摘要:简要分析了温度实时采集与补偿在激光陀螺控制中的原理和作用;介绍了激光陀螺专用控制芯片的功能和特性、1-WIRE总线数字温度传感器DS18B20的结构和原理;通过对多片温度传感器连接在激光陀螺专用控制芯片上进行实际测试,成功验证了陀螺控制芯片的温度采集模块与温度传感器构成的温度测量系统的测温功能。
关键词:温度补偿 陀螺控制芯片 DS18B20 测温系统
中图分类号:G307文献标识码:A文章编号:1673-8209(2009)5-0261-02
二频机抖激光陀螺作为惯性导航的理想器件,还具有启动时间短、可靠性高、寿命长等特点。但在高低温变化的工程化应用过程中,陀螺内在的温度特性对陀螺各方面带来的影响制约了陀螺性能的进一步提高,因此,实现温度漂移的实时补偿就很有必要。
而要进行实时的温度补偿,就必须实时地进行陀螺内部的温度测量。二频机抖激光陀螺专用控制芯片便包含了温度采集模块,笔者在实验室利用DS18B20数字温度传感器与陀螺专用控制芯片连接,成功实现了芯片的温度采集功能。
1 温度对激光陀螺的影响和温度补偿的作用
温度对激光陀螺的影响主要表现在以下几个方面:从热源来说,陀螺工作时,自身要发热,需要几个小时才能达到平衡,而且在环境温度等条件发生变化时,温度场将变得更为复杂,也更难平衡,所以陀螺自身温度变化与环境温度变化都将影响陀螺的性能;从物理特性来说,气体的折射率、材料的导热系数、光学器件的光学性质也会发生变化; 从几何特征来说,器件的热胀冷缩、弯曲变形都可造成光路发生变化,谐振系统损耗增加;最后温度场的变化引起气流流场的变化,使两臂的放电电流出现不平衡,加剧了朗谬尔流效应带来的零偏影响。这些变化都将影响激光陀螺的输出。温度几乎影响到物性参数、几何变形、气体流场等所有因数[1],如对于温度影响气体的折射率,由L=n×L可知,折射率的波动将影响总的光程长,最终将影响标度因数,从而影响到零偏。温度对激光陀螺零偏的影响主要表现在以下三个方面:温度变化、温度梯度与温变速率[2]。
实时温度补偿减小了温度变化对零偏的影响,提高了激光陀螺的精度和性能,通过加入温度补偿前(图1)后(图2)零偏曲线可说明[3]:
加入补偿后,温度在一定范围内变化时,陀螺零偏大幅减小, 陀螺精度提高了数倍。
2 陀螺控制芯片
激光陀螺主要工作部分是环形激光器和控制电路。机抖激光陀螺专用控制芯片将激光陀螺的抖动控制、稳频控制、稳流控制、光强采集、温度采集、信号放大、倍频、鉴相、滤波等模块集成到一个芯片上,将激光陀螺的某些重要性能(例如信号处理)采用硬件电路实现,大大减小了信号延时,提高了激光陀螺的可靠性和实用性。芯片集成温度采集模块的主要功能是:通过该模块用户可以设置外部温度传感器DS18B20的数量(1-10),同时可以对某个与设定ID号相同的DS18B20执行采集该传感器的温度。当完成一个采集过程后(即获得传感器的温度值),模块将发出一个中断信号。
芯片工作过程如下:芯片装入系统中,接外部时钟信号、复位信号以及其他信号;上电后,时钟管理模块产生片内需要的时钟和复位信号;复位后,CPU通过ROM 中的Boot loader启动程序引导,通过SPI口将外部Flash中的用户程序读入片内8KB SRAM中实现程序加载。加载完成后,程序指针无条件跳转到片内8KB SRAM起始地址处;系统芯片的CPU通过用户程序和温度传感器DS18B20接口能够查找到外部连接的指定型号DS18B20(注:每片DS18B20有自己特定的ID号),并读取该传感器温度值;芯片对数据信息的处理可以通过串口输出到计算机上显示出来。
温度模块工作过程:用户程序首先将外部器件的ID写入相应的地址,并设置好器件数目,最后将DS_START寄存器置“FF”来启动模块。当完成一个采集过程后(也就是已经获得所有传感器的温度值),模块将发出一个中断信号。执行中断程序读取温度值时,为了防止用户中断响应时间太长,用户读数据前,可以判断DS_BUSY是否为0,如为1则表示本次中断响应无效。
3 数字温度传感器DS18B20[4]
在试验中用到的单片化温度传感器的型号是MAXIM公司的DS18B20,有如下特点:单线接口,只有一根信号线与CPU连接;不需要备份电源,可通过信号线供电,电源电压范围从3.3～5V;传送串行数据,不需要外部元件;温度测量范围从-55℃～+125℃,-10～+85℃时测量精为±0.5℃;用户可自设定非易失性的报警上下限值;报警搜索命令可以识别哪片DS18B20温度超限;通过编程可实现9～12位的数字值读数方式(出厂时被设置为12位);在93.75ms 和750ms内将温度值转化9位和12位的数字量;零功耗等待;现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。DS18B20封装和内部结构如图3:
4 编程流程
初始化:
第一步,设置器件ID,低8位无须设置;
第二步,设置器件数目;
第三步,启动工作,将DS_START置“FF”。
中断程序:
第一步,读DS_BUSY是否为0,如为1则表示本次中断响应无效(非必要步骤);
第二步,如果本次中断有效,可以获取温度数据。
5 测温试验
将测温的用户程序写入外接FLASH,让芯片加载运行,通过串口将温度值返回计算机并显示,结果如图4:
实验结果证明成功地实现了对DS18B20测温的数据采集,并通过串口将数据送出显示,即用DS18B20与芯片连接,成功实现、验证了芯片温度采集模块的功能。
6 结语
本文简要分析了实时温度补偿对激光陀螺精度提高的作用和实时温度采集的必要性;介绍了激光陀螺专用控制芯片以及数字温度传感器DS18B20的功能和特性;并在实验室将多片DS18B20连接在激光陀螺专用控制芯片上,成功地进行了温度测量,通过实验验证了激光陀螺专用控制芯片的温度采集模块功能。
参考文献
[1] 张鹏飞,龙兴武,汤建勋,王宇,李革,许光明. 机抖激光陀螺的零偏的实时温度补偿方法研究[J].传感技术学报,2007,6.
[2] 赵小宁,李县洛,雷宝权.激光陀螺零偏温度补偿研究[J].中国惯性技术学报.2004,6.
[3] 张鹏飞,龙兴武.二频机抖激光陀螺温度漂移补偿的初步研究[J].激光杂志,2005.
[4] 江太辉,邓展威.DS18B20数字式温度传感器的特性与应用[J].电子技术,器件应用,2003.