猝发式红外近距离测试系统发射部分电路设计

摘要：针对坦克装甲车辆传动系统旋轴的扭矩和转速测试的特点，提出了狭下空间下发动机输出轴的猝发式红外近距离测试系统发射部分电路的设计思路。

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。

图2 发射部分结构框图

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
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。

图5 监测码编码器和帧结构

    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。

图6 取数据控制电路

    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。