青藏高原冻土温度64通道监测系统设计*

张金玉,行鸿彦,冯茂岩,张 军

(1.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心,南京 210044; 2.南京信息工程大学江苏省气象探测与信息处理重点实验室,南京 210044; 3.江苏海事职业技术学院,南京 211170)

青藏高原地区由于海拔较高,地势特殊,土质较低海拔区域有很大不同[1],昼夜温差大,部分区域常年温度较低,土壤层结构较为特殊,深层土壤可能存在永久性冻土或者季节性冻土。冻土的水热物理特性、流变性和对温度的强敏感性,使其长期强度远低于瞬时强度[2],易导致青藏铁路轨道出现冻胀或融沉等危险。为保证青藏高原地区工程建设的可行性和安全性,投资建设工程前,监测建筑范围内土质温度变化趋势,判断冻土所在区域,具有重要的现实意义。

目前在冻土测量方面,多为冻融过程研究[3-4]、冻土内管道参数监测[5]、不同深度冻土成分测量[6]和含水量测量[7]等,专门对冻土温度进行测量的系统较少。

各领域温度测量方法较多,在国外,利用UWB微波雷达方法研究温度变化[8],在热疗领域具有较大的应用前景,但该方法测量温度仅适用于0 ℃以上,范围较为局限,另外若需测量多分布温度点,无法达到实际应用需求;Maria George等[9]设计了具有频谱估计的嵌入式多通道数据采集系统,可允许微控制器和FPGA集成在单个芯片中,缩小系统尺寸,但采集通道数较少,实际应用效率不高;Fuduli等[10]在医学上设计出128通道的DAS系统,用于实时监测外部放射治疗仪器各项参数指标是否正常,精度较高,但该系统仅支持室内近距离数据传输,与实际应用背景不符。

随着科学技术的迅速发展,我国科研人员也进行了大量研究。在温度测量方法方面,利用分布式光纤,采用基于Raman光时域反射计测量温度[11],可测量温度和区域范围均较广,但该方法测量精度不满足实际误差需求。在多通道测量系统方面,多利用双通道、四通道、八通道系统研究图像成像或信号探测[12-18]。早期,李晓辉等[19]设计了基于FPGA的数据采集系统,采用FPGA与单片机相结合的硬件架构,具有很强的通用性和灵活性,但同样采集通道数较少,且应用背景为高速高温环境,与低温环境应用相悖。王星等[20]设计了多通道表面肌电无线采集系统,实现6通道采集人体手部运动sEMG信号,但无线信号传输距离较短。在系统性能方面,虽然甄国涌等[21]设计了一种182路传感器数据采集电路,但缺少可供低温环境下的实验,接口多,占用CPU高,影响传输速度。

针对现有通道系统难以满足青藏高原环境冻土监测问题,本文设计了一种64通道温度监测系统。对系统结构进行总体设计,引入了分段拟合方法,得到热敏电阻阻温关系。对信号采集模块进行设计,利用以少控多,逐层控制方法,设计了64通道信号切换模块。根据通道采集信号,提出了一种温度数据校正方法。基于各模块参数说明,对系统性能进一步研究。结合青藏高原冻土物理特性,设定温度变化范围,在高低温实验箱进行仿真实验,对数据进行对比分析。

1 热敏电阻温度测量原理

热敏电阻大多是由Mn、Ni、Co、Fe、Cu等金属的氧化物烧结而成的半导体材料制成,因此无法在太高的温度下使用,适合使用于青藏高原地区的温度测量[22]。

热敏电阻阻值随温度升高而降低,其阻值与被测温度值之间的关系由Steinhart-Hart确定,如式(1)所示:

Rt=R·eB(1/Tt-1/T)

(1)

其中,Rt是热敏电阻在温度Tt(K度)下的阻值,R为热敏电阻在常温T(K度)下的标称阻值,本系统采用热敏电阻R为1 kΩ,B值为材料常数[23]。

根据热敏电阻的阻值变化,结合电流源转换为电压值,利用模数转换,通过微控制器,计算出温度。

2 青藏高原冻土环境温度监测系统

模块化设计理论,即将某些特定要素组合构成具有某种功能的子系统,再将子系统作为通用模块组合成能产生多种不同功能和性能的新系统。一方面,可以缩短产品研发和制造周期,另一方面可减少对环境的影响,方便维修损坏模块或回收废弃模块,基于该理论,对系统进一步设计。

该系统可分为采集模块、信号切换模块、信号调理模块、下位机控制模块、供电模块和上位机模块,其总体顶层设计框图如图1所示。

图1 温度监测系统设计框图

该采集模块设计了64个温度信号采集通道以提高采集效率。利用单片机控制继电器,切换64路热敏电阻电路,控制电流流向某一热敏电阻线路,解决分流的问题。64路信号经过64选1模拟开关模块,寻址选择相应信号通过。信号调理模块采用调理电路,使放大信号匹配AD转换范围,为保证转化精度,选择高精度模数转化芯片,将信号读入单片机。单片机为主要控制中心,外接GPRS模块,利用移动的铁通网实现无线数据传输,USB接口用于数据本地存储与下载,避免远程传输过程中数据的丢失。

考虑到青藏高原野外供电的困难性,采用太阳能供电和蓄电池双供电方式,输出+12 V的电压源,经过低功耗稳压芯片输出+5 V供单片机使用。

系统数据流为:热敏电阻采集信号,经过模拟开关,将并行信号转换成串行信号,经调理电路与AD转换器,存入单片机,单片机将信号存储于USB,并且定时无线发送给上位机。

3 热敏电阻非线性分析

为保证获取高精度的热敏电阻阻值,对实际信号采集模块中热敏电阻的非线性进行分析,逐点测试,得出非线性阻温关系式,为后续64通道温度监测电路设计做基础。低温状态下,数字温度传感器测量精度会受较大影响,为保证测量精度,选择二线制热敏电阻传感器。热敏电阻具有负温度系数特性,总体特征为温度与阻值成反比。系统使用定制二线制热敏电阻,需先测得传感器阻温关系。

利用高低温实验箱,模拟-40 ℃～+20 ℃温度环境,将传感器放置在实验箱内,测出5组精度为±0.01 ℃的阻温数据集,利用最小二乘法拟合5组非线性曲线,可得到阻温关系如图2所示。

图2 热敏电阻阻温关系曲线

当拟合精度为±0.1 ℃时,曲线较不平滑,直接采用最小二乘法无法达到拟合精度要求,因此选择分段拟合。以曲线拐点为基准,分段选择合适的数学模型,利用最小二乘法对各部分曲线进行拟合。当温度范围在T∈[-40,-36]、T∈[-36,-33.5]、T∈[-11,-4.5]时,曲线呈现线性趋势,选择线性模型进行拟合:

Rn=a1Tn+b1

(2)

其中,a1和b1为系数,拟合曲线图如图3所示。

图3 线性拟合阻温曲线

当T∈[-33.5,-27.5]、T∈[-27.5,-25.5]、T∈[-25.5,-11]、T∈[-4.5,20],曲线呈现非线性趋势,选择一元二次函数模型进行拟合:

其中,a2、b2、c为模型系数,n表示第n段曲线,拟合曲线如图4所示。

分段得到下列阻温函数关系式:

当T1∈[-40,-36]时,

R1=-650.39T1-10544.04

(4)

当T2∈[-36,-33.5]时,

R2=-600.42T2-8745.24

(5)

当T3∈[-33.5,-27.5]时,

当T4∈[-27.5,-25.5)时,

当T5∈[-25.5,-11)时,

当T6∈[-11,-3.5)时,

R6=-152.71T6+2564.99

(9)

当T7∈[-3.5,20]时,

4 64通道青藏高原温度监测电路设计

4.1 四线制方法

二线制热敏电阻会带来引线电阻的负载误差,为达到指定的精度需求,常利用四线制方法避免引线电阻带来的负载误差。

在电阻的根部两端各连接两根引线为电阻提供恒定电流,把电阻值转换成电压信号,再通过另两根引线把电压引至64通道温度监测电路中,这种引线方式可完全消除引线的电阻影响。系统利用AD7793内置激励电流源为热敏电阻提供恒定电流,以输出电压信号,四线制电阻电压读取电路如图5所示。

图4 非线性拟合阻温曲线

图5 热敏电阻-电压转换

其中,Vref表示基准电压,Rt表示热敏电阻阻值,ux表示模拟电压值,将热敏电阻与100 Ω基准电阻相连,得到:

其中,Dx为ux转换后的数字信号。

AD7793内共有三种激励电流源,分别为10 μA、210 μA、1 mA在-40 ℃～+20 ℃,热敏电阻阻值变化为1.3 kΩ～15 kΩ。当供电电压为5 V时,模拟开关最大可通过单极性模拟信号范围为VSS(VEE)～VDD(VSS=VEE=0,VDD=5 V),因此,选择210 μA激励电流源,电压信号ux约为0.273 V～3.150 V。

4.2 64通道电路设计

利用少量模拟开关,实现大量电压信号切换,采用以少控多、逐层控制思想,将数据流从并行通信转为串行通信,控制流图如图6所示。

图6 模拟开关控制流图

利用单片机控制译码器输入端,输出端控制模拟开关使能端,单片机控制模拟开关输入地址端,以切换各路传感器。

当切换n(n较大时)路信号时,采用m片3线-8线译码器和k片8选1模拟开关,用以控制译码器和模拟开关的单片机引脚数量为3m+3。其中,若n/64为整数,m=n/64,否则,m=「n/64⎤;若n/8为整数,k=n/8,否则,k=「n/8⎤。

利用图6所示方法,64选1模拟开关设计步骤如下:

步骤1根据通道数,计算所需芯片数量,选择1片3线-8线译码器和8片8选1模拟开关;

步骤2单片机控制3线-8线译码器3个输入端A2A1A0,将其置“000～111”,选址导通模拟开关;

步骤3单片机控制导通模拟开关的3位地址端CBA,将其置“000～111”,按址依次选择第n路信号(n≤64)输出,以此达到64选1的信号切换功能。

相比于传统多线路信号传输“一对一”信号传输与处理,该设计只需利用单片机6个GPIO口,最大化节约电路和引脚资源。

5 温度监测系统数据校正方法

基于热敏电阻温度测量理论[22-23],热敏电阻测量的温度和阻值成反比,即温度越高,阻值越小,因此热敏电阻阻值精度是影响模块测温精度的主要因素之一,利用四线制方法,可得到较高精度的电阻值,但传感器长期埋于地下,传感器本身器件老化或损坏可能导致本身器件输出电阻值与理论值误差较大,进而输出电压产生较大偏差,出现测量不准确问题。江和等[24]提出软件滤波方法,其适用于采集次数为奇数的情况,最终温度值仅取决于一个温度点,精确度较为欠缺。因此,为进一步提高精确度,在保证获得热敏电阻阻值精确的前提下,在后续模块中提出一种温度监测数据校正算法,去除畸变信号,减小温度测量误差。

系统一次采集三组温度数据,计算温度值分别为T1、T2、T3,通过两两相减,得到三组差值,即|T1-T2|=d12,|T1-T3|=d13,|T2-T3|=d23,结合设定的误差判断基准,当d12≤0.1 ℃时,表示T1和T2可能全为正常或畸变的温度点,当d12>0.1 ℃时,表示T1和T2至少有一个畸变信号,需加入第三组采集信号T3,将三组差值d12,d13,d23进行讨论,通过比较三组差值,可较大概率判断三组温度数据是否为正常数据。由于误差不大于0.1 ℃的精度要求,选择0.1 ℃作为误差判断基准。具体校正方法为:

①若d12≤0.1 ℃,且d13≤0.1 ℃,且d23≤0.1 ℃时,表明T1和T2温度差值较小,T1和T3差值较小,T2和T3差值较小,因此三组温度数据较为接近,可以判断T1、T2、T3均为正常数据概率较大。最终输出温度T为三组温度数据平均数:

(12)

③若d12≤0.1 ℃,且d13>0.1 ℃,且d23≤0.1 ℃时,表明T1和T2温度差值较小,T2和T3温度差值较小,T1和T3差值较大,即T1≤T2≤T3或T1≥T2≥T3,与第2种情况类似,因此判断T2为正常温度概率较大。最终输出温度为T2。

④若d12≤0.1 ℃,且d13>0.1 ℃,且d23>0.1 ℃时,表明T1和T2温度差值较小,T1和T3差值较大,T2和T3差值较大,T3为畸变信号概率大。最终输出温度T为T1、T2的平均值:

(13)

⑤若d12>0.1 ℃,且d13≤0.1 ℃,且d23≤0.1 ℃时,表明T1和T2温度差值较大,T1和T3差值较小,T2和T3差值较小,与第2和3情况类似,即T1≤T3≤T2,或T1≥T3≥T2,T1和T2相差最大。最终输出温度为T3。

⑥若d12>0.1 ℃,且d13>0.1 ℃,且d23≤0.1 ℃时,表明T1和T2温度差值较大,T1和T3差值较大,T2和T3差值较小,与第4中情况类似,T1为畸变信号概率大。最终输出温度T为:

(14)

⑦若d12>0.1 ℃,且d13≤0.1 ℃,且d23>0.1 ℃时,表明T1和T2温度差值较大,T1和T3差值较小,T2和T3差值较大,与第4和6情况类似,判断T2为畸变信号概率大。最终输出温度T为:

⑧若d12>0.1 ℃,且d13>0.1 ℃,且d23>0.1 ℃时,在实际测量中,采集一次时间间隔较短,该情况发生概率较小,不予考虑。

采集点数需大于等于3组,选取点数越多,识别畸变信号越准确,测量精度越高,但计算会越复杂。对于不同系统要求,可选择合适的采集信号点数,引入该校正方法,进行处理。

6 系统性能

列出系统各硬件电路组成的功耗、信号延迟等性能参数,研究系统总体性能。

信号切换模块中64选1模拟开关,主要由译码器和8选1模拟开关芯片组成,译码器选择最常用的74LS138,模拟开关选择CD4051,主要参数如表1所示。

表1 74LS138、CD4051主要参数说明

ton表示芯片开启延迟时间,tprop表示信号传输延迟时间,Toperate表示芯片可工作温度范围。经过计算可得,该模块工作时功耗约为4 W,信号传输延迟时间Tdelay约为132 ns。

信号调理模块中模数转换AD7793主要参数如表2所示。

表2 AD7793主要参数说明

其中,t1表示芯片唤醒AD端至输入高低电平的延迟时间,Toperate表示芯片可工作温度范围。

下位机控制模块,选择STM32系列中超低功耗的一款微控制器STM32L151RET6,主要参数如表3所示。

表3 STM32L151RET6主要参数说明

系统采集一年数据所占内存为540 kbyte,单片机采用Flash和RAM共同存储的模式,第一年将1月份～11月份的数据存储在Flash中,12月份的数据存储于RAM。非工作情况下,进入带有实时时钟的停止模式,达到最低损耗同时保留RAM、寄存器的内容,实时时钟仅LSE和LSI运行,设定时间定时唤醒系统。

通过外接GPRS模块,在青藏高原地区采用移动的铁通网络,与上位机实现远距离通信,实现人机交互功能,设计USB口,避免远程传输过程中的数据丢失。

有上述各模块参数可知,系统工作时模拟开关模块占用功耗较多,约为4 W,总体实现低功耗功能要求。信号延迟时间较短,系统唤醒时间相较信号传输延迟时间较长,约为8.6 μs。

7 实验结果与分析

系统使用背景为青藏高原冻土区域,需进行防低温设计,保证系统正常运行。外部采用铝合金材料密封,防水防震防腐蚀,内部铺上高密度的橡塑保温材料,橡塑保温材料是弹性闭孔材料,具有柔软、耐寒/热、阻燃、防水、减震等优良的效果。

根据青藏高原环境冻土物理特性[2],采用专用测温实验平台进行系统测试,测试设备为:①太阳能电源模块:为系统提供稳定的+12 V电源电压输入;②高低温实验箱:为系统测试提供低温环境,测试温度范围为-40 ℃～20 ℃;③无线传输模块:GPRS传输,转接上位机(如PC);④低温环境监测系统;⑤抗低温封装箱:将系统置于该封装箱内,封装箱内部填上高密度橡塑泡沫保温材料,储存系统自身工作热量的同时,隔绝外部低温环境。

高低温环境测试平台如图7所示。

图7 高低温环境测试平台

利用高低温实验箱,提供-40 ℃～+20 ℃环境,将热敏电阻传感器放入,进行数据采集实验。分别记录6组温度范围:-40 ℃～-30 ℃、-30 ℃～-20 ℃、-20 ℃～-10 ℃、-10 ℃～0 ℃、0 ℃～10 ℃、10 ℃～20 ℃,每组选取4个温度点,利用校正方法进行处理,得到温度T,结果如表4所示。

表4 不同温度范围内测试点数据 单位:℃

由表4可知,当T为-16.65、-7.75、13.50时,误差大于0.1 ℃,可进一步缩小温度测量范围,找出误差产生原因,结果如表5所示。

当温度范围在[-16.90,-15.80]、[-9.50,-6.50]、[13.00,19.00]时,总体误差均在±0.15 ℃左右,结合式(5)～式(7),对应阻温拟合曲线可知,误差约为±0.15 ℃,若对该温度范围内测得数据,进行补偿,可进一步提高测温精度,保证在-40 ℃到+20 ℃内,90%以上的温度测量点误差控制在±0.1 ℃内。

表5 误差点范围测量数据 单位:℃

将该系统与文献[25]测温系统相比,在-40 ℃～+20 ℃范围内,测温性能参数如表6所示。

表6 系统参数对比

根据表6,在低温环境下,该系统比文献[25]测温范围广,可测温度点多,存储量大,具有较好的实际应用价值。

8 总结

为避免冻土的物理特性对地面建筑物造成影响,设计了一种64通道冻土温度监测系统。系统采用模块化设计理念,为提高采集模块拟合精度,采用分段式方法,拟合热敏电阻阻温关系;利用模数转换芯片内部激励电流源读取热敏电阻输出电压值;采用以少控多、逐层控制方法实现64选1模拟开关设计,依次向单片机输入电压值,减少系统CPU占用,提高传输速度;提出一种去除突变温度点,求其余温度平均数的方法,以提高整体温度采集精度,提高系统抗干扰性能。经过性能分析,系统延迟时间较短,可测温度范围-40 ℃～+20 ℃,误差约为±0.1 ℃,总体实现低功耗要求,当温度范围在[-16.90,-15.80]、[-9.50,-6.50]、[13.00,19.00]时,测量误差约为±0.15 ℃,可采用补偿等方式,提高测温精度。

该系统不仅可应用于青藏高原地区的冻土温度监测,还可应用于平原地区环境监测,若进一步提高微控制器存储量和运算速率,对超大容量通道信号采集系统的研究,有较好的促进作用。