面向模拟月壤的温度测量系统设计与实现

向小林，高宏伟，刘金国

(1.沈阳理工大学 信息科学与工程学院,沈阳 110159;2.中国科学院沈阳自动化研究所 机器人学国家重点实验室,沈阳 110016)



面向模拟月壤的温度测量系统设计与实现

向小林1,2，高宏伟1,2，刘金国2

(1.沈阳理工大学 信息科学与工程学院,沈阳 110159;2.中国科学院沈阳自动化研究所 机器人学国家重点实验室,沈阳 110016)

以ARM单片机STM32为核心控制单元，铠装K型热电偶为测量传感单元，模拟月壤CAS-1为测量对象，MAX31855作为热电偶的冷端补偿及数据转换芯片，设计了月壤温度就位测量系统。提出并采用动态限幅均值滤波进行数据处理，以得到可信的温度数据；切换备件，以处理硬件错误。该系统设计简单，安全可靠，软硬件模块化、轻量化、即插即用，在地面就位试验中有良好的表现。

模拟月壤；ARM；MAX31855；铠装热电偶；动态限幅均值滤波

月表温度是月表热环境的主要内容，是研究月球内部热演化模型的基本边界条件，也是解译微波探测数据的必要参数[1]。由于月表热环境恶劣(高温差，长周期等)，使得月表热环境的时间累积效应很大，因而月面探测器与绕月卫星的热控设计有很大区别。长远来看，建立在简单而粗略的热环境参数上的热控设计，将难以满足未来月面活动的需要，必须进一步获取详细准确的月面热环境数据[2]。

本文提出采用就位测量，其能够实时、接触式测量月壤温度，与遥感等非接触式测量相比，准确性高；并设计了一种用于测量月壤温度的就位测量样机，其由STM32作为主控单元，MAX31855作为热电偶的冷端补偿和数据转换单元，样机满足小型化、模块化、功耗低、重量轻、可靠性高[3]等设计要求。实验中，由于真正的月壤及其珍贵，一般用具有和月壤相似矿物组成、化学成分和物理力学性质的地球物质制成的模拟月壤代替，文中以CAS-1模拟月壤[4]作为测量对象。

1　温度测量方法

温度测量方法目前已经非常成熟，国内外分类方法不一，这里采用杨永军[5]的分类方法，这种方法按测量原理分类，对温度的测量分为接触式和非接触式[6]，如图1所示。

图1　测温方法

考虑到本设计是为了实地测量月球风化层(它是一种多孔的疏松混合介质)的温度，所以应承受恶劣的月球表面环境，如强辐射、月尘等的影响，以及发射与降落时的强振动与强冲击等，本设计选用铠装热电偶测量。

2　模拟月壤温度测量系统硬件设计

2.1系统概述

为了不增加上位机的负担，测量系统应是完全自主，功能完备的。在上位机需要时，直接对设备供电，然后读取处理好的最终数据即可。本系统采用K型铠装热电偶作为一次侧的测量单元，MAX31855作为二次侧的转换及冷端补偿单元，最后用STM32作为传感器的核心控制器，其用于对数据的二次处理，包括存储、打包、通信、电源管理等，系统组成如图2所示。

图2　温度测量系统总体框图

上位机月球探测器为温度测量系统提供电力。电力经过电源转换器，为处理器、MAX31855等提供电源，探针为K型铠装热电偶，其与MAX31855直接连接。

此外应注意，本系统以月球环境的应用为背景，因而在设计系统和选用材料时须考虑以下几个因素[4]：

1) 满足小型化、模块化、功耗低、重量轻、可靠性高的设计要求；

2) 防止月尘粘附到样机内时，对探测器的影响(防尘设计)；

3) 应付恶劣的太空辐射、温度环境；

4) 能承受发射时的强烈冲击和振动等。

2.2铠装热电偶

热电偶的工作原理：由热电效应知，两种不同成份的导体A、B两端经焊接形成回路，直接测温端叫热端，接线端子叫冷端，当热端和冷端存在温差时，会在回路中产生热电流，热电偶的热电动势随着热端温度的升高而增长。热电动势的大小只和热电偶导体材质以及两端温差有关，和热电极的长度、直径等几何形状无关。可用公式(1)表示其工作原理。

EAB(T,T0)=EAB(T0,0)EAB(T0,0)

(1)

式中：T0为冷端温度；T为热端温度；EAB(T,T0)表示热电偶回路的总电动势。

对于热电偶的选择，应考虑到测量精度、测温范围、运用氛围，耐久性和热响应性等，表1列出一般热电偶的特性。

表1　热电偶的分度号与测温范围　℃

文献[7]表明，月表温度白天可高达150℃，夜间最冷时，温度则可降到-180℃，可以选择K、E、T型热电偶；本文对温度精度要求为0.5 ℃，这里选择K型；考虑到使用氛围恶劣、强辐射、月尘等选择加上保护管，这里采用不锈钢套管，同时保护管也能延长其使用寿命；本设计对热电偶的响应快慢要求不高，可适当粗些(φ=6mm)，这也有益于其耐久性。保护套管与热电偶间应填充高热导、高绝缘物质，以便热传输，同时起到抗冲击和抗振动的作用。

2.3模拟月壤温度测量电路

测温电路采用铠装K型热电偶，及专用于K型热电偶的测温芯片MAX31855，电路设计如图3所示。其中端子1、2接K型热电偶；U2为电源转换芯片，其输出3.3V为MAX31855供电，并通过J1口的2脚输出供其他芯片使用；C1、C2应尽量靠近U2。J1的引脚7是备件的片选信号线，当U1通信失败时，会选中备件，备件与主件U1与STM32的连接相同，限于篇幅略去。

图3　测温电路

MAX31855简介[8]：器件MAX31855(以下简称器件)将复杂的线性化、冷端补偿及数字化输出等集中在一个芯片上。

器件包括信号调理硬件电路，将热电偶信号调整到与ADC输入通道相匹配的电压。将热电偶电压转换为等效的温度值之前，需要补偿热电偶冷端(器件环境温度)与0℃实际参考值的差异。对于K型热电偶，电压变化率为41.276μV/℃，可由线性方程(2)来逼近热电偶的特性。

U1=41.27×(T-T0)

(2)

式中：U1为热电偶输出电压(μV)；T是热端温度(℃)；T0是冷端温度(℃)。

通过冷端补偿对参考端的温度变化进行检测和修正，并直接输出数字化补偿后的温度。首先测量内部管芯温度，该温度应与参考端的温度相同；然后测量热电偶参考端的输出电压，并将其转换为补偿之前的热电偶温度值。将该值叠加到器件的管芯温度，计算得到热电偶的 “热端”温度。注意，“热端”温度也可能低于冷端(或参考端)温度。热电偶冷端与器件温度相同时，器件具有最佳性能。避免将发热设备或热源靠近器件，否则会产生冷端误差。

MAX31885型专用测温芯片的特点[8]：

1)冷端补偿功能；

新媒体的广泛应用可谓改变了过去受众接收信息、感知外界的固有方式，无论是工作需求还是休闲娱乐，新兴媒介都满足了受众随时随地浏览信息、查询资讯的需求。同时，新兴媒体还具备灵活新颖、双向互动等突出优势，因而短时间内获得受众市场，并对传统媒体造成一定影响。

2)14位ADC，0.25 ℃分辨率；

3)简单的SPI兼容接口(只读)；

4)能检测到热电偶短路到GND和VCC；

5)能检测到热电偶开路。

3　模拟月壤温度测量系统软件

模拟月壤温度测量系统软件由C语言在集成环境MDK-ARM中编写。软件系统主要包括系统的自检、微处理器STM32与MAX31855的通信、数据的滤波等。

3.1STM32与MAX31855的通信

图4　MAX31855通信时序图

为了提高系统的可靠性，开机后应先检查系统的完整性，若存在硬件错误，应给出检查结果或切换到备用件。本系统对关键硬件MAX31855设计了备件，STM32与MAX31855通信失败时，进行备件切换，即拉低备件片选线。通信正常后，检测热电偶连接是否正常。其自检程序流程图如图5所示。

图5　自检程序流程图

3.3温度数据的滤波与打包处理

为了防止测量环境(条件)的瞬间突变和严重干扰，引起的测量值严重偏离真实值的粗大误差，这里采用动态限幅滤波；为了防止噪声叠加到被测信号上，导致同一信号多次测量(其它条件不变)的结果不同的随机误差[4]，加入均值滤波[9]。

(3)

(4)

λ=3S

(5)

(6)

动态限幅由标准离差和样本确定，见式(6)。当测定值在A之外时，则认为这次测量不可信，将其舍去。

均值滤波原理：因为随机误差样本足够大时，具有统计平均值趋于零的统计特性，所以按照公式(4)(其中的N是去掉坏样本点的样本总数)，即可得到最终的温度数据。

为了验证滤波算法的有效性，这里用Matlab仿真分析。首先生成一个标准正态序列，模拟温度样本的随机误差；将其加上一定的偏移，模拟正常温度值(23℃)；再将序列中的一个值改为一个比较大的值(100℃)，模拟粗大误差。进行动态限幅滤波前见图6a，滤波后见图6b。很显然滤除了粗大误差。最后进行均值滤波，结果如图6b直线所示，值为22.98℃，与真实值23相差0.02，满足要求。

图6　动态限幅均值滤波

为了使传回地球的数据便于理解，将数据按时间、内容、目的编码打包存储[10-11]。整个系统的总体流程图如图7所示。

图7　总体程序流程图

4　实验结果

图8是该系统的实物验证系统，图8中:①是STM32最小系统；②是MAX31855模块；③是显示模块。显示模块是为了直观地得到实验数据，实际仪器中可将数据直接存储。

实际测试地点为：北纬41°46′、东经123°27′、室外；测量对象：模拟月壤CAS-1及当地沙土。测量前，先将所有设备和测量对象置于实验环境，待足够时间使得设备和测量对象达到热平衡。测量时先将铠装热电偶放在空中，以模拟近地温度(空气温度)测量，15分钟后插入模拟月壤。表2是传感器数据。

图8　实物验证系统

表2　模拟月壤CAS-1实验结果

表2表示测量在第几天某时开始，测量5分钟(5分钟进行了300次测量，即采样频率1Hz)对测量对象的测量结果。如第一次测量在第1天14∶00开始，意在测量近地面的温度；最后的温度表示滤波后的温度。

5　结束语

提出对月壤采用就位测量方式，以得到准确的温度数据，并论述了面向模拟月壤的温度就位测量系统的组成与各部分工作原理；设计了智能测量系统的软硬件，其中重点设计了错误与误差处理机制：分别采用切换备件和动态限幅均值滤波处理。硬件采用MAX31855将热电偶测温时复杂的线性化 、冷端补偿及数字化输出等集中在一个芯片上。在地面就位试验的结果表明，该系统具有较高的测量准确度，且设计能够满足航天所需的小型化、模块化、重量轻、可靠性高、抗冲击振动等设计要求。

[1]王世杰，李雄耀，唐 红，等.月面环境与月壤特性研究的主要问题探讨[J].地球化学,2010,39(1)：73-81.

[2]任德鹏，夏新林，贾 阳，等.月球表面热环境测量技术调研分析[J].航天器环境工程,2007,24(2)：69-78.

[3]张涛，邵兴国，向艳超.月尘对热控系统的退化影响[J].航天器工程,2010,19(5)：82-88.

[4]郑永春，王世杰，刘建忠，等.CAS-1模拟月壤[J].矿物学报,2007,27(3):571-578.

[5]杨永军.温度测量技术现状和发展概述[J].计测技术,2009,29(4):62-65.

[6]蔡继涛.模拟月壤物理参数实时测量系统研制[D].武汉：华中科技大学，2012.

[7]叶培建，肖福根.月球探测工程中的月球环境问题[J].航天器工程,2006,23(1):1-11.

[8]maxim integrated.MAX31855 cold-junction compensated thermocouple-to-digital converter[DB/OL].http://www.maximintegrated.com/en/products/analog/sensors-and-sensor-interface/MAX31855.html .[9]姜秀杰，孙辉先，陈小敏，等.一种用于载人航天设备的多通道数据采集系统[C]//中国空间科学学会空间探测专业委员会第十二次学术会议论文集.昆明：中国空间科学学会空间探测专业委员会，1999:245-248.

[10]Aaron P Zent，Michael H Hecht，Doug R Cobos，et al.Initial results from the thermal and electrical conductivity probe (TECP) on Phoenix[J].Journal of geophysical research.Part E :Planets,2010,115(E11):1-23.

[11]Aaron P Zent，Michael H Hecht，Doug R Cobos，et al.Thermal and Electrical Conductivity Probe (TECP) for Phoenix[J].Journal of Geophysical Research.Part E:Planets,2009,114(E3):27-45.

(责任编辑：马金发)

The Design and Implementation of Simulated Lunar Regolith Temperature Measurement Sensor

XIANG Xiaolin1,2, GAO Hongwei1,2, LIU Jinguo2

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)(2.State Key Laboratory of Robotics,Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China)

With single chip ARM STM32 as the key control unit,armoring K type thermocouple as measuring sensing unit,lunar regolith CAS-1 is simulated as the measured object and MAX31855 is taken as the cold end compensation of thermocouple and data conversion chip,and then the simulated lunar regolith measurement system in-situ is designed.Dynamic limiter mean filtering is proposed for data processing to obtain reliable temperature data,and spares are switched to handle errors.System simple designing,modular,lightweight,and plug and play,have good performance on the ground in the experiment,which satisfies the measurement precision well.

simulated lunar regolith；ARM；MAX31855；armored thermocouple；dynamic limiting amplitude and mean filtering

2015-03-19

国家自然科学基金资助项目(51175494)

向小林(1990—)，男，硕士研究生；通讯作者：高宏伟(1978—)，男，副教授，博士后，研究方向：计算机视觉、智能控制等。

TP23

A