余 群，王 騫，王思峰，王領(lǐng)華，呂建偉

(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

溫度作為航天器研制與試驗(yàn)當(dāng)中重要參數(shù)，對(duì)航天器的設(shè)計(jì)與改進(jìn)都具有重要的指導(dǎo)作用[1-2]。當(dāng)前航天運(yùn)載器、航天器在飛行過程需要進(jìn)行大量的溫度數(shù)據(jù)采集，以掌握其工作狀態(tài)，保障航天器上設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量安全。由于航天器內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜、空間緊湊，溫度范圍差異較大，且存在多種電磁干擾，因此對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)溫精度、通道數(shù)量和可靠性提出了更高的要求[3-4]。且隨著科學(xué)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)航天器的重量、研制周期、維修性等也提出了更高要求，使得溫度測(cè)量向自動(dòng)化、智能化方向進(jìn)展[5]。

現(xiàn)有航天器上的溫度采集仍然采用傳統(tǒng)有線方式，要想滿足航天器上各設(shè)備、結(jié)構(gòu)等溫度采集速度、準(zhǔn)確度以及控溫精度，必須要布置足夠多數(shù)量的測(cè)溫傳感器。但過多的測(cè)溫傳感器必然會(huì)導(dǎo)致航天器內(nèi)部電纜數(shù)量的增加，而布線數(shù)目的增加必然會(huì)使航天器面臨多個(gè)方面問題，一方面，溫度采集電纜多，增加了航天器系統(tǒng)自身重量，有效載重量減小。另一方面，在有限的空間內(nèi)，在保證安全、穩(wěn)定的條件下，布線的數(shù)目是有限的，有限的測(cè)量通道數(shù)將無法滿足航天器高精度控溫需求。三是布線復(fù)雜，裝配困難，影響系統(tǒng)可靠性，工作耗時(shí)長(zhǎng)。且溫度傳感器為耗材，使用次數(shù)和使用期限都有限制，測(cè)試成本高[6-8]。針對(duì)以上有線測(cè)溫方式存在的問題，可采用無線測(cè)溫方式替代。無線測(cè)量憑借其測(cè)點(diǎn)數(shù)目多、無線信息傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)，受到越來越多的關(guān)注[9-12]。無線溫度測(cè)量在民用產(chǎn)品上已有較多的應(yīng)用[13-18]，但由于其采用的多是半導(dǎo)體傳感器，僅適應(yīng)于空氣環(huán)境溫度的測(cè)量，且響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，無法滿足航天器上應(yīng)用需求。

針對(duì)航天器艙內(nèi)有限空間下有線測(cè)溫方法存在的問題，設(shè)計(jì)采用無線測(cè)溫的方式代替。為了滿足對(duì)航天器內(nèi)部設(shè)備溫度采集和測(cè)試要求，分析并設(shè)計(jì)了高精度輕質(zhì)無線測(cè)溫系統(tǒng)，測(cè)溫系統(tǒng)的溫度采集器體積小、準(zhǔn)確度高，通過ZigBee等無線信號(hào)傳輸?shù)姆绞娇蓪⒉杉臏囟葦?shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)保存、處理。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)航天器承擔(dān)任務(wù)的重要性，項(xiàng)目總體對(duì)溫度測(cè)量系統(tǒng)重量、測(cè)溫精度、可靠性、待機(jī)時(shí)間等提出了更高要求，要求每路溫度采集系統(tǒng)的重量低于2 g，且待機(jī)時(shí)間不少于240 h。圍繞溫度測(cè)量系統(tǒng)重量行了調(diào)查研究，目前現(xiàn)有航天器上應(yīng)用的溫度測(cè)量系統(tǒng)均為有線溫度測(cè)量系統(tǒng)，每路溫度傳感器的重量均超過30 g，指標(biāo)不滿足總體要求，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 現(xiàn)有航天器上溫度測(cè)量系統(tǒng)重量指標(biāo)

上述溫度測(cè)量系統(tǒng)為有線方案，民品上有些無線的應(yīng)用，但也存在一定局限性。調(diào)查情況如表2所示。

表2 現(xiàn)有溫度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量方式調(diào)查表

上述調(diào)查顯示，有線測(cè)溫系統(tǒng)無法滿足航天器對(duì)溫度測(cè)量系統(tǒng)提出的更高重量指標(biāo)要求。因此，為滿足對(duì)溫度測(cè)量系統(tǒng)重量及其他指標(biāo)要求，需研制新型輕質(zhì)無線測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠采集各測(cè)點(diǎn)的溫度信號(hào)，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理后，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給航天器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，用于后續(xù)判讀。

1.2 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)總體方案設(shè)計(jì)

無線通信技術(shù)是指在不依賴任何有線電纜的前提下，利用電磁波進(jìn)行信號(hào)傳輸。根據(jù)傳輸距離的長(zhǎng)短，可以將無線通信技術(shù)分為短距離無線通信技術(shù)和遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)[19]。由于本無線測(cè)溫系統(tǒng)計(jì)劃在航天器上使用，因此主要適用短距離無線通信模塊。目前市場(chǎng)較為流行的短距離無線通信模塊主要有Wi-Fi模塊、藍(lán)牙(Bluetooth)模塊和ZigBee模塊等[20-23]。結(jié)合任務(wù)需求和總體目標(biāo)，對(duì)分別使用Wi-Fi模塊、藍(lán)牙(Bluetooth)模塊和ZigBee模塊設(shè)計(jì)的無線測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)研討論，利用親和圖對(duì)3種無線測(cè)溫系統(tǒng)方案特點(diǎn)進(jìn)行了歸納梳理，結(jié)果如圖1所示。

圖1 無線測(cè)溫系統(tǒng)方案親和圖

對(duì)以上3種方案特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，如表3所示。

表3 無線通信技術(shù)方案及特點(diǎn)對(duì)比

結(jié)合以上的分析，考慮總體任務(wù)要求，按如下權(quán)重比例對(duì)上面的3種案進(jìn)行了評(píng)估分析，評(píng)估系列表如表4所示。

表4 評(píng)估系列表

評(píng)估結(jié)果如表5所示。

根據(jù)評(píng)估分析方法的評(píng)估結(jié)果，綜合考慮覆蓋距離、功耗、傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)、安全性等指標(biāo)，ZigBee方案具有功耗更低、價(jià)廉、穩(wěn)定性好、可靠性更高等優(yōu)勢(shì)，方案最優(yōu)。因此本文利用ZigBee技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無線通信功能。

表5 評(píng)估結(jié)論表

基于減小設(shè)備體積，減輕設(shè)備重量、降低功耗、提高可靠性等設(shè)計(jì)原則，本文完成了基于ZigBee技術(shù)的無線測(cè)溫系統(tǒng)硬件和軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)。下面將從硬件和軟件兩方面詳細(xì)介紹無線測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee無線溫度采集方案硬件主要由溫度傳感器和ZigBee系統(tǒng)2大部分組成。無線測(cè)溫系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

圖2 無線測(cè)溫系統(tǒng)硬件組成示意圖

2.1 溫度傳感器模塊設(shè)計(jì)方案

目前溫度傳感器的應(yīng)用幾乎遍布于所有領(lǐng)域。溫度傳感器不斷的推陳出新，常見的有電偶傳感器、電阻式溫度傳感器、半導(dǎo)體式溫度傳感器等。已有型號(hào)產(chǎn)品上常用的溫度傳感器有鉑電阻、熱敏電阻、熱電偶、半導(dǎo)體傳感器[24]，這4種傳感器，各有有缺點(diǎn)。表6從測(cè)溫精度、測(cè)量電路復(fù)雜度、抗干擾能力以及測(cè)溫范圍等方面開展了對(duì)比分析。

根據(jù)任務(wù)需求的重要度，分別按1-5分(1分——不影響功能實(shí)現(xiàn)的需求；3分——比較重要的影響功能實(shí)現(xiàn)的需求；5分——基本的、重要的需求。)進(jìn)行重要性分析評(píng)估。評(píng)估分析顯示，測(cè)量電路復(fù)雜度低，抗干擾能力強(qiáng)的熱敏電阻傳感器最優(yōu)，該傳感器電路簡(jiǎn)單可靠，滿足系統(tǒng)研制要求。

表6 溫度傳感器硬件選擇研究

2.2 ZigBee系統(tǒng)方案

ZigBee系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)時(shí)，遵循繼承、通用的原則，對(duì)于母板，選用現(xiàn)有產(chǎn)品上的組件。下面分別對(duì)電源、電源電路和ZigBee電路的不同元件開展了選擇分析。

表7為電源電路選擇調(diào)查情況統(tǒng)計(jì)，經(jīng)過重要性打分及評(píng)估分析，電壓精度更高、空載電流更小且可關(guān)斷省電的MAX1726EUK25+T最優(yōu)，可作為電源電路方案，雖然其輸出電流較低，但滿足任務(wù)需求。表8為ZigBee電路方案選擇研究方案。

表7 電源電路方案選擇研究

表8 ZigBee電路方案選擇研究

經(jīng)過對(duì)比分析，CC2430方案開發(fā)成本低、體積小、容易開發(fā)，只需要配合少量的外圍電路和元件就能使用。且CC2430芯片電壓范圍比較大(2.0～3.6 V)，功耗低，在待機(jī)模式下耗電量小于0.6 A/h，而在休眠模式下則小于0.9 A/h。其內(nèi)優(yōu)豐富的集成元件和強(qiáng)大的開發(fā)工具，可滿足系統(tǒng)功能需求。因此雖然其無線性能不是最優(yōu)的，但其仍是ZigBee電路方案首選。

由于ZigBee方案低功耗特性，選用鋰電池或紐扣電池來為模塊供電，就可以滿足無線測(cè)溫系統(tǒng)功耗要求。下面從電池電壓、電池容量以及電池重量等因素對(duì)常用的401119鋰電池、CR2032紐扣電池和301033鋰電池展開了選用分析，詳見表9。

表9 電源方案選擇研究

通過對(duì)比分析，雖然CR2032紐扣電池電壓較另兩種電池電壓稍低，但其電池容量更大，重量更輕，因此綜合考慮，CR2032紐扣電池最優(yōu)，因此電源方案選用CR2032紐扣電池。

熱敏電阻傳感器通過連接器連接到采集板卡的輸入端，將溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流量，采集板卡接收到熱敏電阻溫度電流量后，進(jìn)行濾波、分壓和放大處理，經(jīng)模擬開關(guān)選擇進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。其中A/D轉(zhuǎn)換器選擇如表10所示。

表10 熱敏電阻A/D轉(zhuǎn)換硬件選擇研究

其中采用CC2430內(nèi)置A/D的熱敏電阻傳感器A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)量路數(shù)多、電路簡(jiǎn)單，滿足項(xiàng)目總體任務(wù)要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無線測(cè)溫系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包含兩部分，溫度采集終端上的嵌入式系統(tǒng)軟件和設(shè)備管理軟件平臺(tái)上的應(yīng)用軟件，其中溫度采集終端上的嵌入式系統(tǒng)軟件主要負(fù)責(zé)溫度的采集、報(bào)警檢測(cè)和數(shù)據(jù)上傳的功能；設(shè)備管理軟件平臺(tái)上的應(yīng)用軟件主要負(fù)責(zé)對(duì)溫度采集終端進(jìn)行出廠初始化設(shè)置、用戶自定義溫度采集終端的系統(tǒng)工作參數(shù)(例如開機(jī)時(shí)間、關(guān)機(jī)時(shí)間和溫度測(cè)量間隔)，以及獲取溫度采集終端采集的溫度進(jìn)行可視化的操作。軟件設(shè)計(jì)組成如圖3所示。

圖3 軟件組成示意圖

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)是采用C程序設(shè)計(jì)語言開發(fā)。C程序設(shè)計(jì)語言具有十分豐富的基礎(chǔ)功能函數(shù)庫、編譯效率高、處理速度快，可移植性很好，且更具有模塊化的結(jié)構(gòu)，可讀性更高，代碼更工整，很好的支持模塊化的程序設(shè)計(jì)，具有更好的擴(kuò)展性，容易進(jìn)行更改。就開發(fā)周期、靈活度以及可靠性等特征，重點(diǎn)開展了2種不同C語言編程方案的比較，比較結(jié)果如表11所示，無線透?jìng)麟m靈活度低，但其具有高可靠性且開發(fā)周期短的巨大優(yōu)勢(shì)，因此可作為下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)方案。

表11 兩種C語言編程方案特點(diǎn)對(duì)比分析

具體的下位機(jī)軟件編寫流程如下。

首先，選擇一款具有無線透?jìng)鞴δ艿能浖撥浖呀?jīng)過長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量和使用功能完善，軟件性能穩(wěn)定，因此只要在此基礎(chǔ)上開展少量適應(yīng)性修改后就能滿足溫度采集、存儲(chǔ)功能，可放心使用；之后，使用cc-debugger仿真器完成該下位機(jī)軟件燒寫；最后利用廠家提供的軟件開展完成相關(guān)功能測(cè)試，至此，下位機(jī)軟件編寫完成。下位機(jī)軟件具有多路模擬量采集功能，可實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，后對(duì)該軟件的串口讀寫功能進(jìn)行了測(cè)試，其串口通信速率實(shí)測(cè)值為115 200 bps，不低于要求的57 600 bps，滿足項(xiàng)目總體任務(wù)要求。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和下位機(jī)軟件稍有不同，下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)是基于C語言編制完成，而上位機(jī)軟件則是對(duì)C語言編程方案和Labview語言編程方案進(jìn)行了對(duì)比分析，比較結(jié)果如表12所示。LabView為虛擬儀器編程專用軟件，圖形化編程，具有豐富的軟硬件接口子程序，可進(jìn)行方便的斷口調(diào)試，且其開發(fā)周期較短，可作為此次無線測(cè)溫系統(tǒng)研制中上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)編程首選方案。

上位機(jī)軟件采用Labview編程語言進(jìn)行程序開發(fā)，首先完成軟件流程圖的設(shè)計(jì)編寫，在此基礎(chǔ)上，依次完成數(shù)據(jù)接收模塊、溫度修正模塊、溫度顯示模塊的設(shè)計(jì)編寫，且完成各模塊的組裝，生成可執(zhí)行程序，最后完成了上位機(jī)軟件的功能測(cè)試。該上位機(jī)軟件具有熱敏電阻溫度值修正功能，能直接顯示各類的溫度數(shù)據(jù)，并能存儲(chǔ)及回放，其測(cè)試軟件界面如圖4所示。

表12 上位機(jī)軟件編程方案選擇調(diào)查表

圖4 上位機(jī)軟件界面

根據(jù)以上一系列對(duì)比分析選擇后，新型高精度輕質(zhì)無線溫度傳感器的最佳方案，如圖5所示。

圖5 新型高精度輕質(zhì)無線溫度傳感器最佳方案

4 測(cè)試與分析

4.1 ZigBee無線傳感器電路板實(shí)現(xiàn)

ZigBee無線傳感器電路板的設(shè)計(jì)在遵循電子產(chǎn)品通用設(shè)計(jì)流程圖(見圖6)的基礎(chǔ)上，針對(duì)無線射頻電路板的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，按以下設(shè)計(jì)流程，對(duì)每一步進(jìn)行了實(shí)施。

圖6 ZigBee無線傳感器電路板實(shí)現(xiàn)流程圖

對(duì)上述流程圖中設(shè)計(jì)的4層印制板部分進(jìn)行詳細(xì)說明，將網(wǎng)絡(luò)表文件裝載后，對(duì)5種24只元器件進(jìn)行印制板布局、繪制印制板邊框，確定印制板尺寸為20 mm×40 mm；然后設(shè)置印制板參數(shù)、各種焊盤的尺寸和印制線寬度；最后進(jìn)行印制板布線，布線過程中需經(jīng)常進(jìn)行布線錯(cuò)誤排查；完成布線并檢測(cè)無誤后，完成印制板設(shè)計(jì)，具體印制板設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 無線傳感器印制板圖

之后，完成了無線溫度傳感器內(nèi)導(dǎo)線焊接，印制板電源安裝，整器裝配。

最后使用測(cè)試儀器，完成了ZigBee無線測(cè)溫系統(tǒng)溫度采集裝置性能測(cè)試，結(jié)果如表13所示。

表13 無線測(cè)溫系統(tǒng)溫度采集裝置性能測(cè)試結(jié)果

4.2 溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)聯(lián)試

熱敏電阻溫度傳感器存在很大的非線性，需要根據(jù)溫度使用范圍，通過軟件計(jì)算出最優(yōu)的溫度補(bǔ)償點(diǎn)，因此裝配前需完成熱敏電阻溫度傳感器溫度參數(shù)擬合，裝配完成后，把熱敏電阻溫度傳感器溫度數(shù)據(jù)擬合公式導(dǎo)入軟件，用于后期溫度數(shù)值補(bǔ)償。

按照任務(wù)總體要求及航天系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)試的統(tǒng)一技術(shù)要求，完成了對(duì)無線溫度傳感器的整機(jī)裝配和信號(hào)聯(lián)通性的測(cè)試，具體流程如圖8所示。

圖8 無線測(cè)溫系統(tǒng)整機(jī)裝配和信號(hào)聯(lián)通性測(cè)試流程

軟件中導(dǎo)入了溫度補(bǔ)償公式，無線測(cè)溫系統(tǒng)溫度采集裝置可實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)功能，并完成無線網(wǎng)絡(luò)下溫度數(shù)據(jù)采集，且采集到的溫度數(shù)據(jù)是經(jīng)過補(bǔ)償修正后的準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)。

4.3 無線測(cè)溫系統(tǒng)溫度采集裝置性能測(cè)試

按照項(xiàng)目總體及航天系統(tǒng)設(shè)備測(cè)試的統(tǒng)一技術(shù)要求，完成了對(duì)已加工的多個(gè)無線測(cè)溫系統(tǒng)重量、測(cè)溫精度、待機(jī)時(shí)間以及通信距離等基本技術(shù)指標(biāo)及電氣性能的測(cè)試。首先完成了測(cè)量系統(tǒng)重量測(cè)定，得到了單路溫度傳感器重量(如表14所示)，表15給出了無線測(cè)量系統(tǒng)待機(jī)時(shí)間測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表14 無線測(cè)溫系統(tǒng)重量測(cè)量統(tǒng)計(jì)表

表15 無線測(cè)溫系統(tǒng)待機(jī)時(shí)間測(cè)量統(tǒng)計(jì)表

其中通信距離測(cè)試結(jié)果如圖9所示，對(duì)已生產(chǎn)的10塊無線測(cè)溫系統(tǒng)，其通信距離都大于100 m。且測(cè)溫精度測(cè)試顯示，在0～70 ℃內(nèi)測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)顯示，測(cè)溫精度優(yōu)于0.6 ℃；表14顯示單路溫度傳感器重量約為1.5 g，表15顯示整體無線測(cè)溫系統(tǒng)待機(jī)時(shí)間大于300 h，滿足航天器測(cè)溫精度高、重量輕等要求。

圖9 無線測(cè)溫系統(tǒng)通信距離

5 結(jié)束語

針對(duì)當(dāng)前航天運(yùn)載器、航天器上傳統(tǒng)有線溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)重量大，布線復(fù)雜，影響系統(tǒng)可靠性等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并研制了可滿足航天應(yīng)用需求的新型輕質(zhì)無線測(cè)溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有維護(hù)方便、安裝方便、測(cè)量精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)新型輕質(zhì)無線測(cè)溫系統(tǒng)方案選擇，硬件及軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)描述。經(jīng)實(shí)際測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)單路質(zhì)量小于2 g，測(cè)溫精度優(yōu)于0.6 ℃，待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)于300 h，極大的滿足了航天器中減重、測(cè)溫精度要求，應(yīng)用前景廣闊。

不過目前輕質(zhì)無線測(cè)溫系統(tǒng)還僅是處在試驗(yàn)室測(cè)試階段，距離后續(xù)的飛行應(yīng)用還需開展較多飛行測(cè)試試驗(yàn)驗(yàn)證。通過技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其將更好地為復(fù)雜航天器內(nèi)各設(shè)備溫度測(cè)量和實(shí)時(shí)控制提供服務(wù)。