基于藍牙Mesh組網(wǎng)的慣性系統(tǒng)測溫方法

馬一通，閆文民，翟慶輝

(1.超精密航天控制儀器技術實驗室，北京100039;2.北京航天控制儀器研究所，北京100039)

0 引言

在慣性系統(tǒng)中,慣性儀表對環(huán)境溫度的要求比較苛刻。在進行飛行導航、自標定和自瞄準等功能時,包括慣性儀表在內(nèi)的本體發(fā)生了轉(zhuǎn)位,造成內(nèi)部環(huán)境的溫度波動。這樣,儀表的輸出精度就發(fā)生了變化,進而影響到整個慣性系統(tǒng)的導航精度。

傳統(tǒng)的測溫方法中,中低溫范圍內(nèi)高精度測溫的常用溫度傳感器采用的是熱敏感電阻的方式。而在熱敏感電阻的溫度測量應用中,常用的方法有專用精密電阻測溫儀法、平衡電橋式比較測溫法、恒流源式測溫法。使用專用儀器測溫時,因儀器體積較大且需要外接計算機板卡,測溫系統(tǒng)不構(gòu)成密閉空間,測溫情況和實際工作情況不一致。平衡電橋式比較測溫法雖然在校范圍內(nèi)精度可以做到最高,但測溫路數(shù)增多時,需要的平衡電橋也會相應增加,功耗和體積都會增大。恒流源式測溫采用自帶恒流源的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,多路熱敏感電阻的切換則利用低導通阻抗和小漏電流的模擬開關來實現(xiàn)。無線傳輸方面,藍牙Mesh網(wǎng)的優(yōu)勢在于組網(wǎng)連接速度快、通信距離長、網(wǎng)絡節(jié)點自由交互多等方面。

基于以上優(yōu)勢,本文設計了無線組網(wǎng)式溫度采集系統(tǒng),可用于慣性系統(tǒng)的溫度測量,尤其在框架轉(zhuǎn)位過程中,有限空間內(nèi)部溫度都能得到監(jiān)測?；趹T性系統(tǒng)儀表的溫度敏感點,設計了有限空間內(nèi)部溫度場的多路溫度采集方案,完成了慣性系統(tǒng)在正常工作過程中儀表所處環(huán)境的多點溫度測試。有效的溫度數(shù)據(jù)為慣性系統(tǒng)溫度場的仿真模型提供了數(shù)據(jù)輸入,為慣性儀表溫度敏感項的參數(shù)補償提供了計算基礎。

1 系統(tǒng)整體方案設計

應用于慣性系統(tǒng)測溫的多點無線測溫系統(tǒng)將各測溫節(jié)點分布在慣性系統(tǒng)內(nèi)部,通過溫度傳感器的鉑電阻進行溫度實時在線監(jiān)測,并利用藍牙網(wǎng)絡將終端節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送到數(shù)據(jù)中心節(jié)點,數(shù)據(jù)中心節(jié)點將測得的溫度數(shù)據(jù)進行溫度點的識別及解析,并在上位機上顯示、存儲。

區(qū)域式溫度采集系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)采用無線式采溫將需要關注的溫度點劃分區(qū)域,若干個溫度點歸結(jié)為一個站點,經(jīng)過站點式測溫后將數(shù)據(jù)分時發(fā)送到主接收站點。系統(tǒng)采用電阻式傳感器對內(nèi)部空間的溫度進行在線實時監(jiān)測,并對測量數(shù)據(jù)進行記錄分析,末梢傳感器節(jié)點采集的溫度數(shù)據(jù)可通過藍牙Mesh網(wǎng)絡實現(xiàn)溫度測量的無線通信。該系統(tǒng)測量精度高、抗干擾能力強、功耗低、安裝簡便。

圖1 區(qū)域式溫度采集系統(tǒng)Fig.1 Diagram of temperature sampling system by dividing area

1.1 整體功能及性能要求

系統(tǒng)的整體功能及性能要求包括:

1)在慣性系統(tǒng)內(nèi)部的熱源(功率管、加熱棒、陀螺馬達、軸端電機)產(chǎn)生的焦耳熱程度不同,會造成溫度梯度,且熱敏感元件(3個陀螺和3個石英加速度計)對溫度的敏感程度也不一致,這些都會影響整個系統(tǒng)的性能。因此,內(nèi)部空間的這些測溫點都應該得到關注。

2)在進行內(nèi)部的多點測試時,由于空間的限制及受360°轉(zhuǎn)位影響,不方便接入專用測溫儀器,且要求測溫設備具有自動存儲功能。

3)為使溫度測量系統(tǒng)在較寬的環(huán)境溫度范圍內(nèi)工作仍保證高精度,要求測溫系統(tǒng)能進行系統(tǒng)溫度自補償。

4)在儀表的安裝位置有二級溫控,溫度環(huán)節(jié)為慣性環(huán)節(jié),慣性儀表的內(nèi)部溫度會變化比較緩慢,當溫度采樣速率大于10次/秒時能滿足慣性儀表的溫度監(jiān)測要求。

當陀螺內(nèi)部的溫度變化小于0.1℃時,陀螺的標度因數(shù)變化就很小,能達到高精度陀螺的要求。進行溫度補償時,要求測溫精度必須優(yōu)于影響陀螺精度的溫度最小變化量的4～10倍。因此,溫度測量系統(tǒng)溫差的測量精度需要優(yōu)于0.05℃。

1.2 系統(tǒng)總體構(gòu)架設計

本文設計的多點式無線測溫系統(tǒng)主要由采集溫度數(shù)據(jù)的 “終端測溫節(jié)點”和接收溫度數(shù)據(jù)的“數(shù)據(jù)中心節(jié)點”兩部分組成,終端節(jié)點完成溫度數(shù)據(jù)的采集及無線發(fā)送,數(shù)據(jù)中心節(jié)點負責完成多點式系統(tǒng)的組網(wǎng)以及接收由各終端節(jié)點發(fā)送的溫度數(shù)據(jù),模塊間通過藍牙Mesh網(wǎng)通信。系統(tǒng)的整體框圖如圖2所示。

圖2 測溫系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Principle block diagram of the temperature sampling system

終端節(jié)點模塊以鉑電阻溫度傳感器和精密比較電阻為基礎,通過多通道選擇開關選擇對應的接入溫度測量電路。經(jīng)過A/D模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后,將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送到微處理器中,經(jīng)過微處理器的處理將數(shù)據(jù)信號打包,藍牙模塊將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給數(shù)據(jù)中心節(jié)點。

數(shù)據(jù)中心節(jié)點的無線接收模塊根據(jù)預定的測溫節(jié)點數(shù)目進行無線組網(wǎng),然后依次接收各測溫節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心節(jié)點接收到終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)字信號包,將數(shù)據(jù)包通過既定的通信協(xié)議拆包,取出有效數(shù)據(jù)傳送到處理器,處理器進行數(shù)據(jù)分析、計算,然后將溫度監(jiān)測結(jié)果顯示并保存到上位機中。

無線接發(fā)模塊采用藍牙Mesh自組網(wǎng)方式,模塊具有休眠/喚醒的節(jié)能模式,用于降低無線測溫節(jié)點的功耗,延長電池的使用壽命。相比傳統(tǒng)的ZigBee傳輸,使用藍牙Mesh網(wǎng)更加節(jié)省數(shù)據(jù)的有效傳輸時間。

2 終端節(jié)點模塊的設計與實現(xiàn)

終端節(jié)點模塊主要由溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、微控制器、無線發(fā)送模塊組成,測溫精度取決于溫度傳感器的精度和用于數(shù)字化傳感器輸出的A/D性能以及額外的A/D片內(nèi)電路。本章主要介紹了溫度傳感器、高精度A/D轉(zhuǎn)換器的性能要求、傳感器與A/D接口所需的電路等。

2.1 測溫模塊設計

多路溫度采集模塊完成對多個溫度測量點的溫度監(jiān)測,并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳送給微處理器。以鉑電阻溫度傳感器和精密電阻設計溫度監(jiān)測電路,利用多通道選擇開關選擇對應的鉑電阻接入溫度監(jiān)測電路,將相應的鉑電阻傳感器的信號送入A/D轉(zhuǎn)換器中,A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為微控制器能識別的數(shù)字信號。

1)鉑電阻測溫電路

橋臂式測溫的激勵電源與電橋橋臂電阻的誤差和溫漂將嚴重影響溫度測量的精度,難以達到高精度溫度測量的要求,同時電橋測溫電路會引入非線性誤差。而恒流源式溫度測量方案無需運放和電橋,外圍調(diào)理電路少。如圖3所示,RTD熱敏電阻的電壓信號經(jīng)過芯片內(nèi)部的通路切換、增益選擇器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)接口等環(huán)節(jié)實現(xiàn)了高精度模擬信號的采集。

圖3 熱敏電阻RTD測試圖Fig.3 Schematic diagram of RTD sampling system

本文采用阻值比較法進行溫度測量,A/D轉(zhuǎn)換器輸出的恒流源通過鉑電阻和精密電阻。由于通過兩者的電流相同,鉑電阻的阻值可由兩者的比值乘以精密電阻的阻值算出。恒流源的輸出不要求過高精度,只要在通道切換的短時間內(nèi)激勵電流未改變,就可消除激勵電流對溫度測量的影響。

2)溫度測量對A/D轉(zhuǎn)換器的要求

對于測溫系統(tǒng),對比表1中的幾款高精度A/D轉(zhuǎn)換器,并綜合考慮A/D轉(zhuǎn)換器的增益、噪聲抑制、采集精度、模擬通道數(shù)、靜態(tài)電流等因素,最終采用了ADI公司的AD7124型號。

表1 溫度測量常用的A/D轉(zhuǎn)換器及其參數(shù)Table 1 A/D converter and its parameters used in temperature measurement

AD7124是24位Sigma-Delta型A/D轉(zhuǎn)換器,具有多通道、多增益、低功耗的特點,無噪聲分辨率高達22位。該A/D轉(zhuǎn)換器具有可編程增益,采樣速率寬泛,內(nèi)部集成濾波器具有濾波降噪效果,可實現(xiàn)50Hz/60Hz干擾抑制。該A/D轉(zhuǎn)換器帶有2個恒流激勵源,輸出檔位可調(diào)。轉(zhuǎn)換器內(nèi)置有2.5V基準電壓源,但為了保證采樣的精度和穩(wěn)定性,本文使用ADR4525作為A/D轉(zhuǎn)換器的外部基準電壓源。

3)模擬選擇開關:每片ADG709為8路單通道,2片模擬選擇開關ADG709對16個鉑電阻進行切換,另外2片模擬選擇開關ADG709對16路AD7124輸出的恒流源進行切換,1片A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7124對16個鉑電阻進行循環(huán)模擬量采集。16個測溫點組成1個站點,3個框架分設9個站點,可以對108個溫度點進行測試。

4)溫度計算:為了減小自熱誤差,激勵電流設定為250μA(由A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部產(chǎn)生的相對較小檔的恒流電流)。要使250μA的電流流過1000Ω的電阻,電阻兩端就存在不低于0.25V的電壓,它是電路保持恒定電流的最小電壓。在使用250μA的恒流源時,A/D轉(zhuǎn)換器的順從電壓的范圍為0.05V(AVss)～0.37V(AVDD)。本文的溫度傳感器工作在100℃以內(nèi),在100℃時鉑電阻的阻值為 1385Ω, 兩端電壓URTD=1385Ω ×250μA=0.346V,電路中需要的電壓Ux=URTD+(1000Ω+5110Ω)×250μA=1.874V, 符合設計要求。

2.2 測溫精度分析及測量校準

測溫精度主要和精密比較電阻、A/D轉(zhuǎn)換器、基準源、切換開關漏電流、電源紋波、鉑電阻自身的焦耳熱等有關。

精密比較電阻選用精度為0.01%、溫漂為5×10-6的RJ711精密電阻；AD7124的無噪聲分辨率高達22位,溫度系數(shù)為2×10-6～1×10-5,漏電流為0.1μA；基準源ADR4525的溫度系數(shù)最大為2×10-6,最大初始誤差僅為±0.02%；切換開關ADG709的導通電阻為 3Ω,漏電流為 0.3μA。A/D電源芯片模擬電源和數(shù)字電源分別供電,且模擬端采用超高電源抑制比的線性穩(wěn)壓器ME6209,紋波有效值低至5μV。

測量過程中,鉑電阻也會因電流流過而發(fā)熱,這樣帶來的誤差稱為自熱誤差。流過鉑電阻的恒流電流和鉑電阻自熱系數(shù)都會影響測量的精度,雖然鉑電阻允許通過的最大電流不超過5mA,但測試電流應盡可能的小。

AD7124采集鉑電阻的通道和增益是固定的,先對精密比較電阻進行校準,然后對熱敏感電阻進行校準。溫度通道測量時有一定的偏移,使用軟件將數(shù)據(jù)進行擬合,可使得測量精度達到10-4(量級)以上。

2.3 溫度數(shù)據(jù)流規(guī)劃及軟件設計

微處理器要從AD7124中正確地讀取A/D轉(zhuǎn)換值,就要首先對 AD7124進行初始化操作。AD7124的初始化主要是對SPI接口時序的初始化,以及對AD7124內(nèi)部寄存器的配置。如圖4所示,該轉(zhuǎn)換器的寄存器可以通過官網(wǎng)提供的配置軟件進行功能設置,可實現(xiàn)對A/D轉(zhuǎn)換器的更直觀準確地操作。

寄存器的配置流程如圖5所示。進行A/D測量時,首先對A/D轉(zhuǎn)換器進行初始化,設置初始增益,啟動對應通道進行采樣,然后根據(jù)采樣到的數(shù)據(jù)計算可以采用的最大增益,并重新設定增益,在通道校準后采集數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理,這樣就完成了一次采樣。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換器寄存器配置流程Fig.5 Flowchart of A/D register configuration

數(shù)據(jù)更新速度和濾波器的選擇:數(shù)據(jù)采集程序先采集精密電阻的數(shù)據(jù),然后通過模擬開關選擇各通道溫度傳感器接入A/D的模擬輸入通道,采集各通道溫度傳感器的數(shù)據(jù)。由于設置A/D的數(shù)據(jù)更新頻率為40μs,需要的A/D轉(zhuǎn)換時間為4.9ms。當模擬開關選擇通道改變時,進行10ms的延時,使讀取結(jié)果為模擬輸入信號穩(wěn)定后的A/D轉(zhuǎn)換值。

3 數(shù)據(jù)中心節(jié)點的設計與實現(xiàn)

數(shù)據(jù)中心節(jié)點主要負責藍牙無線網(wǎng)絡的搭建及管理,主要功能有:將終端節(jié)點發(fā)送的信息轉(zhuǎn)發(fā)至上位機控制中心；設置其網(wǎng)絡內(nèi)其他設備的各項權(quán)限。在本系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)中心節(jié)點通過無線接收終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù),經(jīng)過微處理器處理后,溫度信息顯示在上位機中。數(shù)據(jù)中心節(jié)點主要包括以下幾個模塊:基于藍牙的無線收發(fā)模塊、微控制器、存儲器、上位機。采集系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 測溫單元與接收終端實物圖Fig.6 Hardware of sampling system and data terminal

數(shù)據(jù)中心節(jié)點的具體流程為:數(shù)據(jù)中心節(jié)點通過應答方式對終端節(jié)點逐一訪問,當終端節(jié)點收到自己ID的尋呼信息后,將得到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)出；數(shù)據(jù)中心節(jié)點接收到終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)字信號包,將數(shù)據(jù)包通過既定的通信協(xié)議拆包,取出有效數(shù)據(jù)傳送到單片機中,單片機進行數(shù)據(jù)分析、計算,然后將溫度監(jiān)測結(jié)果顯示在上位機中。

3.1 數(shù)據(jù)中心的通信軟件設計

溫度數(shù)據(jù)接收:采集計算得到的溫度數(shù)據(jù)流經(jīng)過低功耗藍牙發(fā)送到接收節(jié)點,通過上位機軟件可以監(jiān)測溫度點分布溫度。

數(shù)據(jù)交換通信協(xié)議:分別以幀頭識別不同位置的溫度數(shù)據(jù),為保證數(shù)據(jù)的正確性,需進行數(shù)據(jù)校驗。

通信速率:A/D采集完成一路的時間為1.6ms,16路并行采集,每一路進行8通道依次切換,故完成108路溫度測試所需的時間小于0.02s。

3.2 測溫節(jié)點數(shù)據(jù)的無線通信

終端節(jié)點模塊由溫度傳感器組成的測溫電路、A/D模塊、電源管理模塊、無線收發(fā)模塊及其內(nèi)置的單片機核心構(gòu)成,是整個系統(tǒng)的終端節(jié)點,放置在有限空間內(nèi)部的各個測溫點。由終端節(jié)點模塊得到的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機的處理(將數(shù)據(jù)信號打包),藍牙無線模塊將打包數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡發(fā)送。

3.3 低功耗藍牙Mesh自組網(wǎng)

藍牙Mesh中的每個節(jié)點采用多跳的技術接入自組網(wǎng),兩個設備節(jié)點之間采用協(xié)作的方式進行數(shù)據(jù)通信。

藍牙Mesh網(wǎng)絡是一種高容量、高速率的網(wǎng)絡,用于傳輸數(shù)據(jù)量較少的無線通信是非常高效的。理論上,一個藍牙Mesh網(wǎng)絡能夠連接65535個設備節(jié)點,每個設備節(jié)點傳輸距離大于50m。藍牙的拓撲網(wǎng)絡是星形網(wǎng)絡,中心設備可同時與多個外圍設備保持連接,其網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 藍牙Mesh網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)Fig.7 Topology of bluetooth Mesh network

本文采用的是NORDIC公司的NRF52832低功耗藍牙處理器,其優(yōu)勢在于:在數(shù)據(jù)收發(fā)完成后,設備會斷開連接進入休眠狀態(tài),在到達設定的時間后,會再次建立連接進行數(shù)據(jù)的收發(fā)；選用3個信道來進行廣播,這意味著其他設備只需要0.6ms～1.2ms的時間就可以掃描到設備,然后關閉掃描；藍牙的物理層設計讓它擁有了1Mbps的原始數(shù)據(jù)帶寬,這允許藍牙設備在相同時間內(nèi)發(fā)送更多的信息。

藍牙組網(wǎng)過程:藍牙連接的建立是由藍牙主機發(fā)起,從機響應,經(jīng)過一系列的請求與應答來建立連接的。建立連接后,從機還可以發(fā)起修改連接參數(shù)的請求,主機響應后,主機和從機將會同時修改連接參數(shù)。這些參數(shù)主要是藍牙握手信號的間隔等參數(shù),通過修改這些參數(shù)可以降低藍牙設備的功耗。

要實現(xiàn)NRF52832與上位機的無線連接,除了在上位機端外接藍牙適配器外,還需要固化藍牙協(xié)議棧到片內(nèi)。S140是通過預編譯和鏈接的二進制軟件,可以實現(xiàn)藍牙4.2低能耗協(xié)議棧。S140將每個層定義的協(xié)議都集成到一起,用代碼實現(xiàn)函數(shù)庫,并提供一些供用戶調(diào)用的應用層API。處理器完成協(xié)議棧固件下載之后,就可以作為藍牙設備與其他藍牙設備進行無線傳輸,藍牙控制器通過串口發(fā)送數(shù)據(jù),上位機通過USB藍牙適配器實現(xiàn)與模塊的配對與連接,接收通過藍牙無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

其他2.4G通用模塊的無線收發(fā)芯片需要通過對不同寄存器的讀寫來實現(xiàn)發(fā)送與接收,而NRF51系列處理采用了EASY DMA,效率大大提高同時,也降低了處理器在無線收發(fā)上的負載。在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時,將要發(fā)送數(shù)據(jù)的地址指針給到無線部分,無線接收的數(shù)據(jù)自動存儲在一個RAM地址中,處理器可以通過數(shù)據(jù)指針來訪問該地址。

4 測試數(shù)據(jù)驗證

在組網(wǎng)測試前,首先將所有硬件設備連接好。給中心節(jié)點上電后,其自動組建無線網(wǎng)絡,等待終端節(jié)點設備加入。當ID正確的終端節(jié)點加入網(wǎng)絡后,中心節(jié)點的聯(lián)網(wǎng)會進行狀態(tài)反饋,同時終端節(jié)點的聯(lián)網(wǎng)也會進行狀態(tài)反饋。然后,終端節(jié)點開始向數(shù)據(jù)中心節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)中心節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)解碼,然后判斷溫度數(shù)據(jù)對應的空間區(qū)域,并計算每個溫度點的溫度值,然后保存數(shù)據(jù)至中心節(jié)點的文件中。圖8為基于Labview的溫度采集存儲界面。

圖8 軟件顯示的存儲前面板Fig.8 GUI of the program

測溫系統(tǒng)測量精度的驗證:采集系統(tǒng)放置于恒溫盒內(nèi)部,恒溫盒溫度保持在25℃±1℃,保證采集系統(tǒng)的器件溫度處于恒定狀態(tài)。溫箱設置有4個溫度:25℃、40℃、55℃、70℃,若干測溫節(jié)點置于溫箱內(nèi)部。測試30min后,上位機會對測溫終端接收到的節(jié)點數(shù)據(jù)進行存儲,每間隔3min取同一節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 溫度測量數(shù)據(jù)Table 2 The data of temperature sampling

利用Matlab繪制溫度數(shù)據(jù),為方便對比,將4個溫度點的測試時間保持一致,溫度標尺保持一樣的間隔,得到如圖9所示的溫度曲線。

圖9 溫度采集曲線Fig.9 Curves of the temperature sampling

分析數(shù)據(jù)可以得出,4個點的溫度在無濾波情況下,波動小于0.08℃,此時采樣速率可以達到1.6ms。由于溫度數(shù)據(jù)屬于緩變量,在經(jīng)過0.5s濾波后,溫度誤差小于0.02℃。本測溫系統(tǒng)的溫度精度得到了驗證,滿足了慣性儀器儀表的精度攻關要求。

5 結(jié)論

本文使用終端測溫節(jié)點和數(shù)據(jù)中心節(jié)點完成了空間溫度測試,測試精度滿足需求。該系統(tǒng)實現(xiàn)了溫度釆集、藍牙星型網(wǎng)絡組建、數(shù)據(jù)無線傳輸和測溫結(jié)果顯示的功能,達到了測溫精度高、功耗較低和使用靈活等要求。對終端溫度監(jiān)測節(jié)點的功耗控制,保障了節(jié)點休眠/喚醒機制的執(zhí)行,解決了終端測溫節(jié)點電池使用壽命的問題。該測溫系統(tǒng)研制對于提高整個慣性系統(tǒng)的精度具有重要意義。