猝發(fā)式紅外近距離測(cè)試系統(tǒng)發(fā)射部分電路設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)坦克裝甲車輛傳動(dòng)系統(tǒng)旋軸的扭矩和轉(zhuǎn)速測(cè)試的特點(diǎn)，提出了狹下空間下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的猝發(fā)式紅外近距離測(cè)試系統(tǒng)發(fā)射部分電路的設(shè)計(jì)思路。

利用紅外通信進(jìn)行旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試，主要是為了滿足坦克、裝甲車輛狹小空間中運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試的強(qiáng)烈需求。由于紅外通信在空間和成本的優(yōu)勢(shì)，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(jià)值。

猝發(fā)式紅外近距離測(cè)試系統(tǒng)是在紅外近距離測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對(duì)更加狹小的空間如發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸，提出的一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐ぞ販y(cè)試系統(tǒng)。

1 坦克發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩信號(hào)采樣頻率分析

坦克發(fā)動(dòng)機(jī)屬多缸發(fā)動(dòng)機(jī)，是采用各缸順序點(diǎn)火、輪流作功的方式工作。實(shí)測(cè)得到發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸上產(chǎn)生的力矩（扭矩）是一個(gè)隨轉(zhuǎn)速變化的周期信號(hào)，該信號(hào)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(gè)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(hào)頻率最高的12缸發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算扭矩信號(hào)周期T。

當(dāng)nmax=3000r/min時(shí)，

T=（10/nmax）3.33（ms）

按采樣定理工程實(shí)用采樣頻率是信號(hào)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(cè)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(gè)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。

    弧長BC（設(shè)為S）與通訊時(shí)間成正比，故弧長S的大小決定了通訊時(shí)間的長短，稱弧長S為發(fā)射窗口。由模型知θ決定了發(fā)射窗口的大小（當(dāng)R一定時(shí)），只有當(dāng)α小于或等于發(fā)射器的最大發(fā)射半角時(shí)，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(shí)，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(shí)間成正比，故增大θ可增長通訊時(shí)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(gè)數(shù)N，每個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)需要時(shí)間為tall(s)，發(fā)射器通過發(fā)射窗口的時(shí)間（即有效通訊時(shí)間）為T（s），則一轉(zhuǎn)中發(fā)射數(shù)據(jù)所需總時(shí)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
3 發(fā)射部分電路設(shè)計(jì)

上面通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率信號(hào)進(jìn)行分析，確定了采樣頻率，進(jìn)而估算出存儲(chǔ)器的最小存儲(chǔ)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(chǔ)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(gè)圓周的接收器，如果所測(cè)軸半徑較大或被測(cè)環(huán)境較緊湊，則近場(chǎng)遙測(cè)是不易實(shí)現(xiàn)的。而猝發(fā)遙測(cè)只需一個(gè)或幾個(gè)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(hào)的采集、數(shù)字信號(hào)的編碼，并將采集數(shù)據(jù)放在FIFO存儲(chǔ)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(huì)的開取數(shù)時(shí)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(chǔ)

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(gè)存儲(chǔ)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(shí)，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳輸給接收器。存儲(chǔ)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(duì)存儲(chǔ)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(hào)，達(dá)不到測(cè)試的目的。因此需選擇一個(gè)先進(jìn)先出FIFO的16位存儲(chǔ)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(chǔ)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(huì)更小且控制邏輯更簡(jiǎn)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(shí)鐘控制的同步/異步FIFO存儲(chǔ)器。它不但提供了存儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)序要求簡(jiǎn)單，內(nèi)部帶有讀寫的環(huán)形指針，在對(duì)芯片操作時(shí)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(hào)輸入到紅外發(fā)射管的TXD端，發(fā)射出去。

圖5 監(jiān)測(cè)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(shí)鐘（CLK IN）不連續(xù)，僅在轉(zhuǎn)換期間才提供時(shí)鐘信號(hào)，這樣能夠減少功耗。

在此模式下，當(dāng)CONVST上升沿到來時(shí)，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入蘇醒期需1μs的時(shí)間（tWAKEUP），在這個(gè)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(shí)刻開始轉(zhuǎn)換，整個(gè)轉(zhuǎn)換需14個(gè)時(shí)鐘周期。值得注意的是：當(dāng)BUSY信號(hào)為高后，時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)在兩個(gè)時(shí)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(shí)序如圖3。CONVST信號(hào)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(hào)正是利用這1μs對(duì)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(chǔ)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(shí)間。一幀數(shù)據(jù)除同步碼以外，由8個(gè)16位采樣數(shù)據(jù)組成，總共112個(gè)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(cè)碼編碼器和幀結(jié)構(gòu)

FIFO存儲(chǔ)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(cuò)能力，設(shè)計(jì)了4個(gè)監(jiān)測(cè)碼，分布在數(shù)據(jù)的兩側(cè)，如圖5。4個(gè)監(jiān)測(cè)碼鎖存在元件74L5243里，每一個(gè)寫信號(hào)到來時(shí)，都需寫入4位監(jiān)測(cè)碼。由于這4個(gè)監(jiān)測(cè)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(cè)這4個(gè)監(jiān)測(cè)碼；如果監(jiān)測(cè)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(cè)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(gè)，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(shí)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(duì)信號(hào)進(jìn)行猝發(fā)的設(shè)計(jì)目的。