多源表面温度信号发生装置的硬件设计

王丰华，李建清，吴剑锋

(1．东南大学仪器科学与工程学院，江苏南京　210096；2．南京水利水文自动化研究所，江苏南京　210012)

0　引言

表面温度信号发生装置可在装置表面发生任意波形的温度信号，一般可作为实验室仪器，用作对表面温度信号处理的热学实验中，该装置也可用于虚拟现实相关课题的温度触觉再现研究中，还可用于其它多种类似场合。温度信号波形曲线实际上是处于以x轴为时间、y轴为温度的坐标系内的曲线，如图1所示，表面温度信号发生装置为发生此信号曲线，将等分时间坐标，选取若干个温度值作为系统表面温度的控制目标，通过实时反馈和控制，能够完整准确的复现此组温度信号。

国内此类装置的研究以及文献相对较少，国外较多文献集中于珀尔贴的控制[1]，但大都没有针对温度波形信号的发生进行细致深入的研究。在国内，东南大学吴剑进等人设计了一种装置可以较好的实现表面温度信号发生[2]，江苏大学王恒海等人设计了基于LabVIEW的温度测控系统[3]。对比国内外同类装置，可发现以下一些不足之处：(1)单源，仅能同时发生一个温度信号；(2)珀尔贴效应的控制发生电路采用电压控制，在某些情况下不够精确；(3)有些装置外加水冷处理，体积较为庞大。

该装置在以上几个方面做了改进，设计了小型的、基于电流控制的、多源的表面温度信号快速发生装置，并在灵活性上有了较大提高，可实现一定温度范围内(-5～50℃)、不超过最大升降温速率(升温10℃/s、降温-5℃/s)的任意波形温度曲线的发生。

图1　表面温度信号曲线

1　装置的组成与结构设计

该装置利用珀尔贴的热电特性来做复现，通过控制珀尔贴其中1个表面的升降温速度来实现表面温度信号曲线的精确发生。采用4个珀尔贴，可同时发生4组不同的温度信号。装置主要由上层的机械结构部分和下层箱体的控制部分组成。

上层机械结构比较复杂，主要由如下功能部分组成：(1)红外温度传感器和其支撑架主要用来采集4个珀尔贴的上表面的温度，支架可水平转动，而红外传感器可以在横臂上横向移动，这样在标定学习温度信号曲线阶段，就可以用1个传感器在不同时段分时来对4路珀尔贴上表面温度进行采集。(2)在上方的散热铜块中开槽嵌入4个珀尔贴，并用导热硅胶使珀尔贴下表面和铜块接触良好，保证良好的散热。这样做的主要原因是珀尔贴在通电流工作时，上下表面会形成温差，如果温差过大超过一定阙值，则无法继续正常工作。采用散热铜块，可以将热量尽快散发出去。(3)上层的机械结构部分组成了一个整体，放在下面的压力传感器基板上，4个压力传感器直接与上面的整体接触，当有手按下时，压力传感器采测到变化，并根据每一个压力传感器的变化差值，判断出是哪个珀尔贴被按下，通知控制系统开始做出相应的温度信号发生动作，从而使得人手可以直接触摸感觉到温度的变化。压力传感器基板下是散热风扇，由于基板中间是镂空的，所以风扇产生的对流空气可以到达上层的铜块，使得整个系统散热更加良好。装置的控制电路板置于箱体的底部。

2　硬件设计与控制方法

系统通过控制通过珀尔贴的电流方向来控制升温或者降温，控制电流的大小可实现升降温速率的不同。若要实现精确控制，还必须实时的采集表面温度，反馈给控制部分形成闭环控制。系统的核心板主要由微控制器LPC2378 ARM7芯片以及相应外围电路组成。采用ARM控制器和嵌入式操作系统μC/OS2搭建了硬件控制平台，ARM芯片的高性能可以实时响应反馈并进行控制，可同时执行若干个不同的任务，这一点对多源的温度信号发生很重要。装置的总体电路实现框图如图2所示。

图2　装置总体电路示意图

2．1基于电流控制的电路实现与优势

对珀尔贴温度的灵活控制是该类装置的核心技术。在装置中实现了一个压控恒流源，能够输出0～3 A范围的实时电流，可以精确控制通过珀尔贴的电流大小。同以往的变电压控制方式相比，通过变电流来控制的优势主要体现在：(1)珀尔贴工作发热的实质与电流密切相关，通过的电流的大小直接决定其发热量的大小；(2)实验发现，当电压在超过某一范围内后，电压继续加大，此时珀尔贴的温度基本上不再变化。因此电流变化才是珀尔贴发热的实质性影响因素，通过控制电流的变化能够实时、精确的控制珀尔贴发热量的大小。

该装置设计了四路压控恒流源，通过DA转换芯片输出的电压对电流进行精密控制，较好的实现了对于珀尔贴温度的实时精确控制。压控恒流源电路原理框图如图3所示。

图3　压控恒流源原理图

四合一DA转换芯片DAC8574是一种16位精度的数字模拟信号转换器，通过I2C高速总线写入芯片缓存要发生参考电压的比例值，可以迅速产生相应的模拟电压信号，并可同时输出四路信号。在装置中输出的电压是0～3 V．XTR110是一种单片精密电压-电流转换芯片，通过调整外围的2个精密电阻，可以使得电压和电流产生1∶1的转换关系，这样就可以产生0～3 A的电流输出。TLE5206是一种不用外加元器件、高度集成的H桥驱动芯片，可输出高达5 A的连续稳定电流，并有过流保护作用，ARM芯片的I/O口可直接驱动该芯片，进行电流方向的转换。整个压控恒流源电路采用了多个集成度高的芯片，电路简单、有效。经过测试，在2.54 A的电流驱动下，一块面积为15 mm×15 mm的珀尔贴升温速率可达12.8℃/s，降温速率-6.7℃/s，符合最初的设计要求。

2．2实时反馈和PID控制

必须带有温度采集反馈的电路才能真正实现对珀尔贴温度的精确控制。通过对控制输出的结果进行感知，反馈给控制系统作为下一步控制的参数，这样形成了一个闭环的控制系统，从而达到对表面温度信号曲线的精确模拟。

由于对温度采集的实时性要求很高，该装置要求温度的采集不能延迟100 ms．在充分对比了薄膜热电阻、热电偶、各类接触式温度传感器后，发现均不能达到要求，最终选定非接触式的红外温度传感器MLX90614来采集实时温度，经过设置，其响应速度可以优于100 ms．数字式红外温度传感器MLX90614可每隔40～100 ms采集1次温度，分辨率可达0.14℃可为温度复现曲线的实时精确控制提供及时的数据反馈。MLX90614通过SMBus协议输出温度值，这种协议是基于I2C协议工作原理之上的，但与之有所不同，在温度采集子程序中，要根据协议的规定对时序做非常严格的控制才能正确采集出温度值[4]。在此实验过程中，采用数字示波器观察实际波形后，再对照协议，编写了温度采集子程序。

由于响应时间要求非常严格，要求能快速、实时的控制输出，因此选用了简单、有效的PID控制方法。每隔0.1 s，程序根据红外温度传感器返回的温度，以及下一个到

达点的温度，以给定的PID参数带入PID控制函数中作计算，得出的PID函数结果记为rout.根据rout值的正负与大小的不同，驱动电流做出相应的改变。驱动函数actuator(fp32 rout，fp32 cur，uint8 *flag)，对PID过程算出的结果进行数据处理，其中flag存储当前加热还是降温。

PID参数的选择也是一个关键，需要根据理论和经验，反复做实验方能得出一个合适的值。PID的参数也可根据动态特性变化重新整定[5]，由于实际控制效果已经基本满足需要，未进行此部分处理。

2．3多任务程序设计

系统要同时发生4组不同的温度信号，要对红外温度传感器、压力传感器、室温传感器等信号进行采集，要控制多路开关量、模拟量输出，若采用单片机的前后台系统，很难满足需求，因此在系统中加入了嵌入式操作系统μC/OS-II.μC/OS-II是一个完整的、可移植、固化、裁剪的占先式实时多任务内核，其轻量化、实时可控的特点是采用此操作系统的主因。

在系统中至少存在着以下几个必要任务：

(1)压力传感器监测任务，采用每隔1/4 s轮询监测的方式，对4个压力传感器的数值进行比较，根据差值判断出是哪个珀尔贴被触摸，以及触摸的力的大小，然后发送信号量给对应珀尔贴温度信号发生任务，执行温度信号发生过程。

(2)串口数据接收处理任务，采用每隔1 s轮询监测的方式，对串口发来的数据进行监测，可根据自定义的命令进行响应，也可接收温度控制数据组。根据不同的命令做不同的处理，与温度信号发生任务的通信仍然是通过信号量。

(3)温度信号发生任务组，由4个单独的任务组成，每个任务完成其对应珀尔贴表面发生温度信号的控制过程。平时这些任务处于挂起等待信号量的状态，当收到其他任务发来的信号量时才开始动作。

3　实验研究

如果把每次得到的PID控制结果参数rout记录在一个数组中，则可在外部温度湿度等环境因素不改变的情况，直接依据此组参数输出控制，由此即能在珀尔贴表面发生之前带反馈控制条件下的温度曲线。在实际实验中，将输出结果用红外温度传感器进行采集后观察，与假设是一致的，这是因为在初始条件一样的情况下，PID每次控制的结果和最终的输出都是近乎精准的。这也验证了表面温度信号曲线发生的可重复性。因此在装置的温度信号发生原理上，实际上是分了两个过程的：一个是学习，是对目标控制曲线的初次、带反馈的实现过程；一个是复现，是在初始环境不变情况下，利用初次得到的控制参数，重复多次复现同一曲线的过程。

在实际实验过程中，先设定好程序，将4个珀尔贴发生的表面温度曲线分别设计为快速升温、快速降温、缓慢升温、缓慢降温，组织了若干名年龄、性别不同的学生进行逐个用手指触摸此装置的试验，得出了几点实验结果：(1)不同人对温度变化的敏感程度不一样；(2)人手指对室温下的降温比较敏感，对升温不是很敏感；(3)人手指能够感觉出差别较大的升降温速率的不同。

4　结论与展望

实验证明，该装置在表面温度控制的精确性和实时性方面的提升是明显的。具备了以上功能的多源温度信号发生器，通过RS-232串口连接电脑后，可很容易的编写人机界面交互软件，画出限定温度及变化率范围内的任意温度波形曲线，然后由该装置实现立即式的温度曲线信号发生。

参考文献：

[1]YAMAMOTO A,CROS B,HASHIMOTO H，et al．Control of thermal tactile display based on prediction of contact temperature．SProceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotic&Automation，New Orleans，2004：1536-1541．

[2]吴剑进，李建清，吴剑锋，等．表面温度信号快速发生装置硬件设计．传感器与微系统，2011(1)：104-106．

[3]王恒海，陈照章，徐晓斌，等．基于LabVIEW的温度测控系统设计．仪表技术与传感器，2007(4)：26-28．

[4]Melexis Semiconductor．IR sensor thermometer MLX90614 Datasheet．http：//www．melexis．com/Assets/IR-sensor-thermometer-MLX90614-Datasheet-5152．aspx．2008．

[5]雷聚超．一种新的自适应PID控制算法．工业仪表与自动化装置，2002(5)：23-25．