摘? 要: 針對坦克裝甲車輛傳動系統(tǒng)旋轉軸的扭矩和轉速測試的特點,，提出了狹下空間下發(fā)動機輸出軸的猝發(fā)式紅外近距離" title="近距離">近距離測試系統(tǒng)" title="測試系統(tǒng)">測試系統(tǒng)發(fā)射部分電路的設計思路,。
??? 關鍵詞: 猝發(fā)式紅外測試? 扭矩? 轉速? 發(fā)射電路
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??? 利用紅外通信進行旋轉軸動態(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動部件動態(tài)參數(shù)測試的強烈需求,。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車試驗中證明其較高的應用價值[1]。
??? 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)[2]的基礎上,，針對更加狹小的空間如發(fā)動機輸出軸,，提出的一種點對點式的紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐ぞ販y試系統(tǒng)。
1 坦克發(fā)動機扭矩信號采樣頻率" title="采樣頻率">采樣頻率分析
??? 坦克發(fā)動機屬多缸發(fā)動機,，是采用各缸順序點火,、輪流作功的方式工作。實測得到發(fā)動機輸出軸上產(chǎn)生的力矩(扭矩)是一個隨轉速變化的周期信號,，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(720 °曲軸轉角)扭矩的平均值,。高速,、高功率密度柴油機有6缸、8缸和12缸之分,，其最高轉速均不超過3000r/min,，從這一目標出發(fā)選用扭矩信號頻率最高的12缸發(fā)動機計算扭矩信號周期T。
按采樣定理工程實用采樣頻率是信號固有頻率的5～10倍的原則,，以及實際運行效果的試驗,，取系統(tǒng)采樣周期為500μs即采樣頻率為2kHz[3]。
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)式紅外通訊的實物模型,，發(fā)射器安裝在旋轉軸上,，接收器可安裝在軸向和徑向兩個方向的適當位置，其計算分析相似,，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" title="半角">半角;
?????????????R—旋轉軸的半徑;
?????????????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)射窗口的大小(當R一定時)，只有當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α=15°時，由三角形OAB可知:
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。
設軸的角速度為ω(rad/s),，一轉中采樣的數(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)，則一轉中發(fā)射數(shù)據(jù)所需總時間為:
3 發(fā)射部分電路設計
上面通過對發(fā)動機輸出功率信號進行分析,，確定了采樣頻率,，進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),，需要存儲軸旋轉一轉所采集的所有數(shù)據(jù)，然后在發(fā)射窗口將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收器,，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的瞬發(fā),。其特點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現(xiàn)的,。而猝發(fā)遙測只需一個或幾個接收器就能達到目的。
發(fā)射部分的結構框圖如圖2,，這部分實現(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,。當紅外發(fā)射管接收到取數(shù)碼命令后,，如果采集電路斷電，處于低功耗狀態(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，則會打開取數(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。
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3.1 數(shù)據(jù)的存儲
由于采用猝發(fā)方式進行數(shù)據(jù)的傳輸,，需要設計一個存儲器將一轉中所采集的數(shù)據(jù)先存放起來,，當發(fā)射器經(jīng)過發(fā)射窗口時,，將數(shù)據(jù)實時地傳輸給接收器。存儲器是發(fā)射部分的關鍵元件之一,，它的選取直接關系到A/D" title="A/D">A/D變換器的選取以及控制電路的設計,。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原始信號,，達不到測試的目的。因此需選擇一個先進先出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,，這樣能減少并轉串的中間環(huán)節(jié)。如果具有串進串出的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。但實際上只查到并進串出FIFO和具有可編程的串并進-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轉換器之間充當一彈性的存儲器,，因而無需考慮相互間的同步與協(xié)調,。FIFO的優(yōu)點在于讀寫時序要求簡單，內部帶有讀寫的環(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,。
3.2 數(shù)據(jù)采集電路
由于選擇了并進串出的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),，僅在轉換期間才提供時鐘信號，這樣能夠減少功耗,。
在此模式下,，當CONVST上升沿到來時，轉換器進入蘇醒期需1μs的時間(tWAKEUP),，在這個期間如果CONVST的下降沿已到來,，A/D并不立即進入轉換期，直到1μs之后;如果1μs之后下降沿才到來,，則轉換器在下降沿到來的時刻開始轉換,，整個轉換需14個時鐘周期。值得注意的是:當BUSY信號為高后,，時鐘信號應在兩個時鐘周期內出現(xiàn),，且在轉換期間不能改變數(shù)據(jù)總線的狀態(tài)。實際設計采樣頻率與讀數(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)轉換，RD信號正是利用這1μs對A/D進行讀數(shù)操作,。
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3.3 同步幀電路設計
由于系統(tǒng)將一轉中采集的數(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)以幀的形式分開,，以便于接收部分的解碼,。作者設計了16位的同步碼，最高位為低,，用于區(qū)分幀與幀的數(shù)據(jù);最低位也設為低,，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)生同步碼的電路如圖4,。
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3.4 監(jiān)測碼編碼器和幀結構
FIFO存儲器字長為16位,，A/D轉換器為12位，還剩余4比特,。為了增強數(shù)據(jù)的可信度和數(shù)據(jù)的糾錯能力,，設計了4個監(jiān)測碼，分布在數(shù)據(jù)的兩側,，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，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)測碼與實際相符，則可修正數(shù)據(jù),。若不相符,，則該數(shù)據(jù)不可信。
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3.5 取數(shù)控制電路
由于采用猝發(fā)方式進行數(shù)據(jù)傳輸,，只有當發(fā)射管進入通訊窗口,，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,，并送給計數(shù)器進行計數(shù)，如果計數(shù)器計滿了8個,，表明取數(shù)指令己到,，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,。
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上述發(fā)射部分的電路設計,，經(jīng)仿真實驗證明，達到了對信號進行猝發(fā)的設計目的,。
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參考文獻
1 姜秋菊,，張保軍.軍用車輛實驗測試技術綜述.華北工學院測試技術學報，2000,；6
2 孫運強.紅外通信在旋轉軸扭矩測試中的應用.兵工學報,，2001；22:118~120
3 廖 戎.發(fā)動機試驗參數(shù)及測量精度的分析.華北工學院測試技術學報,，2000,；14：7~12