陳思遠(yuǎn)++鮑其蓮

摘 要本文采用具有ARM Corex-M4內(nèi)核的STM32F407ZGT6單片機(jī)與半導(dǎo)體加熱制冷片TEC實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)寶石鏡頭的恒溫控制，通過(guò)K型熱電偶和溫度采集電路對(duì)藍(lán)寶石鏡頭表面溫度進(jìn)行反饋，通過(guò)溫度芯片ADT75檢測(cè)鏡頭附近環(huán)境溫度。設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于采用模糊控制實(shí)時(shí)調(diào)整PWM信號(hào)，快速達(dá)到環(huán)境溫度并穩(wěn)定下來(lái)；考慮了過(guò)溫保護(hù)和過(guò)流保護(hù)，在溫控回路電流或者藍(lán)寶石玻璃溫度兩個(gè)指標(biāo)中的任何一個(gè)超限時(shí)，PWM電源會(huì)自動(dòng)切斷，有效的滿(mǎn)足了許多應(yīng)用場(chǎng)合的安規(guī)要求。

【關(guān)鍵詞】恒溫控制 響應(yīng)速度快 精度高 模糊控制

因?yàn)榭梢暬夹g(shù)在越來(lái)越多領(lǐng)域的應(yīng)用，讓高清攝像系統(tǒng)成為一種普遍的設(shè)計(jì)要求。高清攝像系統(tǒng)的性能指標(biāo)不僅包括高成像品質(zhì)，在很多場(chǎng)合下，保持鏡頭不起霧也是不可或缺的條件。鏡頭之所以會(huì)起霧主要是因?yàn)闈窨諝馐艿界R頭表面的低溫影響，析出液滴，在鏡頭表面形成凝結(jié)。故本恒溫控制系統(tǒng)針對(duì)瞬時(shí)溫差變化導(dǎo)致的鏡頭起霧現(xiàn)象，采用半導(dǎo)體加熱制冷片TEC作為藍(lán)寶石鏡頭玻璃表面的加熱和制冷裝置，通過(guò)模糊控制改變PWM（pulse-width modulation）占空比調(diào)節(jié)TEC溫度，實(shí)現(xiàn)鏡頭玻璃快速達(dá)到環(huán)境溫度并迅速穩(wěn)定，有效的控制鏡頭起霧。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及工作原理

鏡頭恒溫溫控系統(tǒng)由單片機(jī)、溫度傳感器、K型熱偶、溫度采集電路、以及過(guò)溫和過(guò)流保護(hù)電路、通信模塊等部分組成。系統(tǒng)的工作原理為： 溫控系統(tǒng)對(duì)周?chē)h(huán)境溫度實(shí)時(shí)采集，并將采集到的鏡頭表面溫度和環(huán)境溫度進(jìn)行比對(duì)判斷，如果鏡頭表面溫度低于環(huán)境溫度則開(kāi)始提供PWM電壓進(jìn)而調(diào)節(jié)熱電制冷器加熱，直至鏡頭溫度不低于環(huán)境溫度并保持穩(wěn)定；PWM占空比由微處理器通過(guò)模糊控制算法得到；當(dāng)藍(lán)寶石玻璃鏡頭表面溫度達(dá)到或者超過(guò)環(huán)境溫度則TEC停止加熱。此外，當(dāng)玻璃鏡頭表面溫度超過(guò)鏡頭最高允許溫度或者通過(guò)TEC的電流超過(guò)額定值時(shí)，微處理器會(huì)使能保護(hù)電路斷開(kāi)TEC兩端回路。上位機(jī)通過(guò)CAN總線(xiàn)與微控制器進(jìn)行通信，當(dāng)保護(hù)電路觸發(fā)時(shí)負(fù)責(zé)將報(bào)警信息傳送給上位機(jī)記錄和存儲(chǔ)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 防霧系統(tǒng)主控電路設(shè)計(jì)

STM32系列高性能數(shù)字信號(hào)控制器被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子，醫(yī)療器械，便攜式檢測(cè)儀表等領(lǐng)域。STM32F4是由ST公司研發(fā)的一款微處理器。它具有Cortex-M4內(nèi)核，增強(qiáng)的DSP處理指令，高達(dá)1M字節(jié)的片上閃存，196K字節(jié)的內(nèi)嵌SRAM，以168MHz高速運(yùn)行時(shí)可達(dá)到210DMIPS的處理能力，同時(shí)兼具更快的通信接口和更高的采樣率，配合良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境和最高可達(dá)105℃的運(yùn)行環(huán)境溫度，故本系統(tǒng)選擇STM32F4作為微處理控制器。在設(shè)計(jì)STM32F4的最小系統(tǒng)時(shí)。采用ISP串口下載編程，通過(guò)USB/串口轉(zhuǎn)換電路，使用USART1 TX 和 USART1 RX引腳完成代碼下載。

2.2 溫度采集電路

溫度采集電路分為兩個(gè)部分：環(huán)境溫度采集電路和鏡頭溫度采集電路。

環(huán)境溫度采集電路的設(shè)計(jì)本著小型化的原則，選用ADT75作為環(huán)境溫度采集傳感器。ADT75是由ADI公司推出的一款12位溫度-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)集成了一個(gè)溫度傳感器，此溫度傳感器會(huì)輸出一個(gè)與絕對(duì)溫度形成精確比例的電壓，該電壓在與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓相比較后，最終送達(dá)至精密數(shù)字調(diào)制器，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度精確測(cè)量。ADT75的溫度分辨率高達(dá)0.0625℃，B級(jí)的整體精度為±1℃（0℃至+70℃范圍），具有出色的傳感器線(xiàn)性度；且體積小，采用節(jié)省空間的8引腳SOIC封裝；功耗低，在輸入電壓3.3V下功耗典型值可低至69uW。

鏡頭溫度采集電路的設(shè)計(jì)則為了達(dá)到更好的恒溫控制效果，考慮鏡頭表面溫度的測(cè)量精度，選擇了K型熱電偶配AD8495精密熱電偶放大器再通過(guò)12位轉(zhuǎn)換器MCP3201實(shí)現(xiàn)ADC轉(zhuǎn)換，最終將鏡頭表面溫度采集信號(hào)輸入微處理器。AD8495是由ADI公司生產(chǎn)的一款集成了冷結(jié)溫度補(bǔ)償?shù)姆糯笃?，它擁有高阻抗差分輸入，低功耗和?dú)立的5mv/℃溫度計(jì)。對(duì)于使用環(huán)境0℃至50℃內(nèi)，放大器的線(xiàn)性度更是可以精確到0.025℃/℃，解決了熱偶自身線(xiàn)性大的缺點(diǎn)。鏡頭溫度采集電路如圖1。

電路圖中的REF3318為放大器提供了1.8V的基準(zhǔn)電壓。所以可知AD8495的傳遞函數(shù)為

Tmj = （Vout– 1800mv）/（5mv/℃）

式中Tmj為熱電偶測(cè)量結(jié)溫。

經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后此系統(tǒng)的鏡頭溫度采集精度在0～70℃可以達(dá)到±0.2℃。

2.3 溫度控制電路

溫度控制電路包括防霧系統(tǒng)保護(hù)電路和PWM溫度控制電路。PWM溫度控制電路是通過(guò)模糊控制來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整PWM的占空比，從而保證TEC可以快速將玻璃鏡頭加熱到目標(biāo)值并穩(wěn)定下來(lái)。當(dāng)加熱時(shí)，輸入端的小功率N型MOS管2N7002導(dǎo)通形成下拉電阻，在U1基極形成低電平，導(dǎo)通U1將負(fù)載與電源正極接通；輸出端則通過(guò)高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)器MCP1401提供高電平，將U2導(dǎo)通使得負(fù)載與電源地接通形成加熱回路。當(dāng)需要制冷時(shí)，則關(guān)閉U1和U2，同時(shí)用相同的方法導(dǎo)通U4和U5形成制冷回路。無(wú)論在加熱還是制冷電路中，2N7002與MCP1401在提供基極電壓的同時(shí)都起到了將微處理器與加熱電路隔離開(kāi)來(lái)以避免信號(hào)干擾的作用。

防霧系統(tǒng)保護(hù)電路分為鏡頭過(guò)溫保護(hù)電路和TEC過(guò)流保護(hù)電路。對(duì)于鏡頭過(guò)溫保護(hù)電路而言，當(dāng)微處理器比較鏡頭溫度超過(guò)了預(yù)設(shè)的闕值時(shí)，控制器會(huì)導(dǎo)通Q3從而關(guān)閉U2斷開(kāi)TEC加熱回路。對(duì)于TEC過(guò)流保護(hù)電路而言，TEC電流會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)0.002歐姆的NTC熱敏電阻，然后通過(guò)電流感應(yīng)放大器INA214將NTC兩端電壓傳輸給微處理器，微處理器計(jì)算后得出TEC電流并與最大額定值比較，如果實(shí)際電流超過(guò)TEC最大額定電流，則同時(shí)導(dǎo)通Q5和Q2，關(guān)閉U1和U4，將TEC與電源正極斷開(kāi)。電路如圖2所示，PWM電壓為12V。

2.4 電源模塊

在很多應(yīng)用領(lǐng)域，防霧系統(tǒng)需要接入24V直流電源，所以要求防霧系統(tǒng)可以分別將外接電源轉(zhuǎn)換成12V的PWM電壓，和5V以及3.3V的供電電壓。系統(tǒng)首先選用了TPS40077同步降壓型控制器實(shí)現(xiàn)PWM電壓轉(zhuǎn)換，此降壓型控制器不光擁有寬輸入的特點(diǎn) （4.5V至28V），且在輸入范圍內(nèi)始終可以保持恒定的PWM增益，有效的降低了接入電壓不穩(wěn)定帶來(lái)的恒溫控制影響。其次，系統(tǒng)選用了LM22676精密降壓穩(wěn)壓器為5V供電電壓提供轉(zhuǎn)換，此穩(wěn)壓器不僅同樣擁有寬輸入電壓的特點(diǎn)（4.2V至42V），還可驅(qū)動(dòng)高達(dá)3A負(fù)載，提供了卓越的電壓和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。最后，在3.3V的電壓轉(zhuǎn)換電路中選用了LMS8117低壓降線(xiàn)性穩(wěn)壓器，0.2%線(xiàn)性調(diào)節(jié)和0.4%負(fù)載調(diào)節(jié)保證了芯片用電的穩(wěn)定。

2.5 通信模塊

在多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合下，要求系統(tǒng)的通信模塊可以實(shí)現(xiàn)多主控制，擴(kuò)展性好，連接節(jié)點(diǎn)多，通信速度快，具有錯(cuò)誤檢測(cè)、錯(cuò)誤通知和錯(cuò)誤恢復(fù)功能。基于以上要求，選擇STM32F4自帶基本擴(kuò)展CAN 作為和上位機(jī)的通信模塊，

由于STM32F4不支持CAN總線(xiàn)電平，所以在系統(tǒng)和上位機(jī)連接時(shí)，需要電平轉(zhuǎn)換芯片。本系統(tǒng)選用的是TJA1050，在芯片CANH和CANL之間連接了一個(gè)12歐姆的電阻作為終端匹配電阻。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體軟件設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)軟件的工作步驟為，首先初始化，然后啟動(dòng)安全辨識(shí)，采集溫控電路中的電流ITEC且將其和最大允許通過(guò)TEC的額定電流ILIMIT比較；如果超限，那么立刻啟動(dòng)TEC過(guò)流保護(hù)切斷溫控電路電流，否則即通過(guò)溫度采集電路采集玻璃鏡頭表面溫度TL并與鏡頭允許最高溫度TLIMIT比較；如果比較結(jié)果為啟動(dòng)保護(hù)電路，則系統(tǒng)立刻切斷溫控電路電流。

當(dāng)系統(tǒng)順利通過(guò)安全辨識(shí)后，則溫度采集電路開(kāi)始采集環(huán)境溫度Te，并將其與之前采集到的玻璃鏡頭表面溫度TL比較，如果鏡頭溫度高于環(huán)境溫度則起霧條件不存在，系統(tǒng)關(guān)閉溫控電路；反之，將環(huán)境溫度Te賦值于中間變量Ts，調(diào)用模糊控制函數(shù)計(jì)算PWM輸出值，調(diào)節(jié)TEC溫度輸出。在調(diào)節(jié)過(guò)程中，系統(tǒng)不斷循環(huán)安全辨識(shí)并反饋得到的環(huán)境溫度和鏡頭溫度，直到鏡頭溫度達(dá)到或者超過(guò)環(huán)境溫度，如圖3所示。

3.2 模糊控制算法及其參數(shù)調(diào)整

系統(tǒng)采用模糊控制法，其實(shí)質(zhì)是根據(jù)被控對(duì)象的輸入值和輸出值，計(jì)算出誤差，再根據(jù)誤差信號(hào)產(chǎn)生合適的控制作用輸出給被控對(duì)象。

根據(jù)秦碩等在經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后，對(duì)于物鏡溫度響應(yīng)的粗建模得到的傳遞函數(shù)為：

G（s） = 0.876 / [（1+1159s）*（1+312s）]

在此傳遞函數(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)控制系統(tǒng)構(gòu)建以下模糊規(guī)則，如表1所示。

然后使用Matlab軟件對(duì)模糊控制系統(tǒng)仿真分析，得到的階躍響應(yīng)如圖4所示。

由圖4顯見(jiàn)且此控制系統(tǒng)可在1s內(nèi)即達(dá)到設(shè)定溫度，并使被控對(duì)象溫度穩(wěn)定下來(lái)，滿(mǎn)足快速溫變條件下的防霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本課題介紹了基于STM32的鏡頭恒溫防霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)從利用加熱方法實(shí)現(xiàn)鏡片防霧的應(yīng)用出發(fā)，針對(duì)防霧系統(tǒng)熱響應(yīng)速度快和精度高的要求，通過(guò)精確的選型，完成硬件電路小型化和安全性設(shè)計(jì)。在溫控系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模中，通過(guò)使用模糊控制算法，達(dá)到了輸出上升時(shí)間要求并降低了系統(tǒng)超調(diào)量，讓系統(tǒng)既能很快達(dá)到環(huán)境溫度，又能不使鏡片過(guò)熱，適用于快速溫變條件下的防霧應(yīng)用，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介

陳思遠(yuǎn)，現(xiàn)為美敦力醫(yī)療研發(fā)實(shí)驗(yàn)室高級(jí)主管。主要研究方向?yàn)榭煽啃怨こ毯妥詣?dòng)化控制。

鮑其蓮，現(xiàn)為上海交通大學(xué)副教授。主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航與信息融合技術(shù)，智能控制，集成測(cè)試系統(tǒng)。

作者單位

上海交通大學(xué)儀器科學(xué)與工程系 上海市 200240