袁春柱,李軍予,劉思遠(yuǎn)

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

1-wire測溫技術(shù)皮納衛(wèi)星星載應(yīng)用研究

袁春柱,李軍予,劉思遠(yuǎn)

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

隨著皮納衛(wèi)星功能的增加以及集成化的提升，傳統(tǒng)熱敏電阻測溫方法由于其電纜走線復(fù)雜、電纜數(shù)量多的缺點，不利于皮納衛(wèi)星的集成化，因此提出了基于1-Wire總線的測溫方法；針對航天應(yīng)用的特點，對1-wire測溫芯片DS18B20進(jìn)行了空間環(huán)境適應(yīng)性分析；根據(jù)測溫芯片的空間環(huán)境敏感性，提出了一種高可靠的設(shè)計思路；通過軟硬件一體化設(shè)計，引入衛(wèi)星測溫安全模式，避免測溫芯片在軌失效的問題；該方法通過衛(wèi)星搭載，在空間中進(jìn)行了應(yīng)用驗證，結(jié)果表明基于1-Wire總線的測溫方法可在軌有效并可靠地測量衛(wèi)星各設(shè)備的溫度，實現(xiàn)了商用測溫芯片的在軌應(yīng)用，同時降低了星上溫度測量拓?fù)涞膹?fù)雜性；該方法不但滿足了衛(wèi)星溫度測量的要求，而且很大程度上減輕了衛(wèi)星測溫電纜的重量，減少了AD轉(zhuǎn)換的路數(shù)，提高了皮納衛(wèi)星的集成度，具有推廣應(yīng)用的前景。

皮納衛(wèi)星；1-Wire總線；測溫技術(shù)；DS18B20

0 引言

眾所周知，航天器運行在地球大氣層之外的真空環(huán)境中，并且航天器在運行時要向廣闊的宇宙空間輻射熱量，同時受到各種太陽熱輻射、地球反射、地球紅外輻射以及月亮、水星等周圍星體熱流影響[1-2]，所以，在整星設(shè)計時，需要考慮衛(wèi)星在軌運行的熱控措施，使衛(wèi)星中的各種儀器設(shè)備以及電子元器件在合適的溫度下工作[3]。衛(wèi)星運行中的溫度情況由溫度傳感器進(jìn)行感知，并由專門的熱控下位機(jī)對溫度傳感器進(jìn)行參數(shù)采集[4]，熱控下位機(jī)將采集到的衛(wèi)星溫度參數(shù)通過星地測控網(wǎng)傳輸?shù)降孛?，由地面人員進(jìn)行判讀，對星上溫度狀態(tài)進(jìn)行分析，制定相應(yīng)的溫度控制算法生成指令，再通過星地測控網(wǎng)傳輸?shù)叫l(wèi)星上，由熱控執(zhí)行部件對相應(yīng)的儀器設(shè)備進(jìn)行溫度調(diào)整，這種模式也稱之為開環(huán)模式，還有一種模式為閉環(huán)模式，即熱控下位機(jī)根據(jù)采集到的溫度參數(shù)以及相應(yīng)的控制算法，在衛(wèi)星上直接生成指令，由熱控執(zhí)行部件對相應(yīng)的儀器設(shè)備進(jìn)行溫度調(diào)整。

在衛(wèi)星熱控設(shè)計中，衛(wèi)星溫度傳感器是衛(wèi)星熱控系統(tǒng)的重要組成部分。在傳統(tǒng)的衛(wèi)星熱控系統(tǒng)中，溫度傳感器主要采用有熱電偶和熱敏電阻兩種[5-6]。雖然熱電偶穩(wěn)定性好、反應(yīng)靈敏、價格便宜、工藝實施方便等特點，但是熱電偶冷端補(bǔ)償，其測溫精度受冷端校準(zhǔn)精度的影響較大，當(dāng)航天器在軌運行時，冷端補(bǔ)償方式較難實現(xiàn)，而且熱電偶輸出的信號是較為微弱的模擬信號，需要信號放大，以及模數(shù)轉(zhuǎn)換，對電路的開銷比較大。熱敏電阻電阻精度高、可靠性高，雖然熱敏電阻不像熱電偶需要冷端補(bǔ)償，但是熱敏電阻反映的信號也是模擬信號，需要調(diào)理電路，以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。因此傳統(tǒng)意義上的對衛(wèi)星溫度傳感器，不論是有熱電偶和熱敏電阻對衛(wèi)星上模數(shù)轉(zhuǎn)換的路數(shù)以及相應(yīng)電纜的開銷都比較大，而衛(wèi)星上的資源有限，特別是近些年快速發(fā)展的皮納衛(wèi)星，體積比較小，對星上電子系統(tǒng)的集成要求比較高，采用傳統(tǒng)的星上溫度傳感器，不但需要設(shè)計熱控下位機(jī)及其多路模數(shù)電路，還需要設(shè)計大量的溫度電纜，不利于星上電子設(shè)備的集成化和星上無纜化設(shè)計。

因此，本文提出針對皮納衛(wèi)星的串行1-wire測溫方法，首先對其特點以及測溫原理進(jìn)行分析，并完成了具有典型應(yīng)用的DS18B20串行測溫芯片的空間環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行分析并給出了相應(yīng)結(jié)論，其次給出了其星載應(yīng)用的設(shè)計思路，以及針對空間環(huán)境的可靠性設(shè)計，為皮納衛(wèi)星的熱控設(shè)計提供技術(shù)參考。

1 1-wire測溫技術(shù)及其特性分析

美國達(dá)拉斯(DALLAS)公司生產(chǎn)的DS18B20器件是典型的1-wire測溫芯片，它采用“一線總線”接口[7]，支持分布式多點組網(wǎng)測溫，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)測溫系統(tǒng)的設(shè)計中，例如智能大棚測溫、高爐水循環(huán)測溫、實驗室測溫、機(jī)房測溫等，1-wire串行測溫技術(shù)取代傳統(tǒng)的“熱敏電阻+模數(shù)轉(zhuǎn)換器”的測溫結(jié)構(gòu)，具有低成本、高精度、結(jié)構(gòu)簡便等優(yōu)點，DS18B20作為其典型器件具有一下幾個方面的優(yōu)點：

1)獨特的1-Wire總線接口，僅需占用CPU一個端口引腳進(jìn)行通信，無需其他外部器件；

2)支持分布式多點組網(wǎng)測溫；

3)溫范圍為-55～+125 ℃，固有測溫分辨率為0.5 ℃；

4)測溫實時性好，溫度轉(zhuǎn)換時間最多750 ms(12bit分辨率時)；

5)智能性好，支持超溫報警，片上集成有可編程的非易失性溫度報警閾值存儲器。

DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中主要包括四部分：64位的ROM、高速暫存器、高低溫觸發(fā)器、溫度傳感器[8]。

圖1 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

64位的ROM用于記錄器件出廠時預(yù)先設(shè)置好的序列號信息，包括8bit的家族號、48bit的器件唯一的序列號和8bit的CRC校驗碼；DS18B20片上集成了3字節(jié)的EEPROM，用于存儲溫度報警上下限(TH和TL)和采樣分辨率配置數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中配置數(shù)據(jù)字節(jié)的第6bit和第7bit用于設(shè)置溫度轉(zhuǎn)換的分辨率；高速暫存器為9字節(jié)的SRAM，結(jié)構(gòu)如圖2所示：其中第一和第二個字節(jié)為溫度測量值，包括5位符號標(biāo)志位和11位數(shù)據(jù)位，第三和第四字節(jié)是TH和TL的拷貝，第五字節(jié)為分別率設(shè)置，每次上電復(fù)位時從EEPROM中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新，第六、七、八字節(jié)為備用，第九字節(jié)為CRC校驗。

圖2 9字節(jié)高速暫存器結(jié)構(gòu)

DS18B20測溫電路原理如圖3所示，DS18B20的測溫原理是：用一個高溫度系數(shù)的振蕩器確定一個門周期，內(nèi)部計數(shù)器在這個門周期內(nèi)對一個低溫度系數(shù)的振蕩器的脈沖進(jìn)行計數(shù)來得到溫度值。計數(shù)器被預(yù)置到對應(yīng)于-55℃的一個值。如果計數(shù)器在門周期結(jié)束前到達(dá)0，則溫度寄存器(同樣被預(yù)置到-55℃)的值增加，表明所測溫度大于-55℃。同時，計數(shù)器被復(fù)位到一個值，這個值由斜坡式累加器電路確定，斜坡式累加器電路用來補(bǔ)償感溫振蕩器的拋物線特性。然后計數(shù)器又開始計數(shù)直到0，如果門周期仍未結(jié)束，將重復(fù)這一過程。斜坡式累加器用來補(bǔ)償感溫振蕩器的非線性，以期在測溫時獲得比較高的分辨力。這是通過改變計數(shù)器對溫度每增加一度所需計數(shù)的值來實現(xiàn)的。

圖3 DS18B20測溫電路原理

2 DS18B20空間環(huán)境適應(yīng)性試驗與分析

DS18B20是商用貨架式產(chǎn)品，需要考慮空間應(yīng)用驗證，因為航天器運行在大氣層外的真空環(huán)境中，受到宇宙中高能粒子、宇宙射線、太陽耀斑所產(chǎn)生的粒子的輻射，會產(chǎn)生總劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)，目前主要采取對同一批次的元器件在地面進(jìn)行輻照敏感性評價的驗證措施。

2.1 DS18B20總劑量試驗與分析

使用鈷-60(60Co)γ射線源對DALLAS公司生產(chǎn)的1-Wire數(shù)字溫度計DS18B20進(jìn)行電離總劑量輻照評估試驗的參數(shù)如表1所示，DS18B20輻照前后電測試參數(shù)及判據(jù)如表2所示。

表1 DS18B20電離總劑量試驗參數(shù)

表2 DS18B20輻照前后電測試參數(shù)及判據(jù)

選取4只器件，對其中三只器件進(jìn)行試驗，并編號為1#、2#、3#，第四只器件編號為4#，用于比對測試，輻照前測試全部器件，所有器件電參數(shù)測試合格，然后開展試驗。

采用50 rad(Si)/s劑量率，輻照前、輻照至5 Krad(Si)、10 Krad(Si)、30 Krad(Si)、常溫退火后、高溫退火后的變化曲線圖如下：

圖4 電源3 V、數(shù)據(jù)低電平的靜態(tài)電源電流變化

圖5 電源3 V、數(shù)據(jù)高電平靜態(tài)電源電流變化

圖6 電源5.5 V、數(shù)據(jù)低電平靜態(tài)電源電流變化

圖7 電源5.5 V、數(shù)據(jù)高電平靜態(tài)電源電流變化

圖8 電源3 V動態(tài)電源電流變化

圖9 電源5.5 V動態(tài)電源電流變化

試驗數(shù)據(jù)表明：

1)在50 rad(Si)/s劑量率下，輻照累積劑量至5 krad(Si)時，全部3只輻照器件電參數(shù)測試合格；

2)在50 rad(Si)/s劑量率下，輻照累積劑量至10 krad(Si)時，全部3只輻照器件電參數(shù)測試合格；

3)在50 rad(Si)/s劑量率下，輻照累積劑量至30 krad(Si)時，全部3只輻照器件全部參數(shù)超差；

4)室溫退火后，全部3只輻照器件除5.5 V電壓下靜態(tài)電流超差外，其他參數(shù)測試合格；

5)100℃ 168 h加速退火后，全部3只輻照器件電參數(shù)測試合格。

在真實空間輻射低劑量率環(huán)境下，輻照30 krad(Si)劑量，氧化層陷阱電荷導(dǎo)致的器件靜態(tài)功耗電流會在規(guī)范值內(nèi)，器件不會失效，所以認(rèn)為該批次的器件具有30 krad(Si)抗電離總劑量的能力。

2.2 DS18B20單粒子試驗與分析

使用中科院近代物理所回旋加速器Bi離子(LET為99.8 MeV·cm2/mg)進(jìn)行輻照時，束流源信息如表3所示。

表3 束流源信息

通過檢測單粒子試驗系統(tǒng)的工作電流，3只器件在99.8MeV·cm2/mg輻照下，發(fā)生單粒子鎖定，功能中斷，電流急劇增大，斷電后再上電器件工作正常。試驗結(jié)論為，該批次的DS18B20單粒子鎖定LET閾值小于99.8MeV·cm2/mg，是單粒子敏感性器件。

3 1-wire星載應(yīng)用設(shè)計

3.1 DS18B20單總線接口設(shè)計

針對DS18B20的1-wire特點，有兩種接口設(shè)計方案。第一種是直接連接到IO口，由軟件完成器件要求的總線通信時序，如圖10所示。

圖10 DS18B20測溫接口(方案一)

第二種，為了簡化軟件設(shè)計，采用DS2480B接口芯片。DS2480B為串口UART/RS232至單總線通信協(xié)議的轉(zhuǎn)接橋，可直接連到UART中, 支持Dallas全系列單總線器件。采用轉(zhuǎn)接橋的測溫接口電路如圖11所示。

圖11 DS18B20測溫接口(方案二)

方案比較：兩種方案都可以應(yīng)用于星上溫度測量，考慮到軟件設(shè)計的簡化以及電路的穩(wěn)定性，在設(shè)計中多采用第二種方案。

3.2 供電管理及可靠性設(shè)計

1-wire的DS18B20芯片具有兩種供電方式，一種是寄生電源方式，一種是外部供電。工作于寄生電源方式時，VDD和GND均接地，原理是當(dāng)1-Wire總線的信號線DQ為高電平時，竊取信號能量給DS18B20供電，同時一部分能量給內(nèi)部電容充電，當(dāng)DQ為低電平時釋放能量為DS18B20供電。然而DS18B20芯片是單粒子敏感器件，在軌有可能發(fā)生單粒子鎖定，寄生電源方式不能給芯片斷電。

考慮到在軌對DS18B20芯片進(jìn)行斷電管理，因此采用外部供電模式。外部供電電路如圖12所示，供電芯片采用MAX883。

圖12 1-wire的DS18B20外部供電電路

DS18B20的工作電流最大電流IDD=1.5 mA，DQ輸入電流IDQ=5 μA，MAX883是一款具有限流能力的芯片，限流電流I883=200 mA，一個MAX883可以帶動的DS18B20的個數(shù)N如下：

N=(I883-IDD)/IDQ+1=39 701

(1)

DS18B20單粒子試驗表明，當(dāng)DS18B20芯片發(fā)生單粒子鎖定時，鎖定電流I鎖定=300 mA，而MAX883的限流值I883=200 mA。因為I883

因此采用MAX883的外部供電方式，不但可以為數(shù)量極大的1-wire的DS18B20芯片提供電源，同時可以有效的防止DS18B20因單粒子鎖定而燒毀。

為了提高小衛(wèi)星測溫的可靠性，在應(yīng)用中采取了一下可靠性措施：

1)采用MAX883限流防止單粒子燒毀，同時當(dāng)CPU長期接收不到測溫芯片的測溫數(shù)據(jù)時，通過CPU對MAX883的OFF端進(jìn)行操作，將測溫芯片進(jìn)行掉電處理；

2)采用兩組1-Wire總線相互備份，每個測溫點采用2個DS18B20芯片進(jìn)行測溫。

3.3 軟件設(shè)計

1-wire測溫軟件分為兩個模塊，一個模塊為調(diào)用模塊，完成對DS18B20調(diào)用管理、測溫溫度值的計算及溫度值的處理功能，另一個模塊為安全模式模塊，完成對1-wire總線測溫器件的可靠性安全模式管理。1-wire測溫軟件流程圖如圖13所示。

調(diào)用模塊首先從主控計算機(jī)的flash中讀取所有DS18B20的ID，考慮到衛(wèi)星可靠性問題，一般將DS18B20的ID放在主控計算機(jī)flash的3個地址中，所以在讀取DS18B20的ID時需要進(jìn)行三取二操作，讀取DS18B20的ID后，初始化DS18B20的ID，復(fù)位DS18B20后，啟動總線上測溫節(jié)點進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，分為高八位、低八位分別讀取測溫數(shù)據(jù)，并判斷讀取測溫數(shù)據(jù)是否異常，如果讀取數(shù)據(jù)正常，將讀取的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，通過星地遙測發(fā)送地面站。

如果讀取數(shù)據(jù)二次異常，將進(jìn)入測溫安全模式模塊，進(jìn)入安全模式后關(guān)掉給測溫器件供電MAX833的電源輸出端，使所有器件掉電，衛(wèi)星測溫安全模式計數(shù)加1，并重置測溫數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，延時一段時間后，重新加電。

圖13 1-wire測溫軟件流程圖

4 1-wire測溫技術(shù)在軌驗證

2015年9月20日，運載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心以“一箭二十星”方式成功發(fā)射某皮納衛(wèi)星。衛(wèi)星由1顆20千克級納星、3顆10千克級皮星構(gòu)成，衛(wèi)星運行在軌道高度524 km、97.47°傾角的太陽同步軌道。該皮納衛(wèi)星采用DS18B20芯片對星上溫度進(jìn)行測量，發(fā)射入軌后，DS18B20穩(wěn)定運行，衛(wèi)星傳回了大量的星上溫度測量數(shù)據(jù)。

截止到2016年4月30日衛(wèi)星任務(wù)結(jié)束，基于1-wire的DS18B20依然穩(wěn)定運行。經(jīng)過在軌驗證，1-wire的DS18B20技術(shù)可以應(yīng)用在軌道在500公里以及以下、壽命在半年以內(nèi)的皮納衛(wèi)星上。

5 結(jié)束語

基于DS18B20的1-wire測溫技術(shù)利用DS18B20串聯(lián)總線特點，克服了傳統(tǒng)星上測溫電纜多，測溫拓?fù)鋸?fù)雜等問題，特別適用于質(zhì)量輕、體積小的皮納衛(wèi)星。經(jīng)過對DS18B20芯片的空間環(huán)境適應(yīng)性摸底試驗，DS18B20經(jīng)過可靠性處理后，可以應(yīng)用于低軌道短壽命的皮納衛(wèi)星上，目前基于DS18B20的1-wire測溫技術(shù)已經(jīng)在皮納衛(wèi)星上成功應(yīng)用，獲得了準(zhǔn)確的衛(wèi)星測溫信息，達(dá)到了衛(wèi)星熱控要求。

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Study on 1-wire Temperature Measurement Technique for Pico-Satellite Application

Yuan Chunzhu，Li Junyu，Liu Siyuan

( DFH Satellite Co.Ltd, Beijing 100094, China)

Traditional thermal resistance temperature measurement method is not conductive to the integration of pico-satellite due to its complexity and large number of cables, as the number of pico-satellite functions increases and the integration enhances. A method of measuring temperature based on 1-wire is proposed. The space environment adaptability of DS18B20 with 1-wire technique is analyzed aiming at the characteristics of space applications; A high reliable design solution is presented based on the space environment sensibility of the temperature measurement chip; Through satellite temperature measurement safe mode, the problem of on-board chip invalidating is avoided based on the integration design of hardware and software. The method proposed has been validated on the satellite, the results show that the design concept of the application using 1-wire technique is feasible and reliable to measure the equipment temperature on board; The commercial temperature measurement chip has been applied on-board; The complexity of the temperature measurement topology structure is reduced. The method, which can reduce the satellite temperature cable weight and the number of ADC and improve the integration of the pico-satellite, has the prospect of popularization and application.

pico-satellite；1-wire；temperature measurement technique；DS18B20

2016-06-26；

2016-07-23。

國家重大科技專項工程。

袁春柱(1987-)，男，山東臨沂人，碩士，工程師，主要從事航天器總體技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)12-0028-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.009

V474

A