单总线技术在航空相机温控系统中的应用

摘要：航空成像设备通常需要对温度敏感区进行分区控制。以往的温度传感器多采用热敏电阻，它易损坏，长时间使用后需重新标定，狭小空间下的多传感器布线非常复杂，保证模拟信号远距离测量的精度在技术实现上也比较困难。提出了采用一种基于单总线技术的新型数字温度传感器DS18B20U的测温系统。实验结果表明，基于DS18B20U的单总线传感器网络具有测量精度高，测温范围宽，布线少，无需标定等特点，特别适合航空成像设备在空间受限，多传感器远距离布线特点下的温度组网测量。
关键词：单总线技术；DS18820U；测量精度；测温网络；温度标定

    航空相机在外场执行任务时，由于季节、地域的不同，所处的外场环境温度变化范围很大。在侦察机升空拍照过程中，相机外表面温度及湿度变化也很大。作为相机成像的关键组件，镜头的温度变化和温度梯度变化会造成像面离焦并产生像差，导致像质变坏。尽管有温度调焦补偿，也不能完全消除这些影响。此外，航空电子设备故障率的50％～60％是热管理问题，其中包括电子器件散热和温度保持。因为某些电子器件的正常工作温度范围很窄，比如某种面阵CCD的正常工作温度范围是-10～+50℃，并且CCD输出噪声随温度升高变化明显，影响相机成像质量。综上所述，对相机进行温度控制就显得十分必要。传统的航空设备温度传感器采用光敏电阻，比如美国RECON／OPTICAL公司的KS-146胶片相机，由于相机结构复杂，所以传感器布线长度受限，只配备两个传感器，安装在镜头附近，这样不能准确掌握所有镜头组件的温度变化，且长期使用后需要重新标定传感器，传感器的拆卸工作也非常困难。基于单总线技术的温度传感器DS18B20U可以很好地满足航空相机温度控制的要求。单总线是一种特殊的串行数据通信方式，是美国Dallas公司专有的总线技术，它将地址线、数据线、控制线、电源线(寄生电源方式下)合为一根信号线，允许在这根信号线上挂数百个测控对象，芯片抗干扰性能好；具有CRC校验功能，可靠性高；软件设计规范，可以与DSP等数字控制芯片无缝连接。在测量温度不超过100℃环境下，还可以采用寄生电源供电模式，即不用外部电源线，只用一根信号线作为通信和供电通道，极大地降低了布线难度。

1 系统设计
    航空CCD相机主要由机身组件、扫描头组件、镜头组件、快门组件、检调焦组件、CCD组件、温控舱组件等组成。其中，温度敏感区包括CCD组件，镜头组件和电控箱组件，需要对这些区域进行温度实时测量和控制。测温采用分区控制策略，以镜头组件为例，其中在关键位置上共安装6个传感器，实时测量镜头的温度水平和温度梯度，并把温度信号传送控制器进行温度显示和控制。图1是相机温控系统的实验框图。

1．1 DS18B20U介绍
    DS18B20U是DS18B20系列产品中的一种，采用μSOP封装，这种封装只有3．0 mm×5．0mm的水平尺寸，高度小于1．2 mm。非常适合用于集成度高，对尺寸要求严格的场合。它采用单总线的独特连接方式，可以方便地组建传感器网络，特别适合与微处理芯片构成多点温度测控系统。测温范围为-55～+125℃，9～12位分辨率可选，12位时测量精度可达0．062 5℃，固有测温分辨率为0．5℃，供电电压范围为3．0～5．5 V，有电源模式和寄生电源供电模式两种，用户可编程温度上下限报警设定功能。
1．2 单总线原理
    单总线系统利用一根总线主控制器控制多个被控器，其中DS18B20U作为被控器，并且所有数据和命令的发送都是低位在前。区分挂在单总线上的不同器件是单总线技术的一个很重要部分。为了区分不同器件，单总线器件在制作时都用激光刻录1个64位的二进制代码，是惟一的序列号。序列号的格式是：从低位起第1个字节(8位)是单总线器件的家族代码，表示产品的分类；紧接着的6个字节(48位)是每个单总线器件的全球惟一序列号，确保每一个器件被惟一地识别出来；最后一个字节(8位)是前56位的CRC校验码，用于确保数据通信的正确。由上可知，每一种单总线器件类型都有多达248个ID号，这足以解决单总线上的地址冲突问题。

2 系统硬件设计
    系统硬件主要包括控制器、温度传感器、加热片等。控制器采用DSPTMS320F2812。在相机中的一个温控区域布置多个传感器实时采样，根据多次测量的平均值，通过控制器调节输出PWM脉宽，以控制加热片的输出，从而控制相机敏感区的温度。其中，相机镜头组件区域的温度测量示意图如图2所示。

    6只传感器根据光学系统热分析结果，布置在镜头组件的不同位置上。为了最大限度方便布线，传感器采用寄生电源供电，即电源端与接地端相连，并接到最近的相机本体上。利用相机本体接地的特点，用一根信号线连接6只传感器，利用DSP上的一个I／O口采集温度信号。其中，SN74LVC4245A作为双向电平转换隔离器件，提高了对传感器的驱动能力，对传感器采用5 V电平信号驱动。MOSFET的作用是增强了总线上拉能力，保证了总线空闲时强上拉状态，提高了寄生电源模式下对传感器的供电能力。

3 系统软件设计
    系统对DS18B20U各种操作必须按如下顺序进行：初始化DS18820U；发ROM功能命令；发存储器操作命令；处理数据执行。
    由于DS18B20U对操作的时序性要求很高，所以主CPU经过单总线接口访问DS18B20U的工作流程必须要遵守严格的操作顺序，如果顺序中任意一步缺少或顺序错乱，DS18B20U将不会响应。首先将DS18B20U逐个挂接在主机上，以读出其序列号。其工作过程为：主机发出一个不小于480μs的低电平信号，复位DS18B20U。然后主机释放总线，进入接收模式，这时总线被上拉电阻和MOSFET管共同拉高，当DS18B20U探测到这个上升沿的时候，等待15～60μs后发送一个器件存在脉冲信号，把总线拉低大约60～240μs，表示器件已经正常挂接到总线上，当DS18B20U所发响应脉冲由主机接收后，主机再发读ROM命令代码33H，然后发一个脉冲，接着读取DS18B20U序列号的1位。用同样的方法读取序列号的56位。由于DS18B20U单总线通信功能是分时完成的，需要遵循严格的时序。读取器件序列号的程序流程如图3所示。

    DS18B20U的命令中允许对所有在线节点进行统一操作，利用的是跳过ROM命令(命令为CCH)，即后面的操作是面对总线上所有的DS18B20 U。命令序列先跳过ROM，启动总线上所有DS18B20U进行温度测量，然后通过匹配ROM，再逐一读取DS18B20U的温度数据。这种方式使采集的温度数据具有很好的同步性，而且节省时间。读取多传感器温度信号的软件流程如图4所示。
    现以初始化器件程序为例，图5给出对器件的初始化时序。

    初始化时，首先主控器拉低总线至少480μs，然后释放总线进入接收状态，总线在上拉电阻的作用下产生一个上升沿，DS18B20U检测到这个上升沿后，等待15～60μs发出一个代表器件存在脉冲拉低总线约60～240μs，表示器件正常挂接，初始化部分程序代码如下：
   

4 高温试验
    根据相机环境适应性要求，通过对相机进行高温试验来检测传感器的工作情况。利用传感器网络采集温度数据，通过串口通信，实时传送到上位机显示。在室温20℃时，相机放入温度箱进行高温试验，设定目标温度为70℃，温升速度为1℃／m。在高温试验过程中，镜头组件中的一个温度传感器显示温度曲线如图6所示。

5 结语
    单总线的温度传感器DS18B20U体积小，精度高，不需要A／D转换和标定的优点，适合远距离多传感器下的温度测量，使用寄生电源模式下，可使接线更加简单。试验结果显示，该传感器满足空间狭小，传感器布置多，且测量距离远等特点下航空相机的温度测量与控制。