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猝發式紅外近距離測試系統發射部分電路設計
摘要：針對坦克裝甲車輛傳動系統旋軸的扭矩和轉速測試的特點，提出了狹下空間下發動機輸出軸的猝發式紅外近距離測試系統發射部分電路的設計思路。關鍵詞：猝發式紅外測試 扭矩 轉速 發射電路
利用紅外通信進行旋轉軸動態參數測試，主要是為了滿足坦克、裝甲車輛狹小空間中運動部件動態參數測試的強烈需求。由于紅外通信在空間和成本的優勢，從上述理論研究和實車試驗中證明其較高的應用價值。
猝發式紅外近距離測試系統是在紅外近距離測試系統的基礎上，針對更加狹小的空間如發動機輸出軸，提出的一種點對點式的紅外數據傳輸的扭矩測試系統。
1 坦克發動機扭矩信號采樣頻率分析
坦克發動機屬多缸發動機，是采用各缸順序點火、輪流作功的方式工作。實測得到發動機輸出軸上產生的力矩（扭矩）是一個隨轉速變化的周期信號，該信號的幅值極不規范。工程中所述扭矩為平均扭矩，定義在一個循環內（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，從這一目標出發選用扭矩信號頻率最高的12缸發動機計算扭矩信號周期T。
當nmax=3000r/min時，
T=（10/nmax）3.33（ms）
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，取系統采樣周期為500μs即采樣頻率為2kHz。
圖2 發射部分結構框圖
2 猝發式紅外近距離測試系統模型的建立
按圖1建立猝發式紅外通訊的實物模型，發射器安裝在旋轉軸上，接收器安裝在旋轉軸上，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；
R——旋轉軸的半徑；
α——發射器的發射半角；
L——接收器與發射器的最小距離；
θ——發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為發射窗口。由模型知θ決定了發射窗口的大小（當R一定時），只有當α小于或等于發射器的最大發射半角時，發射器發出的紅外光才能被接收器直接接收。目前使用發射器的最小發射半角為15°。當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。
設軸的角速度為ω（rad/s），一轉中采樣的數據個數N，每個數據占有M位，紅外通訊傳輸的波特率為V（bit/s），發送N個數據需要時間為tall(s)，發射器通過發射窗口的時間（即有效通訊時間）為T（s），則一轉中發射數據所需總時間為：
tall=(MN)/V （5）
如設轉速為3000r/min，2θ=30°，由（4）式得：
T=1.67ms
設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，該模型可物理實現。
3 發射部分電路設計
上面通過對發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，并建立了數據傳輸模型。采用猝發方傳輸數據，需要存儲軸旋轉一轉所采集的所有數據，然后在發射窗口將數據發送給接收器，實現數據的瞬發。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境較緊湊，則近場遙測是不易實現的。而猝發遙測只需一個或幾個接收器就能達到目的。
發射部分的結構框圖如圖2，這部分發現扭矩信號的采集、數字信號的編碼，并將采集數據放在FIFO存儲器中。當紅外發射管接收到取數碼命令后，如果采集電路斷電，入于低功耗狀態，則通知電源管理器打開電源VCC，讓采集電路開始工作；如果采集電路已經開始工作，則會的開取數時鐘，讓FIFO移出數據，送給紅外發光管發送給接收器。
3.1 數據的存儲
由于采用猝發方式進行數據的傳輸，需要設計一個存儲器將一轉中所采集的數據先存放起來，當發射器經過發射窗口時，將數據實時地傳輸給接收器。存儲器是發射部分的關鍵元件之一，它的選取直接關系到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據先發送，后采集的數據后發送，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。又由于發射器是單通道，只能將數據以串行方式發送，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節。如果具有串進串出的FIFO，那樣發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據的緩沖，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調。FIFO的優點在于讀寫時序要求簡單，內部帶有讀寫的環形指針，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射管發出的取數指令SOCP后，通過SO端將同步幀信號輸入到紅外發射管的TXD端，發射出去。
圖5 監測碼編碼器和幀結構
3.2 數據采集電路
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）猝發模式（Burst mode）。由于系統的采樣頻率不高（4kHz），所以利用AD7472的猝發模式，它與第二種模式相同，只是輸入時鐘（CLK IN）不連續，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，且在轉換期間不能改變數據總線的狀態。實際設計采樣頻率與讀數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才開始數據轉換，RD信號正是利用這1μs對A/D進行讀數操作。
3.3 同步幀電路設計
由于系統將一轉中采集的數據記錄在FIFO存儲器中，并且數據傳輸方式為無線串行通訊，所以需要將數據以幀的形式開，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，用于分區幀與幀的數據；最低位也設為低，用于分開同步幀與數據，并為解碼提供移位脈沖產生時間。一幀數據除同步碼以外，由8個16位采樣數據組成，總共112個比特。產生步碼的電路如圖4。
圖6 取數據控制電路
3.4 監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。為了增強數據的可信度和數據的糾錯能力，設計了4個監測碼，分布在數據的兩側，如圖5。4個監測碼鎖存在元件74L5243里，每一個寫信號到來時，都需寫入4位監測碼。由于這4個監測碼分布在12位數據的兩側，在接收端接收到數據后，首先檢測這4個監測碼；如果監測碼無誤，則接收到的數據可信；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位監測碼與實際相符，則可修正數據。若不相符，則該數據不可言。
3.5 取數控制電路
由于采用猝發方式進行數據傳輸，只有當發射管進入通訊窗口，發射管和接收管建立了數據鏈接，方可進入數據傳輸。紅外發射管可以接收取數指令，并送給計數器進行計數，如果計數器計滿了8個，表明取數指令已到，發射管正通過通訊窗口，則傳輸鏈接建立。4013被觸發，取數時鐘SOCP打開，將FIFO中所有的數據傳送給接收器。取數控制電路如圖6。
上述發射部分的電路設計，經仿真實驗證明，達到了對信號進行猝發的設計目的。
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