猝发式红外近距离测试系统发射部分电路设计
发布时间：2010-9-11 13:34
发布者：techshare
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利用红外通信进行旋转轴动态参数测试，主要是为了满足坦克、装甲车辆狭小空间中运动部件动态参数测试的强烈需求。由于红外通信在空间和成本的优势，从上述理论研究和实车试验中证明其较高的应用价值。 猝发式红外近距离测试系统是在红外近距离测试系统的基础上，针对更加狭小的空间如发动机输出轴，提出的一种点对点式的红外数据传输的扭矩测试系统。 1 坦克发动机扭矩信号采样频率分析 坦克发动机属多缸发动机，是采用各缸顺序点火、轮流作功的方式工作。实测得到发动机输出轴上产生的力矩（扭矩）是一个随转速变化的周期信号，该信号的幅值极不规范。工程中所述扭矩为平均扭矩，定义在一个循环内（720°曲轴转角）扭矩的平均值。高速、高功率密度柴油机有6缸、8缸和12缸之分，其最高转速均不超过3000r/min，从这一目标出发选用扭矩信号频率最高的12缸发动机计算扭矩信号周期T。 当nmax=3000r/min时， T=（10/nmax）3.33（ms） 按采样定理工程实用采样频率是信号固有频率的5～10倍的原则，以及实际运行效果的试验，取系统采样周期为500μs即采样频率为2kHz。 2 猝发式红外近距离测试系统模型的建立 按图1建立猝发式红外通讯的实物模型，发射器安装在旋转轴上，接收器安装在旋转轴上，接收器可安装在轴向和径向两个方向的适当位置，其计算分析相似，由于径向安装比较方便，故安装在径向。  图1中 β——接收器的接收半角； R——旋转轴的半径； α——发射器的发射半角； L——接收器与发射器的最小距离； θ——发射器和接收器分别与圆心连线的夹角； A——红外接收管；B、C——红外发射管。  弧长BC（设为S）与通讯时间成正比，故弧长S的大小决定了通讯时间的长短，称弧长S为发射窗口。由模型知θ决定了发射窗口的大小（当R一定时），只有当α小于或等于发射器的最大发射半角时，发射器发出的红外光才能被接收器直接接收。目前使用发射器的最小发射半角为15°。当α=15°时，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与有效通讯弧长AB成正比，而弧长AB又与通讯时间成正比，故增大θ可增长通讯时间。由上式可知，增大θ有两种方法：减小R，或增大L。 设轴的角速度为ω（rad/s），一转中采样的数据个数N，每个数据占有M位，红外通讯传输的波特率为V（bit/s），发送N个数据需要时间为tall(s)，发射器通过发射窗口的时间（即有效通讯时间）为T（s），则一转中发射数据所需总时间为： tall=(MN)/V （5） 如设转速为3000r/min，2θ=30°，由（4）式得： T=1.67ms 设N=200，即采样频率 f=200sps/r×(3000r/min)/60=10ksps 若M=16,V=2Mb/s， 得： tall=(200×16)/2M=1.6ms 由于tall＜T，该模型可物理实现。  3 发射部分电路设计 上面通过对发动机输出功率信号进行分析，确定了采样频率，进而估算出存储器的最小存储容量，并建立了数据传输模型。采用猝发方传输数据，需要存储轴旋转一转所采集的所有数据，然后在发射窗口将数据发送给接收器，实现数据的瞬发。其特点是不需要安装一个圆周的接收器，如果所测轴半径较大或被测环境较紧凑，则近场遥测是不易实现的。而猝发遥测只需一个或几个接收器就能达到目的。 发射部分的结构框图如图2，这部分发现扭矩信号的采集、数字信号的编码，并将采集数据放在FIFO存储器中。当红外发射管接收到取数码命令后，如果采集电路断电，入于低功耗状态，则通知电源管理器打开电源VCC，让采集电路开始工作；如果采集电路已经开始工作，则会的开取数时钟，让FIFO移出数据，送给红外发光管发送给接收器。 3.1 数据的存储 由于采用猝发方式进行数据的传输，需要设计一个存储器将一转中所采集的数据先存放起来，当发射器经过发射窗口时，将数据实时地传输给接收器。存储器是发射部分的关键元件之一，它的选取直接关系到A/D变换器的选取以及控制电路的设计。对存储器的要求是先采集的数据先发送，后采集的数据后发送，否则接收部分将无法正确恢复原始信号，达不到测试的目的。因此需选择一个先进先出FIFO的16位存储器。又由于发射器是单通道，只能将数据以串行方式发送，所以要求存储器的输出是串行的，这样能减少并转串的中间环节。如果具有串进串出的FIFO，那样发射部分的体积会更小且控制逻辑更简单，这是笔者希望的。但实际上只查到并进串出FIFO和具有可编程的串并进-串并出四种功能的FIFO，由于后一种芯片体积大、功耗也大，所以选择了并进串出的FIFO。 综上所述，选用了IDT72105，容量为256×16位，高速、低功耗，具有独立收、发时钟控制的同步/异步FIFO存储器。它不但提供了存储空间作为数据的缓冲，而且还在EPP并行总线和A/D转换器之间充当一弹性的存储器，因而无需考虑相互间的同步与协调。FIFO的优点在于读写时序要求简单，内部带有读写的环形指针，在对芯片操作时不需额外的地址信息。当它接收到由红外发射管发出的取数指令SOCP后，通过SO端将同步帧信号输入到红外发射管的 TXD端，发射出去。  3.2 数据采集电路 由于选择了并进串出的FIFO，最好选择并行输出的A/D变换器，要求单电源供给，故选择了AD公司的AD7472，分辨率为12位，低功耗，电源供电范围为2.7～5.25V。AD7472转换器可以工作于三种模式：（1）高速采样模式（High Sampling）；（2）睡眠模式（Sleep Mode）；（3）猝发模式（Burst mode）。由于系统的采样频率不高（4kHz），所以利用AD7472的猝发模式，它与第二种模式相同，只是输入时钟（CLK IN）不连续，仅在转换期间才提供时钟信号，这样能够减少功耗。 在此模式下，当CONVST上升沿到来时，转换器进入苏醒期需1μs的时间（tWAKEUP），在这个期间如果CONVST的下降沿已到来，A/D并不立即进入转换期，直到1μs之后；如果1μs之后下降沿才到来，则转换器在下降沿到来的时刻开始转换，整个转换需14个时钟周期。值得注意的是：当BUSY信号为高后，时钟信号应在两个时钟周期内出现，且在转换期间不能改变数据总线的状态。实际设计采样频率与读数控制电路的时序如图3。CONVST信号频率即采样频率为4kHz，周期250μs，正向脉宽2μs，即A/D苏醒之后，再过1μs才开始数据转换，RD信号正是利用这1μs对A/D进行读数操作。 3.3 同步帧电路设计 由于系统将一转中采集的数据记录在FIFO存储器中，并且数据传输方式为无线串行通讯，所以需要将数据以帧的形式开，以便于接收部分的解码。作者设计了16 位的同步码，最高位为低，用于分区帧与帧的数据；最低位也设为低，用于分开同步帧与数据，并为解码提供移位脉冲产生时间。一帧数据除同步码以外，由8个 16位采样数据组成，总共112个比特。产生步码的电路如图4。 3.4 监测码编码器和帧结构 FIFO 存储器字长为16位，A/D转换器为12位，还剩余4比特。为了增强数据的可信度和数据的纠错能力，设计了4个监测码，分布在数据的两侧，如图5。4个监测码锁存在元件74L5243里，每一个写信号到来时，都需写入4位监测码。由于这4个监测码分布在12位数据的两侧，在接收端接收到数据后，首先检测这 4个监测码；如果监测码无误，则接收到的数据可信；如果有误，则有可能前移一位或后移一位。若通过这样的修正后，这4位监测码与实际相符，则可修正数据。若不相符，则该数据不可言。 3.5 取数控制电路 由于采用猝发方式进行数据传输，只有当发射管进入通讯窗口，发射管和接收管建立了数据链接，方可进入数据传输。红外发射管可以接收取数指令，并送给计数器进行计数，如果计数器计满了8个，表明取数指令已到，发射管正通过通讯窗口，则传输链接建立。4013被触发，取数时钟SOCP打开，将FIFO中所有的数据传送给接收器。取数控制电路如图6。  上述发射部分的电路设计，经仿真实验证明，达到了对信号进行猝发的设计目的。 |
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