一种可编程可受控的温控电路、方法和介质与流程

本发明涉及一种可编程可受控的温控电路、方法和介质，属于温控电路技术领域。

背景技术：

考虑到导航的准确性和安全性问题，飞行器所使用的惯性测量组合要求具备较高的精度，而飞行器在高空中工作环境较为恶劣，温度变化剧烈。为了保证惯组导航精度，降低外界温度环境对惯组的影响，必须相应地在惯性测量组合中采用温度控制电路。

目前常用的温度控制电路利用温度传感器采集惯组内部温度，控制模块检测内部温度与目标温度差，在此基础上通过pid控制，调节惯组内部加热片输出功率，从而实现恒温控制。对于飞行器而言，这种温度控制电路存在如下三个缺点：(1)安全性不足。温度控制电路因为设计失误或部件老化等问题，有可能会导致惯组内部温度失控，极大地降低导航精度，给整个导航系统带来安全隐患。(2)精度不足。因为惯组内部热容问题，实际上将惯组内部的惯性传感器件精确控制在某个目标温度上难度较大，恒温的精度较差，影响控制精度。(3)速度不足。利用温度差进行pid控制，前期输出功率大，控制速度较快，但随着温度差异逐渐变小，控制越来越慢，这样惯组从启动到达到目标温度范围要讲过较长的时间，难以满足飞行器的快速起飞的要求。

综上，目前常用温度控制电路存在安全性、精度和速度等问题，难以满足飞行器惯性测量组合的温度控制要求。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种可编程可受控的温控电路、方法和介质，能够编程受控、控制精度高、控制速度快的适用于飞行器惯性测量组合的温度控制，以提高安全性、精度和速度，满足飞行器的快速起飞要求。

本发明解决的技术方案为：一种可编程可受控的温控电路，包括：铂电阻(101)、铂电阻(102)、信号调理电路(200)、a/d转换电路(300)、fpga(400)、功率驱动电路(500)、加热片(601)、加热片(602)和串口收发电路(700)；

铂电阻(102)贴在惯组内部的惯性传感器表面，用于采集惯组内部惯性传感器的温度，铂电阻(101)采集惯组内部用于固定惯性传感器的支架的温度，并将铂电阻(101)和铂电阻(102)采集到的温度数据送至信号调理电路(200)；

信号调理电路(200)，将铂电阻(101)和铂电阻(102)采集到的温度数据转化为电压量送至a/d转换电路(300)；

a/d转换电路(300)将调理电路(200)输出的电压量进行模数转换，转为数字温度信号，即惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号，送至fpga(400)。

fpga(400)接收a/d转换电路(300)输出的惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号，fpga(400)将惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号通过串口收发电路(700)输出至外部，用于惯组温度监测；同时，fpga(400)将惯性传感器温度数字信号表示的温度与设定的惯性传感器目标温度(401)做差，得到惯性传感器温差，将支架温度数字信号表示的温度与设定的支架目标温度(402)做差，得到支架温差，在fpga(400)内根据惯性传感器温差和支架温差分别进行pid控制运算，得到使传感器温差和支架温差分别为零的两路数字信号，根据这两路数字信号生成相应的两路pwm控制信号。两路pwm控制信号由fpga(400)送至功率驱动电路(500)；

功率驱动电路(500)，由fpga(400)输出的两种pwm信号控制，产生脉宽可调的电流分别施加在加热片(601)和加热片(602)上；

加热片(601)和加热片(602)分别贴合在惯性传感器和支架上，用于控制其温度；

串口收发电路(700)能够将fpga(400)的数字温度信号，即惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号输出，用于外部温度监测；同时，外部也能够通过串口收发电路(700)将控制命令发给fpga(400)，对fpga(400)进行控制参数修改和关闭温度控制功能。

所述的fpga(400)：包含参数注入模块(404)和功能关闭模块(405)、温度比较模块；温度比较模块内存储有传感器目标温度(401)、支架目标温度(402)；

参数注入模块(404)和功能关闭模块(405)由外部经串口收发电路(700)送来的控制命令进行控制，参数注入模块(404)能够修改温度比较模块内存储的关键参数，包括：传感器目标温度(401)、支架目标温度(402)、和pid控制模块403内的控制参数等。功能关闭模块405用于停止输出pwm控制信号，关闭温度控制功能。

采用二次温控方案，即首先控制支架温度，在其基础上对惯性传感器进行二次温控。支架目标温度402要设置为稍低于传感器目标温度401，这样可降低热容影响，提高惯性传感器的温控精度。

所述的fpga400内采用分段pid算法，即开始阶段fpga将pwm波的高电平脉宽调到最高，直接使加热片601和加热片602以最大功率运行，快速升温。直到传感器温度和支架温度分别与其目标温度缩小到很小的范围内时，再切换到pid算法，进行末段精确控制。

一种可编程可受控的温控方法，步骤如下：

(1)将铂电阻(102)贴在惯组内部的惯性传感器表面，用于采集惯组内部惯性传感器的温度，铂电阻(101)采集惯组内部用于固定惯性传感器的支架的温度，并将铂电阻(101)和铂电阻(102)采集到的温度数据送至信号调理电路(200)；

(2)信号调理电路(200)，将铂电阻(101)和铂电阻(102)采集到的温度数据转化为电压量送至a/d转换电路(300)；

(3)a/d转换电路(300)将调理电路(200)输出的电压量进行模数转换，转为数字温度信号，即惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号，送至fpga(400)。

(4)fpga(400)接收a/d转换电路(300)输出的惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号，fpga(400)将惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号通过串口收发电路(700)输出至外部，用于惯组温度监测；同时，fpga(400)将惯性传感器温度数字信号表示的温度与设定的惯性传感器目标温度(401)做差，得到惯性传感器温差，将支架温度数字信号表示的温度与设定的支架目标温度(402)做差，得到支架温差，在fpga(400)内根据惯性传感器温差和支架温差分别进行pid控制运算，得到使传感器温差和支架温差分别为零的两路数字信号，根据这两路数字信号生成相应的两路pwm控制信号。两路pwm控制信号由fpga(400)送至功率驱动电路(500)；

(5)功率驱动电路(500)，由fpga(400)输出的两种pwm信号控制，产生脉宽可调的电流分别施加在加热片(601)和加热片(602)上；

(6)加热片(601)和加热片(602)分别贴合在惯性传感器和支架上，用于控制其温度；

(7)串口收发电路(700)能够将fpga(400)的数字温度信号，即惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号输出，用于外部温度监测；同时，外部也能够通过串口收发电路(700)将控制命令发给fpga(400)，对fpga(400)进行控制参数修改和关闭温度控制功能。

所述步骤(4)的fpga(400)包含参数注入模块(404)和功能关闭模块(405)、温度比较模块；温度比较模块内存储有传感器目标温度(401)、支架目标温度(402)；

参数注入模块(404)和功能关闭模块(405)由外部经串口收发电路(700)送来的控制命令进行控制，参数注入模块(404)能够修改温度比较模块内存储的关键参数，包括：传感器目标温度(401)、支架目标温度(402)、和pid控制模块403内的控制参数等。功能关闭模块405用于停止输出pwm控制信号，关闭温度控制功能。

所述温控采用二次温控方案，即首先控制支架温度，在其基础上对惯性传感器进行二次温控。支架目标温度402要设置为稍低于传感器目标温度401，这样可降低热容影响，提高惯性传感器的温控精度。

所述步骤(4)的fpga400内采用分段pid算法，即开始阶段fpga将pwm波的高电平脉宽调到最高，直接使加热片601和加热片602以最大功率运行，快速升温。直到传感器温度和支架温度分别与其目标温度缩小到很小的范围内时，再切换到pid算法，进行末段精确控制。

本发明基于可编程可受控温控的存储介质，其特征在于：存储了可受控的温控程序，该程序按照权利要求5-8中任一项所述方法运行。

本发明一种存储了指令的非暂态计算机可读介质，当所述指令被至少一个处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求5-8中任一项所述方法。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明温度控制电路的主要参数在fpga中均为数字量，外部经串口收发电路可修改相关参数和发出命令。这样温控电路出现错误时，可由外部进行修复或直接切断，提高安全性。

(2)本发明分段pid算法，即开始阶段fpga将pwm波的高电平脉宽调到最高，直接使加热片以最大功率运行，快速升温。直到传感器温度和支架温度分别与其目标温度缩小到很小的范围内时，再切换到pid算法，进行末段精确控制。这样既不牺牲调节精度，又能提高控制速度。

(3)本发明fpga400内采用分段pid算法，即开始阶段fpga将pwm波的高电平脉宽调到最高，直接使加热片601和加热片602以最大功率运行，快速升温。直到传感器温度和支架温度分别与其目标温度缩小到很小的范围内时，再切换到pid算法，进行末段精确控制。

(4)本发明采用二次温控方案，即首先控制支架温度，在其基础上对惯性传感器进行二次温控。支架目标温度402要设置为稍低于传感器目标温度401，这样可降低热容影响，提高惯性传感器的温控精度。

(5)本发明参数注入模块(404)和功能关闭模块(405)由外部经串口收发电路(700)送来的控制命令进行控制，参数注入模块(404)能够修改温度比较模块内存储的关键参数，包括：传感器目标温度(401)、支架目标温度(402)、和pid控制模块403内的控制参数等。功能关闭模块405用于停止输出pwm控制信号，关闭温度控制功能。

(6)本发明pid的具体控制参数由加热功率、温度传感器类型、电桥参数、ad620放大倍数和a/d转换电路参数共同决定，需根据实际器件选型情况进行仿真确定，提高了温控精度。

附图说明

图1为本发明一种可编程可受控的温控电路路的结构示意图；

图2为本发明的优选分段pid算法示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种可编程可受控的温控电路。该电路包括两种铂电阻、信号调理电路、a/d(模拟到数字)转换电路、fpga、功率驱动电路、两种加热片和串口收发电路。两种铂电阻分别用于测量惯性传感器和固定惯性传感器的支架的温度，测得的温度经信号调理电路和a/d转化数字温度信号输入fpga。fpga将数字温度信号一方面经串口收发电路发送到外部用于温度监测；另一方面将数字温度信号与目标温度做差后，通过分段pid控制，经功率驱动电路，调节两种加热片的加热功率。两种加热片分别贴合在测量惯性传感器和固定惯性传感器的支架上，用于控制其温度。外部可通过串口收发电路向fpga内注入控制参数或直接切断温度控制。本发明中的温控电路采用了二次温控，分别控制惯性传感器与支架温度，以降低热容的影响。本发明提供的一种可编程可受控的温控电路具有安全性高、控制精度高和升温速度快的优点。

结合图1，本发明一种可编程可受控的温控电路，整体上是一种可编程可受控的闭环反馈系统，包括铂电阻101、铂电阻102、信号调理电路200、a/d(模拟到数字)转换电路300、fpga400、功率驱动电路500、加热片601、加热片602和串口收发电路700。

其中铂电阻101作为温度传感器，采集惯组内部传感器的温度；铂电阻102作为温度传感器，采集惯组内部用于固定惯性传感器的支架的温度。信号调理电路200将铂电阻101和铂电阻102采集到的温度数据转化为与温度相关的电压量。a/d转换电路300接收信号调理电路200输出的电压量，并将其转化为表征温度的数字信号。fpga400，采集a/d转换电路300输出的两种数字温度信号(惯性传感器温度的与支架温度)，两种数字温度信号一方面经串口收发电路500输出，用于惯组温度监测；另一方面与传感器目标温度401与支架目标温度402分别进行做差比较，并据此在pid控制模块403内进行分段pid算法，产生相应的两种pwm控制信号。功率驱动电路500，由fpga400输出的两种pwm波控制，产生脉宽可调的电流分别施加在加热片601和加热片602上。加热片601和加热片602分别贴合在惯性传感器和支架上，用于控制其温度。

串口收发电路700用于与外界通信。串口收发电路700将fpga400内的数字温度信号输出，用于外部温度监测。如果外部发现温控电路出现异常，则可以通过串口收发电路700将相关命令发给fpga400内部的参数注入模块404和功能关闭模块405。参数注入模块404用于修改温度控制电路关键参数，如传感器目标温度401、支架目标温度402、和pid控制模块403内的控制参数等。功能关闭模块405用于停止输出pwm控制信号，关闭温度控制功能。

结合图1，本发明采用的是二次温控方案，即首先控制支架温度，在其基础上对惯性传感器进行二次温控。支架目标温度402要设置为稍低于传感器目标温度401，这样可降低热容影响，提高温控精度。

pid控制模块403内的分段pid算法如图2所示，即开始阶段fpga将pwm波的高电平脉宽调到最高，直接使加热片601和加热片602以最大功率运行，快速升温。直到传感器温度和支架温度分别与其目标温度缩小到很小的范围内时，再切换到pid算法，进行末段精确控制。这样既不牺牲调节精度，又能提高控制速度。

下面通过实施例对一种可编程可受控的温控电路的组成、工作原理进行详细描述。

本发明的一种可编程可受控的温控电路，包括：铂电阻(101)、铂电阻(102)、信号调理电路(200)、a/d转换电路(300)、fpga(400)、功率驱动电路(500)、加热片(601)、加热片(602)和串口收发电路(700)；

铂电阻(102)贴在惯性传感器表面用于采集惯组内部惯性传感器的温度，铂电阻(101)采集惯组内部用于固定惯性传感器的支架的温度，并将铂电阻(101)和铂电阻(102)采集到的温度数据送至信号调理电路(200)；

信号调理电路(200)由测温电桥和ad620仪用放大器组成，将铂电阻(101)和铂电阻(102)采集到的温度数据转化为电压量送至a/d转换电路(300)；

a/d转换电路(300)将调理电路(200)输出的电压量进行模数转换，转为数字温度信号，即惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号，送至fpga(400)。所述的fpga(400)：包含参数注入模块(404)和功能关闭模块(405)、温度比较模块；温度比较模块内存储有传感器目标温度(401)、支架目标温度(402)；参数注入模块(404)和功能关闭模块(405)由外部经串口收发电路(700)送来的控制命令进行控制，参数注入模块(404)能够修改温度比较模块内存储的关键参数，包括：传感器目标温度(401)、支架目标温度(402)、和pid控制模块403内的控制参数等。功能关闭模块405用于停止输出pwm控制信号，关闭温度控制功能。

fpga(400)接收a/d转换电路(300)输出的惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号，fpga(400)将惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号通过串口收发电路(500)输出至外部，用于惯组温度监测；同时，fpga(400)将惯性传感器温度数字信号表示的温度与设定的传感器目标温度(401)做差，得到传感器温差，将支架温度数字信号表示的温度与设定的支架目标温度(402)做差，得到支架温差。温度控制的目标是要使传感器温差和支架温差分别为零，为实现该目标，在fpga内根据传感器温差和支架温差分别进行pid控制运算(pid的具体控制参数由加热功率、温度传感器类型、电桥参数、ad620放大倍数和a/d转换电路参数共同决定，需根据实际器件选型情况进行仿真确定)，运算结果为两路数字信号。根据该数字信号生成相应的两路pwm控制信号。温差越大，运算出的数字信号越大，则pwm控制信号的占空比越大。采用二次温控方案，即首先控制支架温度，在其基础上对惯性传感器进行二次温控。支架目标温度402要设置为稍低于传感器目标温度401，这样可降低热容影响，提高惯性传感器的温控精度。

fpga400内优选采用分段pid算法，即开始阶段fpga将pwm波的高电平脉宽调到最高，直接使加热片601和加热片602以最大功率运行，快速升温。直到传感器温度和支架温度分别与其目标温度缩小到很小的范围内时，再切换到pid算法，进行末段精确控制。

两路pwm控制信号由fpga(400)送至功率驱动电路(500)；

功率驱动电路(500)，由fpga(400)输出的两种pwm信号控制，产生脉宽可调的电流分别施加在加热片(601)和加热片(602)上；pwm信号的占空比越大，则加热功率越高；

加热片(601)和加热片(602)分别贴合在惯性传感器和支架上，用于控制其温度；

串口收发电路(700)能够将fpga(400)的数字温度信号，即惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号，输出，用于外部温度监测；同时，外部也能够通过串口收发电路(700)将控制命令发给fpga(400)，对fpga(400)进行控制参数修改和关闭温度控制功能。

一种可编程可受控的温控方法，步骤如下：

(1)将铂电阻(102)贴在惯组内部的惯性传感器表面，用于采集惯组内部惯性传感器的温度，铂电阻(101)采集惯组内部用于固定惯性传感器的支架的温度，并将铂电阻(101)和铂电阻(102)采集到的温度数据送至信号调理电路(200)；

(2)信号调理电路(200)，将铂电阻(101)和铂电阻(102)采集到的温度数据转化为电压量送至a/d转换电路(300)；

(3)a/d转换电路(300)将调理电路(200)输出的电压量进行模数转换，转为数字温度信号，即惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号，送至fpga(400)。

(4)fpga(400)接收a/d转换电路(300)输出的惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号，fpga(400)将惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号通过串口收发电路(700)输出至外部，用于惯组温度监测；同时，fpga(400)将惯性传感器温度数字信号表示的温度与设定的惯性传感器目标温度(401)做差，得到惯性传感器温差，将支架温度数字信号表示的温度与设定的支架目标温度(402)做差，得到支架温差，在fpga(400)内根据惯性传感器温差和支架温差分别进行pid控制运算，得到使传感器温差和支架温差分别为零的两路数字信号，根据这两路数字信号生成相应的两路pwm控制信号。两路pwm控制信号由fpga(400)送至功率驱动电路(500)；

(5)功率驱动电路(500)，由fpga(400)输出的两种pwm信号控制，产生脉宽可调的电流分别施加在加热片(601)和加热片(602)上；

(6)加热片(601)和加热片(602)分别贴合在惯性传感器和支架上，用于控制其温度；

(7)串口收发电路(700)能够将fpga(400)的数字温度信号，即惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号输出，用于外部温度监测；同时，外部也能够通过串口收发电路(700)将控制命令发给fpga(400)，对fpga(400)进行控制参数修改和关闭温度控制功能。

所述步骤(4)的fpga(400)包含参数注入模块(404)和功能关闭模块(405)、温度比较模块；温度比较模块内存储有传感器目标温度(401)、支架目标温度(402)；

参数注入模块(404)和功能关闭模块(405)由外部经串口收发电路(700)送来的控制命令进行控制，参数注入模块(404)能够修改温度比较模块内存储的关键参数，包括：传感器目标温度(401)、支架目标温度(402)、和pid控制模块403内的控制参数等。功能关闭模块405用于停止输出pwm控制信号，关闭温度控制功能。

所述温控采用二次温控方案，即首先控制支架温度，在其基础上对惯性传感器进行二次温控。支架目标温度402要设置为稍低于传感器目标温度401，这样可降低热容影响，提高惯性传感器的温控精度。

所述步骤(4)的fpga400内采用分段pid算法，即开始阶段fpga将pwm波的高电平脉宽调到最高，直接使加热片601和加热片602以最大功率运行，快速升温。直到传感器温度和支架温度分别与其目标温度缩小到很小的范围内时，再切换到pid算法，进行末段精确控制。

本发明基于可编程可受控温控的存储介质，其特征在于：存储了可受控的温控程序，该程序运行：

(1)将铂电阻(102)贴在惯组内部的惯性传感器表面，用于采集惯组内部惯性传感器的温度，铂电阻(101)采集惯组内部用于固定惯性传感器的支架的温度，并将铂电阻(101)和铂电阻(102)采集到的温度数据送至信号调理电路(200)；

(2)信号调理电路(200)，将铂电阻(101)和铂电阻(102)采集到的温度数据转化为电压量送至a/d转换电路(300)；

(3)a/d转换电路(300)将调理电路(200)输出的电压量进行模数转换，转为数字温度信号，即惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号，送至fpga(400)。

(4)fpga(400)接收a/d转换电路(300)输出的惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号，fpga(400)将惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号通过串口收发电路(700)输出至外部，用于惯组温度监测；同时，fpga(400)将惯性传感器温度数字信号表示的温度与设定的惯性传感器目标温度(401)做差，得到惯性传感器温差，将支架温度数字信号表示的温度与设定的支架目标温度(402)做差，得到支架温差，在fpga(400)内根据惯性传感器温差和支架温差分别进行pid控制运算，得到使传感器温差和支架温差分别为零的两路数字信号，根据这两路数字信号生成相应的两路pwm控制信号。两路pwm控制信号由fpga(400)送至功率驱动电路(500)；

(5)功率驱动电路(500)，由fpga(400)输出的两种pwm信号控制，产生脉宽可调的电流分别施加在加热片(601)和加热片(602)上；

(6)加热片(601)和加热片(602)分别贴合在惯性传感器和支架上，用于控制其温度；

(7)串口收发电路(700)能够将fpga(400)的数字温度信号，即惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号输出，用于外部温度监测；同时，外部也能够通过串口收发电路(700)将控制命令发给fpga(400)，对fpga(400)进行控制参数修改和关闭温度控制功能。

本发明一种存储了指令的非暂态计算机可读介质，当所述指令被至少一个处理器执行时，使得所述处理器执行：

(1)将铂电阻(102)贴在惯组内部的惯性传感器表面，用于采集惯组内部惯性传感器的温度，铂电阻(101)采集惯组内部用于固定惯性传感器的支架的温度，并将铂电阻(101)和铂电阻(102)采集到的温度数据送至信号调理电路(200)；

(2)信号调理电路(200)，将铂电阻(101)和铂电阻(102)采集到的温度数据转化为电压量送至a/d转换电路(300)；

(3)a/d转换电路(300)将调理电路(200)输出的电压量进行模数转换，转为数字温度信号，即惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号，送至fpga(400)。

(4)fpga(400)接收a/d转换电路(300)输出的惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号，fpga(400)将惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号通过串口收发电路(700)输出至外部，用于惯组温度监测；同时，fpga(400)将惯性传感器温度数字信号表示的温度与设定的惯性传感器目标温度(401)做差，得到惯性传感器温差，将支架温度数字信号表示的温度与设定的支架目标温度(402)做差，得到支架温差，在fpga(400)内根据惯性传感器温差和支架温差分别进行pid控制运算，得到使传感器温差和支架温差分别为零的两路数字信号，根据这两路数字信号生成相应的两路pwm控制信号。两路pwm控制信号由fpga(400)送至功率驱动电路(500)；

(5)功率驱动电路(500)，由fpga(400)输出的两种pwm信号控制，产生脉宽可调的电流分别施加在加热片(601)和加热片(602)上；

(6)加热片(601)和加热片(602)分别贴合在惯性传感器和支架上，用于控制其温度；

(7)串口收发电路(700)能够将fpga(400)的数字温度信号，即惯性传感器温度数字信号与支架温度数字信号输出，用于外部温度监测；同时，外部也能够通过串口收发电路(700)将控制命令发给fpga(400)，对fpga(400)进行控制参数修改和关闭温度控制功能。

综上所述，本发明一种可编程可受控的温控电路，可由外部控制进行参数修改或切断温度控制，提高了安全性；对惯性传感器和固定支架进行二次温控方案，提高了温控精度；采用分段pid算法，提高了控制速度。更加适用于飞行器所使用的惯性测量组合的温度控制。