高精度轻质无线测温系统研制与实现

余 群，王 骞，王思峰，王领华，吕建伟

(中国运载火箭技术研究院，北京 100076)

0 引言

温度作为航天器研制与试验当中重要参数，对航天器的设计与改进都具有重要的指导作用[1-2]。当前航天运载器、航天器在飞行过程需要进行大量的温度数据采集，以掌握其工作状态，保障航天器上设备产品质量安全。由于航天器内部环境复杂、空间紧凑，温度范围差异较大，且存在多种电磁干扰，因此对测温系统的测温精度、通道数量和可靠性提出了更高的要求[3-4]。且随着科学和经济的发展，对航天器的重量、研制周期、维修性等也提出了更高要求，使得温度测量向自动化、智能化方向进展[5]。

现有航天器上的温度采集仍然采用传统有线方式，要想满足航天器上各设备、结构等温度采集速度、准确度以及控温精度，必须要布置足够多数量的测温传感器。但过多的测温传感器必然会导致航天器内部电缆数量的增加，而布线数目的增加必然会使航天器面临多个方面问题，一方面，温度采集电缆多，增加了航天器系统自身重量，有效载重量减小。另一方面，在有限的空间内，在保证安全、稳定的条件下，布线的数目是有限的，有限的测量通道数将无法满足航天器高精度控温需求。三是布线复杂，装配困难，影响系统可靠性，工作耗时长。且温度传感器为耗材，使用次数和使用期限都有限制，测试成本高[6-8]。针对以上有线测温方式存在的问题，可采用无线测温方式替代。无线测量凭借其测点数目多、无线信息传输等优势，受到越来越多的关注[9-12]。无线温度测量在民用产品上已有较多的应用[13-18]，但由于其采用的多是半导体传感器，仅适应于空气环境温度的测量，且响应时间长，无法满足航天器上应用需求。

针对航天器舱内有限空间下有线测温方法存在的问题，设计采用无线测温的方式代替。为了满足对航天器内部设备温度采集和测试要求，分析并设计了高精度轻质无线测温系统，测温系统的温度采集器体积小、准确度高，通过ZigBee等无线信号传输的方式可将采集的温度数据传输到上位机保存、处理。

1 方案设计

1.1 设计目标

根据航天器承担任务的重要性，项目总体对温度测量系统重量、测温精度、可靠性、待机时间等提出了更高要求，要求每路温度采集系统的重量低于2 g，且待机时间不少于240 h。围绕温度测量系统重量行了调查研究，目前现有航天器上应用的温度测量系统均为有线温度测量系统，每路温度传感器的重量均超过30 g，指标不满足总体要求，统计结果如表1所示。

表1 现有航天器上温度测量系统重量指标

上述温度测量系统为有线方案，民品上有些无线的应用，但也存在一定局限性。调查情况如表2所示。

表2 现有温度测量系统测量方式调查表

上述调查显示，有线测温系统无法满足航天器对温度测量系统提出的更高重量指标要求。因此，为满足对温度测量系统重量及其他指标要求，需研制新型轻质无线测量系统，该系统能够采集各测点的温度信号，在对信号进行运算处理后，通过无线网络发送给航天器数据采集系统进行数据采集，用于后续判读。

1.2 无线传输网络总体方案设计

无线通信技术是指在不依赖任何有线电缆的前提下，利用电磁波进行信号传输。根据传输距离的长短，可以将无线通信技术分为短距离无线通信技术和远距离无线通信技术[19]。由于本无线测温系统计划在航天器上使用，因此主要适用短距离无线通信模块。目前市场较为流行的短距离无线通信模块主要有Wi-Fi模块、蓝牙(Bluetooth)模块和ZigBee模块等[20-23]。结合任务需求和总体目标，对分别使用Wi-Fi模块、蓝牙(Bluetooth)模块和ZigBee模块设计的无线测温系统进行了调研讨论，利用亲和图对3种无线测温系统方案特点进行了归纳梳理，结果如图1所示。

图1 无线测温系统方案亲和图

对以上3种方案特点进行对比分析，如表3所示。

表3 无线通信技术方案及特点对比

结合以上的分析，考虑总体任务要求，按如下权重比例对上面的3种案进行了评估分析，评估系列表如表4所示。

表4 评估系列表

评估结果如表5所示。

根据评估分析方法的评估结果，综合考虑覆盖距离、功耗、传输速率、网络节点数、安全性等指标，ZigBee方案具有功耗更低、价廉、稳定性好、可靠性更高等优势，方案最优。因此本文利用ZigBee技术来实现无线通信功能。

表5 评估结论表

基于减小设备体积，减轻设备重量、降低功耗、提高可靠性等设计原则，本文完成了基于ZigBee技术的无线测温系统硬件和软件详细设计。下面将从硬件和软件两方面详细介绍无线测温系统设计方案。

2 系统硬件设计

ZigBee无线温度采集方案硬件主要由温度传感器和ZigBee系统2大部分组成。无线测温系统硬件组成如图2所示。

图2 无线测温系统硬件组成示意图

2.1 温度传感器模块设计方案

目前温度传感器的应用几乎遍布于所有领域。温度传感器不断的推陈出新，常见的有电偶传感器、电阻式温度传感器、半导体式温度传感器等。已有型号产品上常用的温度传感器有铂电阻、热敏电阻、热电偶、半导体传感器[24]，这4种传感器，各有有缺点。表6从测温精度、测量电路复杂度、抗干扰能力以及测温范围等方面开展了对比分析。

根据任务需求的重要度，分别按1-5分(1分——不影响功能实现的需求；3分——比较重要的影响功能实现的需求；5分——基本的、重要的需求。)进行重要性分析评估。评估分析显示，测量电路复杂度低，抗干扰能力强的热敏电阻传感器最优，该传感器电路简单可靠，满足系统研制要求。

表6 温度传感器硬件选择研究

2.2 ZigBee系统方案

ZigBee系统硬件方案设计时，遵循继承、通用的原则，对于母板，选用现有产品上的组件。下面分别对电源、电源电路和ZigBee电路的不同元件开展了选择分析。

表7为电源电路选择调查情况统计，经过重要性打分及评估分析，电压精度更高、空载电流更小且可关断省电的MAX1726EUK25+T最优，可作为电源电路方案，虽然其输出电流较低，但满足任务需求。表8为ZigBee电路方案选择研究方案。

表7 电源电路方案选择研究

表8 ZigBee电路方案选择研究

经过对比分析，CC2430方案开发成本低、体积小、容易开发，只需要配合少量的外围电路和元件就能使用。且CC2430芯片电压范围比较大(2.0～3.6 V)，功耗低，在待机模式下耗电量小于0.6 A/h，而在休眠模式下则小于0.9 A/h。其内优丰富的集成元件和强大的开发工具，可满足系统功能需求。因此虽然其无线性能不是最优的，但其仍是ZigBee电路方案首选。

由于ZigBee方案低功耗特性，选用锂电池或纽扣电池来为模块供电，就可以满足无线测温系统功耗要求。下面从电池电压、电池容量以及电池重量等因素对常用的401119锂电池、CR2032纽扣电池和301033锂电池展开了选用分析，详见表9。

表9 电源方案选择研究

通过对比分析，虽然CR2032纽扣电池电压较另两种电池电压稍低，但其电池容量更大，重量更轻，因此综合考虑，CR2032纽扣电池最优，因此电源方案选用CR2032纽扣电池。

热敏电阻传感器通过连接器连接到采集板卡的输入端，将温度模拟信号转换为电流量，采集板卡接收到热敏电阻温度电流量后，进行滤波、分压和放大处理，经模拟开关选择进入A/D转换器进行模数转换。其中A/D转换器选择如表10所示。

表10 热敏电阻A/D转换硬件选择研究

其中采用CC2430内置A/D的热敏电阻传感器A/D转换器测量路数多、电路简单，满足项目总体任务要求。

3 系统软件设计

无线测温系统的软件设计主要包含两部分，温度采集终端上的嵌入式系统软件和设备管理软件平台上的应用软件，其中温度采集终端上的嵌入式系统软件主要负责温度的采集、报警检测和数据上传的功能；设备管理软件平台上的应用软件主要负责对温度采集终端进行出厂初始化设置、用户自定义温度采集终端的系统工作参数(例如开机时间、关机时间和温度测量间隔)，以及获取温度采集终端采集的温度进行可视化的操作。软件设计组成如图3所示。

图3 软件组成示意图

3.1 下位机软件设计

下位机软件设计是采用C程序设计语言开发。C程序设计语言具有十分丰富的基础功能函数库、编译效率高、处理速度快，可移植性很好，且更具有模块化的结构，可读性更高，代码更工整，很好的支持模块化的程序设计，具有更好的扩展性，容易进行更改。就开发周期、灵活度以及可靠性等特征，重点开展了2种不同C语言编程方案的比较，比较结果如表11所示，无线透传虽灵活度低，但其具有高可靠性且开发周期短的巨大优势，因此可作为下位机软件设计方案。

表11 两种C语言编程方案特点对比分析

具体的下位机软件编写流程如下。

首先，选择一款具有无线透传功能的软件，该软件已经过长时间测量和使用功能完善，软件性能稳定，因此只要在此基础上开展少量适应性修改后就能满足温度采集、存储功能，可放心使用；之后，使用cc-debugger仿真器完成该下位机软件烧写；最后利用厂家提供的软件开展完成相关功能测试，至此，下位机软件编写完成。下位机软件具有多路模拟量采集功能，可实现自组网，后对该软件的串口读写功能进行了测试，其串口通信速率实测值为115 200 bps，不低于要求的57 600 bps，满足项目总体任务要求。

3.2 上位机软件设计

上位机软件设计和下位机软件稍有不同，下位机软件设计是基于C语言编制完成，而上位机软件则是对C语言编程方案和Labview语言编程方案进行了对比分析，比较结果如表12所示。LabView为虚拟仪器编程专用软件，图形化编程，具有丰富的软硬件接口子程序，可进行方便的断口调试，且其开发周期较短，可作为此次无线测温系统研制中上位机软件设计编程首选方案。

上位机软件采用Labview编程语言进行程序开发，首先完成软件流程图的设计编写，在此基础上，依次完成数据接收模块、温度修正模块、温度显示模块的设计编写，且完成各模块的组装，生成可执行程序，最后完成了上位机软件的功能测试。该上位机软件具有热敏电阻温度值修正功能，能直接显示各类的温度数据，并能存储及回放，其测试软件界面如图4所示。

表12 上位机软件编程方案选择调查表

图4 上位机软件界面

根据以上一系列对比分析选择后，新型高精度轻质无线温度传感器的最佳方案，如图5所示。

图5 新型高精度轻质无线温度传感器最佳方案

4 测试与分析

4.1 ZigBee无线传感器电路板实现

ZigBee无线传感器电路板的设计在遵循电子产品通用设计流程图(见图6)的基础上，针对无线射频电路板的设计特点，按以下设计流程，对每一步进行了实施。

图6 ZigBee无线传感器电路板实现流程图

对上述流程图中设计的4层印制板部分进行详细说明，将网络表文件装载后，对5种24只元器件进行印制板布局、绘制印制板边框，确定印制板尺寸为20 mm×40 mm；然后设置印制板参数、各种焊盘的尺寸和印制线宽度；最后进行印制板布线，布线过程中需经常进行布线错误排查；完成布线并检测无误后，完成印制板设计，具体印制板设计如图7所示。

图7 无线传感器印制板图

之后，完成了无线温度传感器内导线焊接，印制板电源安装，整器装配。

最后使用测试仪器，完成了ZigBee无线测温系统温度采集装置性能测试，结果如表13所示。

表13 无线测温系统温度采集装置性能测试结果

4.2 温度传感器网络联试

热敏电阻温度传感器存在很大的非线性，需要根据温度使用范围，通过软件计算出最优的温度补偿点，因此装配前需完成热敏电阻温度传感器温度参数拟合，装配完成后，把热敏电阻温度传感器温度数据拟合公式导入软件，用于后期温度数值补偿。

按照任务总体要求及航天系统设备联试的统一技术要求，完成了对无线温度传感器的整机装配和信号联通性的测试，具体流程如图8所示。

图8 无线测温系统整机装配和信号联通性测试流程

软件中导入了温度补偿公式，无线测温系统温度采集装置可实现自组网功能，并完成无线网络下温度数据采集，且采集到的温度数据是经过补偿修正后的准确的温度数据。

4.3 无线测温系统温度采集装置性能测试

按照项目总体及航天系统设备测试的统一技术要求，完成了对已加工的多个无线测温系统重量、测温精度、待机时间以及通信距离等基本技术指标及电气性能的测试。首先完成了测量系统重量测定，得到了单路温度传感器重量(如表14所示)，表15给出了无线测量系统待机时间测量统计结果。

表14 无线测温系统重量测量统计表

表15 无线测温系统待机时间测量统计表

其中通信距离测试结果如图9所示，对已生产的10块无线测温系统，其通信距离都大于100 m。且测温精度测试显示，在0～70 ℃内测量的温度数据显示，测温精度优于0.6 ℃；表14显示单路温度传感器重量约为1.5 g，表15显示整体无线测温系统待机时间大于300 h，满足航天器测温精度高、重量轻等要求。

图9 无线测温系统通信距离

5 结束语

针对当前航天运载器、航天器上传统有线温度数据采集系统重量大，布线复杂，影响系统可靠性等特点，设计并研制了可满足航天应用需求的新型轻质无线测温系统，该系统具有维护方便、安装方便、测量精准等优点。本文对新型轻质无线测温系统方案选择，硬件及软件设计进行了详细描述。经实际测试后发现，本系统单路质量小于2 g，测温精度优于0.6 ℃，待机时间长于300 h，极大的满足了航天器中减重、测温精度要求，应用前景广阔。

不过目前轻质无线测温系统还仅是处在试验室测试阶段，距离后续的飞行应用还需开展较多飞行测试试验验证。通过技术的不断发展和完善，其将更好地为复杂航天器内各设备温度测量和实时控制提供服务。