激光陀螺專用控制芯片的溫度采集功能實現

李　杰　郭　成

摘要:簡要分析了溫度實時采集與補償在激光陀螺控制中的原理和作用;介紹了激光陀螺專用控制芯片的功能和特性、1-WIRE總線數字溫度傳感器DS18B20的結構和原理;通過對多片溫度傳感器連接在激光陀螺專用控制芯片上進行實際測試,成功驗證了陀螺控制芯片的溫度采集模塊與溫度傳感器構成的溫度測量系統的測溫功能。

關鍵詞:溫度補償 陀螺控制芯片 DS18B20 測溫系統

中圖分類號:G307 文獻標識碼:A 文章編號:1673-8209(2009)5-0261-02

二頻機抖激光陀螺作為慣性導航的理想器件,還具有啟動時間短、可靠性高、壽命長等特點。但在高低溫變化的工程化應用過程中,陀螺內在的溫度特性對陀螺各方面帶來的影響制約了陀螺性能的進一步提高,因此,實現溫度漂移的實時補償就很有必要。

而要進行實時的溫度補償,就必須實時地進行陀螺內部的溫度測量。二頻機抖激光陀螺專用控制芯片便包含了溫度采集模塊,筆者在實驗室利用DS18B20數字溫度傳感器與陀螺專用控制芯片連接,成功實現了芯片的溫度采集功能。

1 溫度對激光陀螺的影響和溫度補償的作用

溫度對激光陀螺的影響主要表現在以下幾個方面:從熱源來說,陀螺工作時,自身要發熱,需要幾個小時才能達到平衡,而且在環境溫度等條件發生變化時,溫度場將變得更為復雜,也更難平衡,所以陀螺自身溫度變化與環境溫度變化都將影響陀螺的性能;從物理特性來說,氣體的折射率、材料的導熱系數、光學器件的光學性質也會發生變化; 從幾何特征來說,器件的熱脹冷縮、彎曲變形都可造成光路發生變化,諧振系統損耗增加;最后溫度場的變化引起氣流流場的變化,使兩臂的放電電流出現不平衡,加劇了朗謬爾流效應帶來的零偏影響。這些變化都將影響激光陀螺的輸出。溫度幾乎影響到物性參數、幾何變形、氣體流場等所有因數[1],如對于溫度影響氣體的折射率,由L=n×L可知,折射率的波動將影響總的光程長,最終將影響標度因數,從而影響到零偏。溫度對激光陀螺零偏的影響主要表現在以下三個方面:溫度變化、溫度梯度與溫變速率[2]。

實時溫度補償減小了溫度變化對零偏的影響,提高了激光陀螺的精度和性能,通過加入溫度補償前(圖1)后(圖2)零偏曲線可說明[3]:

加入補償后,溫度在一定范圍內變化時,陀螺零偏大幅減小, 陀螺精度提高了數倍。

2 陀螺控制芯片

激光陀螺主要工作部分是環形激光器和控制電路。機抖激光陀螺專用控制芯片將激光陀螺的抖動控制、穩頻控制、穩流控制、光強采集、溫度采集、信號放大、倍頻、鑒相、濾波等模塊集成到一個芯片上,將激光陀螺的某些重要性能(例如信號處理)采用硬件電路實現,大大減小了信號延時,提高了激光陀螺的可靠性和實用性。芯片集成溫度采集模塊的主要功能是:通過該模塊用戶可以設置外部溫度傳感器DS18B20的數量(1-10),同時可以對某個與設定ID號相同的DS18B20執行采集該傳感器的溫度。當完成一個采集過程后(即獲得傳感器的溫度值),模塊將發出一個中斷信號。

芯片工作過程如下:芯片裝入系統中,接外部時鐘信號、復位信號以及其他信號;上電后,時鐘管理模塊產生片內需要的時鐘和復位信號;復位后,CPU通過ROM 中的Boot loader啟動程序引導,通過SPI口將外部Flash中的用戶程序讀入片內8KB SRAM中實現程序加載。加載完成后,程序指針無條件跳轉到片內8KB SRAM起始地址處;系統芯片的CPU通過用戶程序和溫度傳感器DS18B20接口能夠查找到外部連接的指定型號DS18B20(注:每片DS18B20有自己特定的ID號),并讀取該傳感器溫度值;芯片對數據信息的處理可以通過串口輸出到計算機上顯示出來。

溫度模塊工作過程:用戶程序首先將外部器件的ID寫入相應的地址,并設置好器件數目,最后將DS_START寄存器置“FF”來啟動模塊。當完成一個采集過程后(也就是已經獲得所有傳感器的溫度值),模塊將發出一個中斷信號。執行中斷程序讀取溫度值時,為了防止用戶中斷響應時間太長,用戶讀數據前,可以判斷DS_BUSY是否為0,如為1則表示本次中斷響應無效。

3 數字溫度傳感器DS18B20[4]

在試驗中用到的單片化溫度傳感器的型號是MAXIM公司的DS18B20,有如下特點:單線接口,只有一根信號線與CPU連接;不需要備份電源,可通過信號線供電,電源電壓范圍從3.3～5V;傳送串行數據,不需要外部元件;溫度測量范圍從-55℃～+125℃,-10～+85℃時測量精為±0.5℃;用戶可自設定非易失性的報警上下限值;報警搜索命令可以識別哪片DS18B20溫度超限;通過編程可實現9～12位的數字值讀數方式(出廠時被設置為12位);在93.75ms 和750ms內將溫度值轉化9位和12位的數字量;零功耗等待;現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸,大大提高了系統的抗干擾性。DS18B20封裝和內部結構如圖3:

4 編程流程

初始化:

第一步,設置器件ID,低8位無須設置;

第二步,設置器件數目;

第三步,啟動工作,將DS_START置“FF”。

中斷程序:

第一步,讀DS_BUSY是否為0,如為1則表示本次中斷響應無效(非必要步驟);

第二步,如果本次中斷有效,可以獲取溫度數據。

5 測溫試驗

將測溫的用戶程序寫入外接FLASH,讓芯片加載運行,通過串口將溫度值返回計算機并顯示,結果如圖4:

實驗結果證明成功地實現了對DS18B20測溫的數據采集,并通過串口將數據送出顯示,即用DS18B20與芯片連接,成功實現、驗證了芯片溫度采集模塊的功能。

6 結語

本文簡要分析了實時溫度補償對激光陀螺精度提高的作用和實時溫度采集的必要性;介紹了激光陀螺專用控制芯片以及數字溫度傳感器DS18B20的功能和特性;并在實驗室將多片DS18B20連接在激光陀螺專用控制芯片上,成功地進行了溫度測量,通過實驗驗證了激光陀螺專用控制芯片的溫度采集模塊功能。

參考文獻

[1] 張鵬飛,龍興武,湯建勛,王宇,李革,許光明. 機抖激光陀螺的零偏的實時溫度補償方法研究[J].傳感技術學報,2007,6.

[2] 趙小寧,李縣洛,雷寶權.激光陀螺零偏溫度補償研究[J].中國慣性技術學報.2004,6.

[3] 張鵬飛,龍興武.二頻機抖激光陀螺溫度漂移補償的初步研究[J].激光雜志,2005.

[4] 江太輝,鄧展威.DS18B20數字式溫度傳感器的特性與應用[J].電子技術,器件應用,2003.