基于蓝牙Mesh组网的惯性系统测温方法

马一通，闫文民，翟庆辉

(1.超精密航天控制仪器技术实验室，北京100039;2.北京航天控制仪器研究所，北京100039)

0 引言

在惯性系统中,惯性仪表对环境温度的要求比较苛刻。在进行飞行导航、自标定和自瞄准等功能时,包括惯性仪表在内的本体发生了转位,造成内部环境的温度波动。这样,仪表的输出精度就发生了变化,进而影响到整个惯性系统的导航精度。

传统的测温方法中,中低温范围内高精度测温的常用温度传感器采用的是热敏感电阻的方式。而在热敏感电阻的温度测量应用中,常用的方法有专用精密电阻测温仪法、平衡电桥式比较测温法、恒流源式测温法。使用专用仪器测温时,因仪器体积较大且需要外接计算机板卡,测温系统不构成密闭空间,测温情况和实际工作情况不一致。平衡电桥式比较测温法虽然在校范围内精度可以做到最高,但测温路数增多时,需要的平衡电桥也会相应增加,功耗和体积都会增大。恒流源式测温采用自带恒流源的模数转换芯片,多路热敏感电阻的切换则利用低导通阻抗和小漏电流的模拟开关来实现。无线传输方面,蓝牙Mesh网的优势在于组网连接速度快、通信距离长、网络节点自由交互多等方面。

基于以上优势,本文设计了无线组网式温度采集系统,可用于惯性系统的温度测量,尤其在框架转位过程中,有限空间内部温度都能得到监测。基于惯性系统仪表的温度敏感点,设计了有限空间内部温度场的多路温度采集方案,完成了惯性系统在正常工作过程中仪表所处环境的多点温度测试。有效的温度数据为惯性系统温度场的仿真模型提供了数据输入,为惯性仪表温度敏感项的参数补偿提供了计算基础。

1 系统整体方案设计

应用于惯性系统测温的多点无线测温系统将各测温节点分布在惯性系统内部,通过温度传感器的铂电阻进行温度实时在线监测,并利用蓝牙网络将终端节点的温度数据通过无线发送到数据中心节点,数据中心节点将测得的温度数据进行温度点的识别及解析,并在上位机上显示、存储。

区域式温度采集系统如图1所示。该系统采用无线式采温将需要关注的温度点划分区域,若干个温度点归结为一个站点,经过站点式测温后将数据分时发送到主接收站点。系统采用电阻式传感器对内部空间的温度进行在线实时监测,并对测量数据进行记录分析,末梢传感器节点采集的温度数据可通过蓝牙Mesh网络实现温度测量的无线通信。该系统测量精度高、抗干扰能力强、功耗低、安装简便。

图1 区域式温度采集系统Fig.1 Diagram of temperature sampling system by dividing area

1.1 整体功能及性能要求

系统的整体功能及性能要求包括:

1)在惯性系统内部的热源(功率管、加热棒、陀螺马达、轴端电机)产生的焦耳热程度不同,会造成温度梯度,且热敏感元件(3个陀螺和3个石英加速度计)对温度的敏感程度也不一致,这些都会影响整个系统的性能。因此,内部空间的这些测温点都应该得到关注。

2)在进行内部的多点测试时,由于空间的限制及受360°转位影响,不方便接入专用测温仪器,且要求测温设备具有自动存储功能。

3)为使温度测量系统在较宽的环境温度范围内工作仍保证高精度,要求测温系统能进行系统温度自补偿。

4)在仪表的安装位置有二级温控,温度环节为惯性环节,惯性仪表的内部温度会变化比较缓慢,当温度采样速率大于10次/秒时能满足惯性仪表的温度监测要求。

当陀螺内部的温度变化小于0.1℃时,陀螺的标度因数变化就很小,能达到高精度陀螺的要求。进行温度补偿时,要求测温精度必须优于影响陀螺精度的温度最小变化量的4～10倍。因此,温度测量系统温差的测量精度需要优于0.05℃。

1.2 系统总体构架设计

本文设计的多点式无线测温系统主要由采集温度数据的 “终端测温节点”和接收温度数据的“数据中心节点”两部分组成,终端节点完成温度数据的采集及无线发送,数据中心节点负责完成多点式系统的组网以及接收由各终端节点发送的温度数据,模块间通过蓝牙Mesh网通信。系统的整体框图如图2所示。

图2 测温系统原理框图Fig.2 Principle block diagram of the temperature sampling system

终端节点模块以铂电阻温度传感器和精密比较电阻为基础,通过多通道选择开关选择对应的接入温度测量电路。经过A/D模块进行模数转换后,将模拟信号转换成数字信号传送到微处理器中,经过微处理器的处理将数据信号打包,蓝牙模块将数据打包发送给数据中心节点。

数据中心节点的无线接收模块根据预定的测温节点数目进行无线组网,然后依次接收各测温节点的温度数据。数据中心节点接收到终端节点发送的数字信号包,将数据包通过既定的通信协议拆包,取出有效数据传送到处理器,处理器进行数据分析、计算,然后将温度监测结果显示并保存到上位机中。

无线接发模块采用蓝牙Mesh自组网方式,模块具有休眠/唤醒的节能模式,用于降低无线测温节点的功耗,延长电池的使用寿命。相比传统的ZigBee传输,使用蓝牙Mesh网更加节省数据的有效传输时间。

2 终端节点模块的设计与实现

终端节点模块主要由温度传感器、A/D转换电路、微控制器、无线发送模块组成,测温精度取决于温度传感器的精度和用于数字化传感器输出的A/D性能以及额外的A/D片内电路。本章主要介绍了温度传感器、高精度A/D转换器的性能要求、传感器与A/D接口所需的电路等。

2.1 测温模块设计

多路温度采集模块完成对多个温度测量点的温度监测,并转换为数字量传送给微处理器。以铂电阻温度传感器和精密电阻设计温度监测电路,利用多通道选择开关选择对应的铂电阻接入温度监测电路,将相应的铂电阻传感器的信号送入A/D转换器中,A/D转换器将模拟信号转换为微控制器能识别的数字信号。

1)铂电阻测温电路

桥臂式测温的激励电源与电桥桥臂电阻的误差和温漂将严重影响温度测量的精度,难以达到高精度温度测量的要求,同时电桥测温电路会引入非线性误差。而恒流源式温度测量方案无需运放和电桥,外围调理电路少。如图3所示,RTD热敏电阻的电压信号经过芯片内部的通路切换、增益选择器、A/D转换器、数字滤波和数据接口等环节实现了高精度模拟信号的采集。

图3 热敏电阻RTD测试图Fig.3 Schematic diagram of RTD sampling system

本文采用阻值比较法进行温度测量,A/D转换器输出的恒流源通过铂电阻和精密电阻。由于通过两者的电流相同,铂电阻的阻值可由两者的比值乘以精密电阻的阻值算出。恒流源的输出不要求过高精度,只要在通道切换的短时间内激励电流未改变,就可消除激励电流对温度测量的影响。

2)温度测量对A/D转换器的要求

对于测温系统,对比表1中的几款高精度A/D转换器,并综合考虑A/D转换器的增益、噪声抑制、采集精度、模拟通道数、静态电流等因素,最终采用了ADI公司的AD7124型号。

表1 温度测量常用的A/D转换器及其参数Table 1 A/D converter and its parameters used in temperature measurement

AD7124是24位Sigma-Delta型A/D转换器,具有多通道、多增益、低功耗的特点,无噪声分辨率高达22位。该A/D转换器具有可编程增益,采样速率宽泛,内部集成滤波器具有滤波降噪效果,可实现50Hz/60Hz干扰抑制。该A/D转换器带有2个恒流激励源,输出档位可调。转换器内置有2.5V基准电压源,但为了保证采样的精度和稳定性,本文使用ADR4525作为A/D转换器的外部基准电压源。

3)模拟选择开关:每片ADG709为8路单通道,2片模拟选择开关ADG709对16个铂电阻进行切换,另外2片模拟选择开关ADG709对16路AD7124输出的恒流源进行切换,1片A/D转换芯片AD7124对16个铂电阻进行循环模拟量采集。16个测温点组成1个站点,3个框架分设9个站点,可以对108个温度点进行测试。

4)温度计算:为了减小自热误差,激励电流设定为250μA(由A/D转换器内部产生的相对较小档的恒流电流)。要使250μA的电流流过1000Ω的电阻,电阻两端就存在不低于0.25V的电压,它是电路保持恒定电流的最小电压。在使用250μA的恒流源时,A/D转换器的顺从电压的范围为0.05V(AVss)～0.37V(AVDD)。本文的温度传感器工作在100℃以内,在100℃时铂电阻的阻值为 1385Ω, 两端电压URTD=1385Ω ×250μA=0.346V,电路中需要的电压Ux=URTD+(1000Ω+5110Ω)×250μA=1.874V, 符合设计要求。

2.2 测温精度分析及测量校准

测温精度主要和精密比较电阻、A/D转换器、基准源、切换开关漏电流、电源纹波、铂电阻自身的焦耳热等有关。

精密比较电阻选用精度为0.01%、温漂为5×10-6的RJ711精密电阻；AD7124的无噪声分辨率高达22位,温度系数为2×10-6～1×10-5,漏电流为0.1μA；基准源ADR4525的温度系数最大为2×10-6,最大初始误差仅为±0.02%；切换开关ADG709的导通电阻为 3Ω,漏电流为 0.3μA。A/D电源芯片模拟电源和数字电源分别供电,且模拟端采用超高电源抑制比的线性稳压器ME6209,纹波有效值低至5μV。

测量过程中,铂电阻也会因电流流过而发热,这样带来的误差称为自热误差。流过铂电阻的恒流电流和铂电阻自热系数都会影响测量的精度,虽然铂电阻允许通过的最大电流不超过5mA,但测试电流应尽可能的小。

AD7124采集铂电阻的通道和增益是固定的,先对精密比较电阻进行校准,然后对热敏感电阻进行校准。温度通道测量时有一定的偏移,使用软件将数据进行拟合,可使得测量精度达到10-4(量级)以上。

2.3 温度数据流规划及软件设计

微处理器要从AD7124中正确地读取A/D转换值,就要首先对 AD7124进行初始化操作。AD7124的初始化主要是对SPI接口时序的初始化,以及对AD7124内部寄存器的配置。如图4所示,该转换器的寄存器可以通过官网提供的配置软件进行功能设置,可实现对A/D转换器的更直观准确地操作。

寄存器的配置流程如图5所示。进行A/D测量时,首先对A/D转换器进行初始化,设置初始增益,启动对应通道进行采样,然后根据采样到的数据计算可以采用的最大增益,并重新设定增益,在通道校准后采集数据并对数据进行处理,这样就完成了一次采样。

图5 A/D转换器寄存器配置流程Fig.5 Flowchart of A/D register configuration

数据更新速度和滤波器的选择:数据采集程序先采集精密电阻的数据,然后通过模拟开关选择各通道温度传感器接入A/D的模拟输入通道,采集各通道温度传感器的数据。由于设置A/D的数据更新频率为40μs,需要的A/D转换时间为4.9ms。当模拟开关选择通道改变时,进行10ms的延时,使读取结果为模拟输入信号稳定后的A/D转换值。

3 数据中心节点的设计与实现

数据中心节点主要负责蓝牙无线网络的搭建及管理,主要功能有:将终端节点发送的信息转发至上位机控制中心；设置其网络内其他设备的各项权限。在本系统中,数据中心节点通过无线接收终端节点发送数据,经过微处理器处理后,温度信息显示在上位机中。数据中心节点主要包括以下几个模块:基于蓝牙的无线收发模块、微控制器、存储器、上位机。采集系统如图6所示。

图6 测温单元与接收终端实物图Fig.6 Hardware of sampling system and data terminal

数据中心节点的具体流程为:数据中心节点通过应答方式对终端节点逐一访问,当终端节点收到自己ID的寻呼信息后,将得到的温度数据发出；数据中心节点接收到终端节点发送的数字信号包,将数据包通过既定的通信协议拆包,取出有效数据传送到单片机中,单片机进行数据分析、计算,然后将温度监测结果显示在上位机中。

3.1 数据中心的通信软件设计

温度数据接收:采集计算得到的温度数据流经过低功耗蓝牙发送到接收节点,通过上位机软件可以监测温度点分布温度。

数据交换通信协议:分别以帧头识别不同位置的温度数据,为保证数据的正确性,需进行数据校验。

通信速率:A/D采集完成一路的时间为1.6ms,16路并行采集,每一路进行8通道依次切换,故完成108路温度测试所需的时间小于0.02s。

3.2 测温节点数据的无线通信

终端节点模块由温度传感器组成的测温电路、A/D模块、电源管理模块、无线收发模块及其内置的单片机核心构成,是整个系统的终端节点,放置在有限空间内部的各个测温点。由终端节点模块得到的温度数据经过单片机的处理(将数据信号打包),蓝牙无线模块将打包数据通过无线网络发送。

3.3 低功耗蓝牙Mesh自组网

蓝牙Mesh中的每个节点采用多跳的技术接入自组网,两个设备节点之间采用协作的方式进行数据通信。

蓝牙Mesh网络是一种高容量、高速率的网络,用于传输数据量较少的无线通信是非常高效的。理论上,一个蓝牙Mesh网络能够连接65535个设备节点,每个设备节点传输距离大于50m。蓝牙的拓扑网络是星形网络,中心设备可同时与多个外围设备保持连接,其网络拓扑结构如图7所示。

图7 蓝牙Mesh网络的拓扑结构Fig.7 Topology of bluetooth Mesh network

本文采用的是NORDIC公司的NRF52832低功耗蓝牙处理器,其优势在于:在数据收发完成后,设备会断开连接进入休眠状态,在到达设定的时间后,会再次建立连接进行数据的收发；选用3个信道来进行广播,这意味着其他设备只需要0.6ms～1.2ms的时间就可以扫描到设备,然后关闭扫描；蓝牙的物理层设计让它拥有了1Mbps的原始数据带宽,这允许蓝牙设备在相同时间内发送更多的信息。

蓝牙组网过程:蓝牙连接的建立是由蓝牙主机发起,从机响应,经过一系列的请求与应答来建立连接的。建立连接后,从机还可以发起修改连接参数的请求,主机响应后,主机和从机将会同时修改连接参数。这些参数主要是蓝牙握手信号的间隔等参数,通过修改这些参数可以降低蓝牙设备的功耗。

要实现NRF52832与上位机的无线连接,除了在上位机端外接蓝牙适配器外,还需要固化蓝牙协议栈到片内。S140是通过预编译和链接的二进制软件,可以实现蓝牙4.2低能耗协议栈。S140将每个层定义的协议都集成到一起,用代码实现函数库,并提供一些供用户调用的应用层API。处理器完成协议栈固件下载之后,就可以作为蓝牙设备与其他蓝牙设备进行无线传输,蓝牙控制器通过串口发送数据,上位机通过USB蓝牙适配器实现与模块的配对与连接,接收通过蓝牙无线传输的数据。

其他2.4G通用模块的无线收发芯片需要通过对不同寄存器的读写来实现发送与接收,而NRF51系列处理采用了EASY DMA,效率大大提高同时,也降低了处理器在无线收发上的负载。在需要发送数据时,将要发送数据的地址指针给到无线部分,无线接收的数据自动存储在一个RAM地址中,处理器可以通过数据指针来访问该地址。

4 测试数据验证

在组网测试前,首先将所有硬件设备连接好。给中心节点上电后,其自动组建无线网络,等待终端节点设备加入。当ID正确的终端节点加入网络后,中心节点的联网会进行状态反馈,同时终端节点的联网也会进行状态反馈。然后,终端节点开始向数据中心节点发送数据。

数据中心节点接收到数据后进行数据解码,然后判断温度数据对应的空间区域,并计算每个温度点的温度值,然后保存数据至中心节点的文件中。图8为基于Labview的温度采集存储界面。

图8 软件显示的存储前面板Fig.8 GUI of the program

测温系统测量精度的验证:采集系统放置于恒温盒内部,恒温盒温度保持在25℃±1℃,保证采集系统的器件温度处于恒定状态。温箱设置有4个温度:25℃、40℃、55℃、70℃,若干测温节点置于温箱内部。测试30min后,上位机会对测温终端接收到的节点数据进行存储,每间隔3min取同一节点的温度数据进行统计,统计数据如表2所示。

表2 温度测量数据Table 2 The data of temperature sampling

利用Matlab绘制温度数据,为方便对比,将4个温度点的测试时间保持一致,温度标尺保持一样的间隔,得到如图9所示的温度曲线。

图9 温度采集曲线Fig.9 Curves of the temperature sampling

分析数据可以得出,4个点的温度在无滤波情况下,波动小于0.08℃,此时采样速率可以达到1.6ms。由于温度数据属于缓变量,在经过0.5s滤波后,温度误差小于0.02℃。本测温系统的温度精度得到了验证,满足了惯性仪器仪表的精度攻关要求。

5 结论

本文使用终端测温节点和数据中心节点完成了空间温度测试,测试精度满足需求。该系统实现了温度釆集、蓝牙星型网络组建、数据无线传输和测温结果显示的功能,达到了测温精度高、功耗较低和使用灵活等要求。对终端温度监测节点的功耗控制,保障了节点休眠/唤醒机制的执行,解决了终端测温节点电池使用寿命的问题。该测温系统研制对于提高整个惯性系统的精度具有重要意义。