CC BY
23
DOI 10.36622^Ти.2021.17.2.013 УДК 629.78+681.518
МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ВХОДНЫХ СИГНАЛОВ В МИКРОКОНТРОЛЛЕРНОМ БЛОКЕ УПРАВЛЕНИЯ
Р.Ю. Кузьменко, И.И. Таболин, А.О. Тищенко, А.Д. Данилов Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: приводится методика программно-аппаратного способа компенсации теплового дрейфа напряжения, возникающего в измерительных каналах резистивных датчиков давления и температуры в блоке управления за-рядно-разрядным устройством никель-водородной аккумуляторной батареи. Рассмотрена проблема повышения точности и надежности измерения контролируемых параметров для более точного управления режимами батареи в системе энергоснабжения при колебаниях температуры окружающей среды. Показана функциональная схема тракта преобразования аналогового сигнала в цифровую форму с использованием встроенного аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера. Приведены экспериментальные данные исследований влияния температуры на точность измерения сигналов, а также графические иллюстрации максимальной приведенной погрешности 40 каналов измерения. Исследован разброс характеристик температурных датчиков, реализованных в кристаллах нескольких микроконтроллеров. На основании полученных данных выявлены узлы и элементы, вносящие максимальную температурную погрешность в каналы измерения датчиков давления и температуры аккумуляторной батареи. Разработана методика для программно-аппаратной компенсации температурной погрешности преобразования сигналов датчиков. Описаны алгоритм и условия практической реализации метода компенсации суммарной погрешности канала измерения с использованием аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера. Проведена экспериментальная оценка примененного метода расчета в узле формирования телеметрии управления блока электроники, предназначенного для преобразования аналоговых сигналов с датчиков давления и температуры в цифровой код
Ключевые слова: микроконтроллер, блок управления, температурный дрейф, аналого-цифровое преобразование, погрешность измерений
Введение
Аккумуляторная батарея (АБ) в системе энергообеспечения космического аппарата (КА) является пока главным накопителем энергии. На современном этапе при условиях длительной эксплуатации КА на околоземной орбите (10 и более лет) и повышенных требований к надежности находят применение никель-водородные аккумуляторные батареи (НВАБ)
[1]. Этот факт заставляет изготовителей НВАБ предъявлять более жесткие требования к точности управления зарядно-разрядным устройством (ЗРУ) в системе энергоснабжения (СЭС)
[2], а следовательно, и к точности измерения контролируемых параметров, таких как давление в корпусе аккумуляторов, температура, общее напряжение на АБ и напряжение на каждом аккумуляторном элементе, входящем в батарею. Допустимая погрешность измерений параметров НВАБ в СЭС КА обычно задается не более 1% от диапазона измерений [3].
Приоритетное влияние на ресурс НВАБ оказывают такие эксплуатационные характеристики, как давление и температура (особенно в
© Кузьменко Р.Ю., Таболин И.И., Тищенко А.О., Данилов А.Д., 2021
конце срока эксплуатации). Поэтому целью данной работы является разработка метода уменьшения влияния температуры окружающей среды на точность измерения данных параметров, используя при этом минимум аппаратных средств.
Постановка задачи
Обеспечение необходимой точности измерений заставляет разработчиков систем электропитания применять внешние многоразрядные и температурно-стабильные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), что приводит к усложнению изделия из-за необходимости резервирования сигналов и уменьшению общей надежности всей измерительной системы при работе в условиях открытого космоса. При этом не устраняется влияние температурного воздействия внешней среды на другие элементы, входящие в измерительные каналы управления СЭС (генераторов стабильного тока, источников опорных напряжений, операционных усилителей и т.п.), во время штатной эксплуатации батареи и при аварийных ситуациях. В связи с этим возникла задача использования микроконтроллеров (МК) для измерения аналоговых сигналов с заданной точностью, а
Максимальная приведенная пог
решность напряжения канала измерения
Принадлежность датчика Ток измерения, протекающий через датчик, мА Диапазон измерения, мВ Максимальная погрешность канала измерения, %
Датчик давления 2 0-140 0,75
Датчик температуры 4 380-500 3,5
Алгоритм реализации программно-аппаратного метода компенсации температурного дрейфа
Один из путей решения изложенной проблемы - применение дополнительного датчика температуры внешней среды, что позволит получить корректирующий коэффициент для программного пересчета измеряемого напряжения.
После более детального исследования выяснилось, что относительная погрешность измеренного напряжения в диапазоне температур от -10 до 40оС имеет близкую к линейной зависимость (рис. 2). Данный факт позволил упростить общую формулу перерасчета значений напряжения для получения реальных значений температур и давлений НВАБ. При разработке алгоритма корректировки учитывалась также погрешность, вносимая источником опорного напряжения ИОН2 микроконтроллера (на примере микросхемы Н142ЕН19 - 0,005% на 1 оС [6]), находящегося в МБУ.
1.5 сШХ. %
0.5 1 град.
15 -1 0 0 -0.5 1 0 1 А 5 : 3 5 4 0 45
* "" ■2.5
-3.5
Рис. 2. Зависимость приведенной погрешности измерения от температуры
На рисунке сплошные линии обозначают границы максимального дрейфа напряжения из группы 40 исследованных измерительных каналов для центральной температуры 25 оС, а пунктирная линия - оптимальный график линейной корреляционной функции полученных погрешностей. Как видно, теоретически с помощью корректировки можно уменьшить температурный дрейф до уровня 0,7% при -10 оС и 0,5% при 40 оС на корпусе изделия БЭ, что
полностью удовлетворяет техническому заданию (менее 1%).
В современных микроконтроллерах (например, 1986ВЕ92У фирмы АО «ППК Ми-ландр») [7] датчик температуры установлен на самом кристалле микросхемы, и существует возможность с помощью программного обеспечения разработчика снимать с него показания в битовой форме, но при этом точность показаний разработчиком не гарантируется [3]. Формула пересчета полученных значений бит в градусы Цельсия кристалла МК с 12-разрядным АЦП имеет вид:
^ = 25 - (N25 - Кзм)/кпр,
(1)
где - количество бит при температуре 25оС конкретного экземпляра МК;
^зм - значение измеренных бит (от 0 до 4095);
кпр - коэффициент преобразования бит в оС.
Были исследованы 24 шт. микроконтроллеров типа 1986ВЕ92У и получены следующие результаты: значение бит при 25оС на кристалле было в диапазоне от 1642 до 1831, коэффициент преобразования бит в градусы у всех экземпляров микроконтроллеров был практически одинаков (кпр на границах диапазона -10 и 40 оС принимал значения от 5,77 до 5,88).
Отсюда скорректированное значение напряжения входного сигнала, поступающего с датчика, будет иметь вид:
ид=иАцп /куС+иоп+Ш, (2)
где иАцП - напряжение, поступающее на вход АЦП МК;
ку - коэффициент усиления канала измерения;
иоп - опорное напряжение в усилительном канале (ИОН1, рис. 1);
- функция напряжения компенсации температурного дрейфа от температуры среды.
Полученная эмпирически функция компенсации напряжения выглядит так:
Ш=а^Шм- N25),
(3)
Вестник Воронежского государственного технического университета. Т. 17. № 2. 2021
где а - экспериментально вычисленный коэффициент, равный 1,85-10-5.
Чтобы функция была оптимальна,
необходимо замерить реальное значение бит ^ исследуемого контроллера при 25 оС на корпусе изделия и вписать данное значение в формулу (3).
Для успешной реализации метода корректировки с помощью микроконтроллерного датчика температуры необходимо выполнить два основных условия:
- генераторы стабильного тока, микроконтроллерный источник опорного напряжения, согласующий усилитель должны находиться рядом или на одной охлаждающей пластине;
- опорные напряжения для согласующих усилителей канала измерения должны формироваться с помощью прецизионных резисторов с источника опорного напряжения микроконтроллера (ИОН 2, рис. 1).
Заключение
Практическая реализация данного метода корректировки показала его эффективность в разработанном блоке электроники, предназначенном для преобразования аналоговых сигналов датчиков давления, температуры в цифровую форму и поэлементного контроля аккумуляторной батареи, а также подачи управляющих команд в зарядно-разрядное устройство НВАБ [2]. При правильно выбранных корректирующих коэффициентах экспериментально измеренный максимальный температурный дрейф напряжения датчика температуры (из 40 исследованных каналов измерения) составил не
более 0,6 %, что более чем в 5 раз лучше, чем до корректировки. Канал измерения давления также показал улучшение параметров, погрешность измерения снизилось до 0,3 % при 0,75% до коррекции.
В итоге можно сказать, что данный метод компенсации температурного дрейфа может найти применение в любом микроконтроллерном канале измерения, если характеристика абсолютной погрешности имеет форму близкой к линейной при эксплуатации изделия в заданном диапазоне температур.
Литература
1. Никель-водородные аккумуляторные батареи [Электронный ресурс]. URL: http://satum-kuban.ru/, доступ свободный (дата обращения 01.03.2021).
2. Данилов А. Д. Тищенко А.О. Алгоритмы управления специализированными исполнительными устройствами систем электрообеспечения МКС // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве. 2017. С. 126-128.
3. Данилов А.Д., Кузьменко Р.Ю. Автоматизированная система диагностики и контроля для наземной отработки энергоузлов МКС // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве. 2019. С. 147-150.
4. Шонфелдер Г., Шнайдер К. Измерительные устройства на базе микропроцессора ATmega. СПб.: БХВ-Петербург, Электроника, 2014. С. 141.
5. Данилов А.Д., Тищенко А.О. Исследование энергосберегающих систем электроснабжения космических аппаратов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2014. Т. 10. № 5-1. С. 82-84.
6. Регулируемые стабилизаторы напряжения положительной полярности. [Электронный ресурс]. URL: https://docviewer.yandex.ru/view/290397081/, доступ свободный (дата обращения 01.03.2021).
7. Спецификация на серию 1986ВЕ9х [Электронный ресурс]. URL: https://ic.milandr.ru/, доступ свободный (дата обращения 01.03.2021).
Поступила 02.03.2021; принята к публикации 19.04.2021 Информация об авторах
Кузьменко Роман Юрьевич - аспирант кафедры компьютерных интеллектуальных технологий проектирования, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), e-mail: kuzromik7@yandex.ru
Таболин Иван Иванович - аспирант кафедры компьютерных интеллектуальных технологий проектирования, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), e-mail: iwan.tabolin@yandex.ru
Тищенко Артём Олегович - аспирант кафедры компьютерных интеллектуальных технологий проектирования, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), e-mail: 89204003472@mail.ru
Данилов Александр Дмитриевич - д-р техн. наук, профессор кафедры компьютерных интеллектуальных технологий проектирования, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), e-mail: danilov-ad@yandex.ru
METHOD FOR IMPROVING THE ACCURACY OF MEASURING INPUT SIGNALS IN A MICROCONTROLLER CONTROL UNIT
R.Yu. Kuz'menko, I.I. Tabolin, A.O. Tishchenko, A.D. Danilov
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the article presents the method of hardware-software compensation of thermal voltage drift in the measuring channels of resistive pressure and temperature sensors in the control unit of the charging and discharging device of a nickel-hydrogen battery. We considered the problem of increasing the accuracy and reliability of the measurement of controlled parameters for more precise control of the operating modes of the batteries in the power supply system when the ambient temperature changes. We show the functional diagram of the path for converting an analog signal into a digital form using the built-in analog-to-digital converter of the microcontroller. We present experimental data on the influence of temperature on the accuracy of signal measurement, as well as graphic illustrations of the maximum reduced error of 40 measuring channels. We investigated the spread of the characteristics of temperature sensors implemented in the crystals of several microcontrollers. Based on the obtained data, we determined the nodes and elements that make up the maximum temperature error in the measurement channels of the pressure and temperature sensors of the battery. We developed a method of hardware-software compensation of the temperature error of the sensor signal conversion. Here we describe the algorithm and conditions of practical implementation of the method of compensation of the total error of the measuring channel using the analog-to-digital converter of the microcontroller. We carried out an experimental evaluation of the applied calculation method in the telemetry generation unit of the electronics unit designed to convert analog signals of pressure and temperature sensors into a digital code
Key words: microcontroller, control unit, temperature drift, analog-to-digital conversion, measurement error
References
1. "Nickel-hydrogen rechargeable batteries" ("Nikel'-vodorodnye akkumulyatornye batarei"), available at: http://saturn-kuban.ru/, (access date: 01.03.2021).
2. Danilov A.D., Tichenko A.O. "Algorithms for controlling specialized executive devices of ISS electrical supply systems" New Technologies in Research, Design, Management, and Production (Novye tekhnologii v nauchnykh issledovaniyakh, proektiro-vanii, upravlenii, proizvodstve), 2017, pp. 126-128.
3. Danilov A.D., Kuz'menko R.Yu. "Automated diagnostic and control system for ground-based testing of ISS power nodes", New Technologies in Research, Design, Management, and Production (Novye tekhnologii v nauchnykh issledovaniyakh, proektiro-vanii, upravlenii, proizvodstve), 2019, pp. 147-150.
4. Schonfelder G., Schneider C. "Measuring devices based on the ATmega microprocessor", St. Petersburg, BHV-Peterburg, Elektronika, 2014, 141 p.
5. Danilov A.D., Tichenko A.O. "Research of energy-saving power supply systems for spacecraft", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2014, vol.10, no. 5-1, pp. 82-84.
6. "Adjustable positive polarity voltage regulators" ("Reguliruemye stabilizatory napryazheniya polozhitel'noy polyarnosti"), available at: https://docviewer.yandex.ru/view/ 290397081/, (access date: 01.03.2021).
7. "Specification for 1986VE9x series" ("Spetsifikatsiya na seriyu 1986VE9x"), available at: https://ic.milandr.ru/, (access date: 01.03.2021).
Submitted 02.03.2021; revised 19.04.2021 Information about the authors
Roman Yu. Kuzu'menko, Graduate student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: kuzromik7@yandex.ru
Ivan I Tabolin, Graduate student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: iwan.tabolin@yandex.ru
Artyem O. Tishchenko, Graduate student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: 89204003472@mail.ru
Aleksandr D. Danilov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: danilov-ad@yandex.ru
