臺(tái)等模塊組成。用戶可以方便地在界面上進(jìn)行溫度采集、數(shù)據(jù)導(dǎo)出及查看數(shù)據(jù)等功能，極大地提高了工作效率。

圖6　旋轉(zhuǎn)熱管溫度監(jiān)測(cè)界面

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)接觸式系統(tǒng)和本文設(shè)計(jì)的遙測(cè)系統(tǒng)對(duì)旋轉(zhuǎn)熱管相同區(qū)域同時(shí)進(jìn)行溫度采集，旋轉(zhuǎn)熱管固定轉(zhuǎn)速為100 r/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線如圖7所示。從圖中可以看出，接觸式溫度采集系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下采集的溫度信號(hào)存在很大的干擾，穩(wěn)態(tài)溫度波動(dòng)量達(dá)到了11.65 ℃，而本系統(tǒng)所采集的溫度基本無(wú)明顯毛刺，穩(wěn)態(tài)溫度波動(dòng)量?jī)H為2.45 ℃，與真實(shí)溫度情況相符，滿足旋轉(zhuǎn)熱管溫度采集的

精確性和可靠性的要求。

圖7　實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線

結(jié)語(yǔ)

旋轉(zhuǎn)熱管溫度遙測(cè)系統(tǒng)以TM4C123GH6PM為主控芯片，通過(guò)SPI接口連接MAX6675，不斷采集K型熱電偶輸出的信號(hào)，并通過(guò)無(wú)線串口通信模塊將溫度值發(fā)送給上位機(jī)?；贚abVIEW平臺(tái)開發(fā)的上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面易于操作，實(shí)現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)和回放等多個(gè)功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相比于傳統(tǒng)接觸式溫度采集系統(tǒng)，本系統(tǒng)有效避免了信號(hào)干擾，并具備成本低、操作方便和擴(kuò)展性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，為旋轉(zhuǎn)熱管溫度精確采集提供了一種行之有效的解決方案。

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劉淵、田彥云(碩士研究生)，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真；張?zhí)旌?教授)，研究方向?yàn)榍度胧娇刂葡到y(tǒng)、系統(tǒng)控制與仿真。

對(duì)UCD9222的參數(shù)設(shè)置以及外圍電路做出了進(jìn)一步的闡述。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，UCD9222能夠滿足多核DSP的電源需求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

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巴俊皓(碩士)、黃芝平(教授)，研究方向?yàn)榫W(wǎng)電空間測(cè)控。

(責(zé)任編輯：楊迪娜收修改稿日期：2015-05-05)

Wireless Monitoring System for Rotating Heat Pipe Based on TM4C123GH6PM

Liu Yuan,Tian Yanyun,Zhang Tianhong

(Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power System,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)

Abstract：Aiming at the signal interference existed in traditional rotating heat system,a real-time temperature monitoring system is designed,which takes low-power,high-performance embedded ARM chip TM4C123GH6PM as the hardware core and includes multiple K-thermocouples and a wireless serial port communication module.Based on the LabVIEW monitoring interface,the design achieves the display,storage and playback.The experiment results show that the system avoids the signal interference effectively,the cost is low,and it is easy to operate and can be expanded.It has good prospect in the engineering application.

Key words:TM4C123GH6PM;thermocouple;MAX6675;wireless serial port communication;LabVIEW

收稿日期：(責(zé)任編輯：楊迪娜2015-06-01)

中圖分類號(hào):TM331

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A