劉淵，田彥云，張?zhí)旌?/p>

(南京航空航天大學 江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室,南京 210016)

* 基金項目：南京航空航天大學研究生創(chuàng)新基地(實驗室)開放基金(kfjj201462)；中央高校基金科研業(yè)務費專項資金資助。

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TM4C123GH6PM的旋轉熱管溫度遙測系統(tǒng)設計*

劉淵，田彥云，張?zhí)旌?/p>

(南京航空航天大學 江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室,南京 210016)

* 基金項目：南京航空航天大學研究生創(chuàng)新基地(實驗室)開放基金(kfjj201462)；中央高校基金科研業(yè)務費專項資金資助。

摘要:針對傳統(tǒng)旋轉熱管溫度測量系統(tǒng)存在信號干擾的問題，以低功耗、高性能的ARM芯片TM4C123GH6PM為硬件核心，結合多路K型熱電偶測溫節(jié)點及無線串口通信模塊設計了實時溫度遙測系統(tǒng)?；贚abVIEW開發(fā)監(jiān)測界面，實現(xiàn)了對信號的顯示、存儲與回放等功能。實驗結果表明，該系統(tǒng)有效避免了信號干擾，成本低，易于操作且可擴展性強，具有較高的工程應用價值。

關鍵詞:TM4C123GH6PM；熱電偶；MAX6675；無線串口通信；LabVIEW

引言

傳統(tǒng)的旋轉熱管溫度采集系統(tǒng)一般采用電刷傳遞溫度傳感器信號，這種接觸式信號傳導方式不僅導致使用壽命短，而且不可避免地存在信號干擾，難以獲得準確的溫度值，已不能滿足日益提高的工業(yè)要求。

目前，ARM內核微控制器發(fā)展迅速，其處理器性能高、耗電少、成本低，具備16/32位雙指令集，可擴展性能強。而在工業(yè)檢測系統(tǒng)應用中，作為一種主要的測溫元件，熱電偶以其結構簡單、制造容易、使用方便、測溫范圍寬、測溫精度高等特點，廣泛應用于工業(yè)測溫領域中。綜上所述，本文將Cortex-M4內核的低功耗ARM芯片TM4C123GH6PM和多個K型熱電偶結合，組成了溫度采集結點，并通過無線串口通信模塊實現(xiàn)了其與上位機的遠程通信，從而有效避免了干擾信號，實現(xiàn)了對旋轉熱管的多點溫度遙測功能。

1系統(tǒng)構成及工作原理

旋轉熱管溫度遙測系統(tǒng)結構框圖如圖1所示，其主要由ARM核心模塊、電源模塊、片選模塊、驅動模塊、熱電偶測溫、無線串口通信模塊及監(jiān)測計算機組成。整個系統(tǒng)由3.7 V/1000 mAh鋰電池電源模塊供電，續(xù)航時間長，并且可以方便地對電池進行充電。

圖1　系統(tǒng)結構框圖

ARM核心模塊即為TM4C123GH6PM的最小系統(tǒng)，其通過片選模塊依次選擇需要工作的熱電偶結點，熱電偶測溫模塊對旋轉熱管完成溫度采集工作后，通過SPI總線將溫度數(shù)字量傳輸給TM4C123GH6PM。由于系統(tǒng)包含10路熱電偶測溫模塊，在其與ARM核心模塊之間添加了總線收發(fā)器74HC245驅動模塊，以提高端口的驅動能力。在收到溫度數(shù)據(jù)后，TM4C123GH6PM通過無線串口通信模塊將溫度值發(fā)送給遠程計算機，運行于PC機上的監(jiān)測平臺對溫度進行實時顯示，并進行數(shù)據(jù)存儲與回放、電池電壓監(jiān)測與低壓報警等功能。同時，為了防止無線傳輸過程中數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟包等情況，系統(tǒng)還具有板載Flash的數(shù)據(jù)存儲功能，在進行溫度無線傳輸?shù)耐瑫r，ARM核心模塊通過SPI口將數(shù)據(jù)存入Flash芯片中，待實驗完成后，通過PC機檢測平臺可將板載數(shù)據(jù)導出，方便與遙測數(shù)據(jù)對比。

2系統(tǒng)硬件設計

2.1　熱電偶測溫電路

圖2　熱電偶測溫電路

雖然K型熱電偶具備諸多優(yōu)點，但其輸出電勢極其微弱，而且存在冷端溫度誤差和輸出電勢與被測溫度的非線性問題，易引起較大測量誤差，因此需要對熱電偶輸出信號進行處理。系統(tǒng)的測溫電路如圖2所示，采用了Maxim公司的K型熱電偶串行A/D轉換器MAX6675芯片，該型號芯片能夠獨立完成信號放大、冷端補償、線性化、A/D 轉換及SPI串口數(shù)字化輸出功能，可將溫度信號轉換成12 位的數(shù)字量，溫度分辨率達0.25℃,且芯片內部含有熱電偶斷線檢測電路。其冷端補償溫度范圍為-20～80 ℃，應用的環(huán)境溫度范圍比較寬，可以測量0～1023.75 ℃的被測溫度，基本符合旋轉熱管溫度測量的實際需求。

MAX6675的2、3引腳與K型熱電偶的負極和正極連接，6引腳則與74HC154譯碼器的輸出端相連接，同時，5引腳時鐘SCK則與驅動芯片74HC245相連接。

2.2　Flash存儲電路

為了保證所采集的溫度數(shù)據(jù)的完整性，本系統(tǒng)提供了板載Flash用以存儲數(shù)據(jù)，具體電路如圖3所示。這里采用了SPI總線接口的閃存芯片AT45DB161D，速度可達66 MHz，存儲空間包含4 096頁，每頁包含512或528個字節(jié)。與并行Flash存儲器不同，它采用Rapids串行接口，從而大大減少了可用引腳數(shù)量，同時也提高了系統(tǒng)可靠性，降低了開關噪聲，縮小了封裝體積，滿足本系統(tǒng)低電壓、低功耗與小體積的要求。

圖3　Flash存儲電路

2.3　無線串口通信模塊

圖4　無線串口通信模塊實物圖

無線串口通信模塊采用的是成都億佰特電子科技有限公司的工業(yè)級無線數(shù)傳收發(fā)模塊E14-TTL。該模塊中心頻率為2.4 GHz，最大功率達到100 mW，傳輸距離可達2 100 m，具有TTL電平的串口通信接口，支持1200～115 200 bps多種波特率，模塊實物圖如圖4所示。本系統(tǒng)權衡傳輸速度與傳輸精度，選擇波特率為9 600 bps，實現(xiàn)了測溫節(jié)點與計算機的高可靠性串行無線通信。

3軟件設計

3.1　下位機軟件設計

圖5　軟件流程圖

系統(tǒng)的下位機軟件采用前后臺運行機制，軟件流程圖如圖5所示。由于MAX6675的測溫步長為190 ms，為了保證溫度數(shù)據(jù)讀取的可靠性，本軟件設置定時時間為250 ms，在前臺定時器中斷服務程序中完成標志位置位。后臺主循環(huán)程序通過串口接收上位機數(shù)據(jù)導出指令，若不導出，則程序通過A/D轉換器進行電池電壓讀取，并依次讀取多路溫度結點的輸出值，經過數(shù)據(jù)處理后，將數(shù)據(jù)存儲于板載Flash中。同時，利用串口將所得數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，若收到導出指令，則程序執(zhí)行板載Flash數(shù)據(jù)導出操作。

3.2　上位機軟件設計

為了提高開發(fā)效率，上位機監(jiān)控軟件采用圖形化編程語言LabVIEW進行設計。LabVIEW提供了一個簡潔直觀的圖形化編程環(huán)境，可以輕松搭建友好美觀的操作界面，無需編寫繁瑣的計算機程序代碼，大大簡化了程序設計。

旋轉熱管溫度監(jiān)測界面(正在進行溫度采集)如圖6所示，軟件設計采用模塊化思想，其主要由通信設置、溫度顯示、電池低壓報警及操作臺等模塊組成。用戶可以方便地在界面上進行溫度采集、數(shù)據(jù)導出及查看數(shù)據(jù)等功能，極大地提高了工作效率。

圖6　旋轉熱管溫度監(jiān)測界面

4實驗結果和分析

實驗采用傳統(tǒng)接觸式系統(tǒng)和本文設計的遙測系統(tǒng)對旋轉熱管相同區(qū)域同時進行溫度采集，旋轉熱管固定轉速為100 r/min，實驗結果曲線如圖7所示。從圖中可以看出，接觸式溫度采集系統(tǒng)在旋轉狀態(tài)下采集的溫度信號存在很大的干擾，穩(wěn)態(tài)溫度波動量達到了11.65 ℃，而本系統(tǒng)所采集的溫度基本無明顯毛刺，穩(wěn)態(tài)溫度波動量僅為2.45 ℃，與真實溫度情況相符，滿足旋轉熱管溫度采集的

精確性和可靠性的要求。

圖7　實驗結果曲線

結語

旋轉熱管溫度遙測系統(tǒng)以TM4C123GH6PM為主控芯片，通過SPI接口連接MAX6675，不斷采集K型熱電偶輸出的信號，并通過無線串口通信模塊將溫度值發(fā)送給上位機?；贚abVIEW平臺開發(fā)的上位機監(jiān)測界面易于操作，實現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)的顯示、存儲和回放等多個功能。實驗結果表明：相比于傳統(tǒng)接觸式溫度采集系統(tǒng)，本系統(tǒng)有效避免了信號干擾，并具備成本低、操作方便和擴展性好等諸多優(yōu)點，為旋轉熱管溫度精確采集提供了一種行之有效的解決方案。

參考文獻

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劉淵、田彥云(碩士研究生)，主要從事航空發(fā)動機控制系統(tǒng)設計與仿真；張?zhí)旌?教授)，研究方向為嵌入式控制系統(tǒng)、系統(tǒng)控制與仿真。

對UCD9222的參數(shù)設置以及外圍電路做出了進一步的闡述。實驗結果表明，UCD9222能夠滿足多核DSP的電源需求，達到了預期的設計目的。

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巴俊皓(碩士)、黃芝平(教授)，研究方向為網電空間測控。

(責任編輯：楊迪娜收修改稿日期：2015-05-05)

Wireless Monitoring System for Rotating Heat Pipe Based on TM4C123GH6PM

Liu Yuan,Tian Yanyun,Zhang Tianhong

(Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power System,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)

Abstract：Aiming at the signal interference existed in traditional rotating heat system,a real-time temperature monitoring system is designed,which takes low-power,high-performance embedded ARM chip TM4C123GH6PM as the hardware core and includes multiple K-thermocouples and a wireless serial port communication module.Based on the LabVIEW monitoring interface,the design achieves the display,storage and playback.The experiment results show that the system avoids the signal interference effectively,the cost is low,and it is easy to operate and can be expanded.It has good prospect in the engineering application.

Key words:TM4C123GH6PM;thermocouple;MAX6675;wireless serial port communication;LabVIEW

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2015-06-01)

中圖分類號:TM331

文獻標識碼:A