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猝發(fā)式紅外近距離測試系統(tǒng)發(fā)射部分電路設(shè)計(jì)
摘要：針對坦克裝甲車輛傳動系統(tǒng)旋軸的扭矩和轉(zhuǎn)速測試的特點(diǎn)，提出了狹下空間下發(fā)動機(jī)輸出軸的猝發(fā)式紅外近距離測試系統(tǒng)發(fā)射部分電路的設(shè)計(jì)思路。關(guān)鍵詞：猝發(fā)式紅外測試 扭矩 轉(zhuǎn)速 發(fā)射電路
利用紅外通信進(jìn)行旋轉(zhuǎn)軸動態(tài)參數(shù)測試，主要是為了滿足坦克、裝甲車輛狹小空間中運(yùn)動部件動態(tài)參數(shù)測試的強(qiáng)烈需求。由于紅外通信在空間和成本的優(yōu)勢，從上述理論研究和實(shí)車試驗(yàn)中證明其較高的應(yīng)用價值。
猝發(fā)式紅外近距離測試系統(tǒng)是在紅外近距離測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對更加狹小的空間如發(fā)動機(jī)輸出軸，提出的一種點(diǎn)對點(diǎn)式的紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐ぞ販y試系統(tǒng)。
1 坦克發(fā)動機(jī)扭矩信號采樣頻率分析
坦克發(fā)動機(jī)屬多缸發(fā)動機(jī)，是采用各缸順序點(diǎn)火、輪流作功的方式工作。實(shí)測得到發(fā)動機(jī)輸出軸上產(chǎn)生的力矩（扭矩）是一個隨轉(zhuǎn)速變化的周期信號，該信號的幅值極不規(guī)范。工程中所述扭矩為平均扭矩，定義在一個循環(huán)內(nèi)（720°曲軸轉(zhuǎn)角）扭矩的平均值。高速、高功率密度柴油機(jī)有6缸、8缸和12缸之分，其最高轉(zhuǎn)速均不超過3000r/min，從這一目標(biāo)出發(fā)選用扭矩信號頻率最高的12缸發(fā)動機(jī)計(jì)算扭矩信號周期T。
當(dāng)nmax=3000r/min時，
T=（10/nmax）3.33（ms）
按采樣定理工程實(shí)用采樣頻率是信號固有頻率的5～10倍的原則，以及實(shí)際運(yùn)行效果的試驗(yàn)，取系統(tǒng)采樣周期為500μs即采樣頻率為2kHz。
圖2 發(fā)射部分結(jié)構(gòu)框圖
2 猝發(fā)式紅外近距離測試系統(tǒng)模型的建立
按圖1建立猝發(fā)式紅外通訊的實(shí)物模型，發(fā)射器安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，接收器安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，接收器可安裝在軸向和徑向兩個方向的適當(dāng)位置，其計(jì)算分析相似，由于徑向安裝比較方便，故安裝在徑向。
圖1中 β——接收器的接收半角；
R——旋轉(zhuǎn)軸的半徑；
α——發(fā)射器的發(fā)射半角；
L——接收器與發(fā)射器的最小距離；
θ——發(fā)射器和接收器分別與圓心連線的夾角；
A——紅外接收管；B、C——紅外發(fā)射管。
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弧長BC（設(shè)為S）與通訊時間成正比，故弧長S的大小決定了通訊時間的長短，稱弧長S為發(fā)射窗口。由模型知θ決定了發(fā)射窗口的大�。ó�(dāng)R一定時），只有當(dāng)α小于或等于發(fā)射器的最大發(fā)射半角時，發(fā)射器發(fā)出的紅外光才能被接收器直接接收。目前使用發(fā)射器的最小發(fā)射半角為15°。當(dāng)α=15°時，由三角形OAB可知：
(sinβ)/R=sin(π-15°)/(R+L) （1）
sinβ=R/(R+L)sin15° (2)
θ+β=15° （3）
故θ=15°-β
T=2Rθ/(Rω)=(2θ)/ω (4)
由于θ與有效通訊弧長AB成正比，而弧長AB又與通訊時間成正比，故增大θ可增長通訊時間。由上式可知，增大θ有兩種方法：減小R，或增大L。
設(shè)軸的角速度為ω（rad/s），一轉(zhuǎn)中采樣的數(shù)據(jù)個數(shù)N，每個數(shù)據(jù)占有M位，紅外通訊傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿閂（bit/s），發(fā)送N個數(shù)據(jù)需要時間為tall(s)，發(fā)射器通過發(fā)射窗口的時間（即有效通訊時間）為T（s），則一轉(zhuǎn)中發(fā)射數(shù)據(jù)所需總時間為：
tall=(MN)/V （5）
如設(shè)轉(zhuǎn)速為3000r/min，2θ=30°，由（4）式得：
T=1.67ms
設(shè)N=200，即采樣頻率
f=200sps/r×(3000r/min)/60=10ksps
若M=16,V=2Mb/s，
得：
tall=(200×16)/2M=1.6ms
由于tall<T，該模型可物理實(shí)現(xiàn)。
3 發(fā)射部分電路設(shè)計(jì)
上面通過對發(fā)動機(jī)輸出功率信號進(jìn)行分析，確定了采樣頻率，進(jìn)而估算出存儲器的最小存儲容量，并建立了數(shù)據(jù)傳輸模型。采用猝發(fā)方傳輸數(shù)據(jù)，需要存儲軸旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)所采集的所有數(shù)據(jù)，然后在發(fā)射窗口將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的瞬發(fā)。其特點(diǎn)是不需要安裝一個圓周的接收器，如果所測軸半徑較大或被測環(huán)境較緊湊，則近場遙測是不易實(shí)現(xiàn)的。而猝發(fā)遙測只需一個或幾個接收器就能達(dá)到目的。
發(fā)射部分的結(jié)構(gòu)框圖如圖2，這部分發(fā)現(xiàn)扭矩信號的采集、數(shù)字信號的編碼，并將采集數(shù)據(jù)放在FIFO存儲器中。當(dāng)紅外發(fā)射管接收到取數(shù)碼命令后，如果采集電路斷電，入于低功耗狀態(tài)，則通知電源管理器打開電源VCC，讓采集電路開始工作；如果采集電路已經(jīng)開始工作，則會的開取數(shù)時鐘，讓FIFO移出數(shù)據(jù)，送給紅外發(fā)光管發(fā)送給接收器。
3.1 數(shù)據(jù)的存儲
由于采用猝發(fā)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，需要設(shè)計(jì)一個存儲器將一轉(zhuǎn)中所采集的數(shù)據(jù)先存放起來，當(dāng)發(fā)射器經(jīng)過發(fā)射窗口時，將數(shù)據(jù)實(shí)時地傳輸給接收器。存儲器是發(fā)射部分的關(guān)鍵元件之一，它的選取直接關(guān)系到A/D變換器的選取以及控制電路的設(shè)計(jì)。對存儲器的要求是先采集的數(shù)據(jù)先發(fā)送，后采集的數(shù)據(jù)后發(fā)送，否則接收部分將無法正確恢復(fù)原始信號，達(dá)不到測試的目的。因此需選擇一個先進(jìn)先出FIFO的16位存儲器。又由于發(fā)射器是單通道，只能將數(shù)據(jù)以串行方式發(fā)送，所以要求存儲器的輸出是串行的，這樣能減少并轉(zhuǎn)串的中間環(huán)節(jié)。如果具有串進(jìn)串出的FIFO，那樣發(fā)射部分的體積會更小且控制邏輯更簡單，這是筆者希望的。但實(shí)際上只查到并進(jìn)串出FIFO和具有可編程的串并進(jìn)-串并出四種功能的FIFO，由于后一種芯片體積大、功耗也大，所以選擇了并進(jìn)串出的FIFO。
綜上所述，選用了IDT72105，容量為256×16位，高速、低功耗，具有獨(dú)立收、發(fā)時鐘控制的同步/異步FIFO存儲器。它不但提供了存儲空間作為數(shù)據(jù)的緩沖，而且還在EPP并行總線和A/D轉(zhuǎn)換器之間充當(dāng)一彈性的存儲器，因而無需考慮相互間的同步與協(xié)調(diào)。FIFO的優(yōu)點(diǎn)在于讀寫時序要求簡單，內(nèi)部帶有讀寫的環(huán)形指針，在對芯片操作時不需額外的地址信息。當(dāng)它接收到由紅外發(fā)射管發(fā)出的取數(shù)指令SOCP后，通過SO端將同步幀信號輸入到紅外發(fā)射管的TXD端，發(fā)射出去。
圖5 監(jiān)測碼編碼器和幀結(jié)構(gòu)
3.2 數(shù)據(jù)采集電路
由于選擇了并進(jìn)串出的FIFO，最好選擇并行輸出的A/D變換器，要求單電源供給，故選擇了AD公司的AD7472，分辨率為12位，低功耗，電源供電范圍為2.7～5.25V。AD7472轉(zhuǎn)換器可以工作于三種模式：（1）高速采樣模式（High Sampling）；（2）睡眠模式（Sleep Mode）；（3）猝發(fā)模式（Burst mode）。由于系統(tǒng)的采樣頻率不高（4kHz），所以利用AD7472的猝發(fā)模式，它與第二種模式相同，只是輸入時鐘（CLK IN）不連續(xù)，僅在轉(zhuǎn)換期間才提供時鐘信號，這樣能夠減少功耗。
在此模式下，當(dāng)CONVST上升沿到來時，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入蘇醒期需1μs的時間（tWAKEUP），在這個期間如果CONVST的下降沿已到來，A/D并不立即進(jìn)入轉(zhuǎn)換期，直到1μs之后；如果1μs之后下降沿才到來，則轉(zhuǎn)換器在下降沿到來的時刻開始轉(zhuǎn)換，整個轉(zhuǎn)換需14個時鐘周期。值得注意的是：當(dāng)BUSY信號為高后，時鐘信號應(yīng)在兩個時鐘周期內(nèi)出現(xiàn)，且在轉(zhuǎn)換期間不能改變數(shù)據(jù)總線的狀態(tài)。實(shí)際設(shè)計(jì)采樣頻率與讀數(shù)控制電路的時序如圖3。CONVST信號頻率即采樣頻率為4kHz，周期250μs，正向脈寬2μs，即A/D蘇醒之后，再過1μs才開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，RD信號正是利用這1μs對A/D進(jìn)行讀數(shù)操作。
3.3 同步幀電路設(shè)計(jì)
由于系統(tǒng)將一轉(zhuǎn)中采集的數(shù)據(jù)記錄在FIFO存儲器中，并且數(shù)據(jù)傳輸方式為無線串行通訊，所以需要將數(shù)據(jù)以幀的形式開，以便于接收部分的解碼。作者設(shè)計(jì)了16位的同步碼，最高位為低，用于分區(qū)幀與幀的數(shù)據(jù)；最低位也設(shè)為低，用于分開同步幀與數(shù)據(jù)，并為解碼提供移位脈沖產(chǎn)生時間。一幀數(shù)據(jù)除同步碼以外，由8個16位采樣數(shù)據(jù)組成，總共112個比特。產(chǎn)生步碼的電路如圖4。
圖6 取數(shù)據(jù)控制電路
3.4 監(jiān)測碼編碼器和幀結(jié)構(gòu)
FIFO存儲器字長為16位，A/D轉(zhuǎn)換器為12位，還剩余4比特。為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可信度和數(shù)據(jù)的糾錯能力，設(shè)計(jì)了4個監(jiān)測碼，分布在數(shù)據(jù)的兩側(cè)，如圖5。4個監(jiān)測碼鎖存在元件74L5243里，每一個寫信號到來時，都需寫入4位監(jiān)測碼。由于這4個監(jiān)測碼分布在12位數(shù)據(jù)的兩側(cè)，在接收端接收到數(shù)據(jù)后，首先檢測這4個監(jiān)測碼；如果監(jiān)測碼無誤，則接收到的數(shù)據(jù)可信；如果有誤，則有可能前移一位或后移一位。若通過這樣的修正后，這4位監(jiān)測碼與實(shí)際相符，則可修正數(shù)據(jù)。若不相符，則該數(shù)據(jù)不可言。
3.5 取數(shù)控制電路
由于采用猝發(fā)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，只有當(dāng)發(fā)射管進(jìn)入通訊窗口，發(fā)射管和接收管建立了數(shù)據(jù)鏈接，方可進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸。紅外發(fā)射管可以接收取數(shù)指令，并送給計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，如果計(jì)數(shù)器計(jì)滿了8個，表明取數(shù)指令已到，發(fā)射管正通過通訊窗口，則傳輸鏈接建立。4013被觸發(fā)，取數(shù)時鐘SOCP打開，將FIFO中所有的數(shù)據(jù)傳送給接收器。取數(shù)控制電路如圖6。
上述發(fā)射部分的電路設(shè)計(jì)，經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)證明，達(dá)到了對信號進(jìn)行猝發(fā)的設(shè)計(jì)目的。
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