基于无线无源温度传感器的数据读取装置设计方法研究

基于无线无源温度传感器的数据读取装置设计方法研究

黄志华、李林、雷张文、方昕

 株洲国创轨道科技有限公司    湖南 株洲   412000

摘  要：本文主要研究了一种基于无线无源温度传感器的数据读取装置设计方法；主要针对无线无源温度传感器的数据读取与处理问题，通过高稳定度、高分辨率激励信号的产生、高灵敏度可控增益回波信号的接收、高效的数据处理算法处理等技术；最终实现了在非接触的情况下，获取无线无源温度传感器的数据并解析出准确的温度值，测量温度结果由串行通信接口输出。本文在无线无源温度传感器数据读取的应用场景下意义重大，具有读取温度快速、稳定、可靠、精度高、非接触等特点；此技术在工业领域具有极为重要的作用。

关键词：无线无源温度传感器；非接触；回波信号

1技术方案

本文解决的核心问题包括：1）读取温度数据的速度慢；现有读取器的读取温度速度较慢，通常一个温度传感器的读取时间需要5-10秒。本文通过改进读取数据算法，采用快速粗扫方式进行大致定位，再结合局部精细扫描方式准确定位无源温度传感器回波信号的中心频率（该中心频率与温度值直接相关），从而实现了快速的获取无源温度传感器温度值。改进后的读取器读取速度可达2秒/传感器。2）读取温度的分辨率不高；经技术分析得知，现有读取器读取温度分辨率（0.1℃）之所以较低，主要源于其激励信号的分辨率较低以及算法处理上的分辨率较低；本文重新设计了高分辨率的激励信号产生电路，采用DDS技术的专用芯片设计的激励信号产生电路其分辨率分辨率可达0.01Hz，频率稳定度可达10-7，这为后续精确测温提供了基础性保障。另一方面，通过采用FFT算法对温度传感器回波信号进行频率和功率的计算，可精确分辨出中心频率点，而中心频率值与实际温度直接关联，因而这样读取装置便能有效的提高测温分辨率（最高可达0.01℃）。3）读取距离较近；现有读取器的读取可靠读取距离约0.6米，最远不超过1.5米。本文结合读取器读取原理，分析改进了传感器回波信号的处理电路，采用程控放大器电路，既能有效的提高回波信号远距离的接收灵敏度，增大读取数据距离（最远可达3.0米），又能避免近距离时因信号饱和而无法读取的情况。技术方案具体如下：

图1 无线无源温度传感器读取装置模块化组成结构

由图1可以看出，本文设计的无线无源温度传感器读取装置进行了模块化设计，功能相互独立、逻辑清晰，主要由处理器、DDS模块、PLL模块、射频放大模块、PA模块、射频开关、LNA低噪放、程控射频放大、乘法器、可编程本振、低通滤波器、中频放大器、高速ADC、CAN/UART等组成，具体如下：

1）DDS模块：在处理器的控制下产生精密扫频信号源，其频率分辨率可达0.01Hz。

2）PLL模块：将DDS模块产生的信号作为输入信源，在PLL模块作用下倍频输出传感器激励需要的400-440MHz之间的射频信号。

3）射频放大模块：将上述激励信号的电压进行进一步放大，得到幅度较大的射频信号。

4）PA模块：将放大后的信号进行功率放大，以确保其发射功率满足激励信号的距离要求。

5）射频开关：在处理器控制下可选择将射频信号连接至天线进行发射，或将天线连接至接收电路的LNA低噪放进行放大。

6）LNA低噪放：回波信号的小信号前级放大。

7）程控射频放大：将LNA低噪放输出的信号进行进一步的指定增益放大。

8）乘法器：将可编程本振信号与接收的回波放大后的信号进行相乘实现下变频。

9）低通滤波器：将下变频后的低频部分信号滤出，去掉本振信号及和频信号的干扰。

10）中频放大器：将混频后得到的低频信号进行幅度放大。

11）高速ADC：将中频信号进行数字化转换，转换结果进入处理器中。

12）处理器：协调完成各相关模块控制，回波信号的运算与处理，数据的存储与输出等。

13）CAN/UART：数据输出传输接口。

2系统原理及先进性

系统原理具体如下：

DDS模块产生激励源输入至PLL锁相倍频模块产生传感器需要的激励信号，再经射频放大和PA功率放大后由射频开关送至天线发射出激励信号。传感器在激励信号的作用下将产生与温度相关联的回波。

回波信号由天线接收，经射频开关、LNA低噪声放大后得到较大幅度的回波信号，再经程控射频放大器进一步放大。程控放大后的射频回波信号与可编程本振信号经过乘法器进行相乘混频，再经低通滤波器后得到频率较低的中频信号，最后经中频放大器放大后由高速ADC采样进入处理器进行信号处理。

系统的先进性主要体现在三方面，具体如下：

1）DDS部分：采用DDS技术的专用芯片设计的激励信号产生电路其分辨率分辨率可达0.01Hz，频率稳定度可达10-7，这为后续精确测温提供了基础性保障。

2）程控放大器部分：程控放大器会在处理器的控制下改变放大增益，当传感器与天线距离近时，回波信号较大，处理器通过判断后控制程控放大器减小放大倍数，确保进入乘法器的信号不会饱和，从而能正确读取到传感器数值。当传感器与天线距离较远时，回波信号非常弱，此时处理器将控制程控放大器提高放大倍数，使得进入乘法器的信号满足处理需要，从而也能正确读取到温度值。因而，本发明的这一设计有效提高了传感器数据的读取距离。

3）处理算法部分：本发明在处理器中运行了粗扫和细扫相结合的快速定位算法，能实现快速定位和精确测温。同时，通过FFT算法对回波信号进行分析处理，能快速精确的得到回波信号中心频率点，也即携带温度信息的频率点。

3结束语

本文针对现行读取器读取速度慢，读温分辨率低，读取距离近等缺点，提出了一种硬件软件改进相结合的设计方法，其主要特点包括：1）读温分辨率高；通过采用DDS技术，实现高分辨率发射源，结合FFT算法，实现了0.01℃的温度分辨率。2）读取速度快；通过先进算法的植入,在同等环境下读取速率可达到现有读取器的2倍以上。3）读取距离远；在同等环境下，读取器的读温与现有产品相比提高了1倍。

本文所设计的方法在无线无源温度传感器数据读取的应用场景下意义重大，具有读取温度快速、稳定、可靠、精度高、非接触等特点；此技术必将在工业领域得到越来越广泛的应用，实用价值极高。

参考文献

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作者简介:黄志华，1980 年 7 月生，新型能源系统铁路行业工程研究中心副主任，高级工程师。2006年毕业于天津大学电气工程及其自动化专业，主要从事轨道交通装备系统集成设计研究、传感器、氢能源系统应用技术研究。发表论文 10 余篇，申请国家发明专利 20 余项。