摘? 要: 針對坦克裝甲車輛傳動系統旋轉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" title="近距離">近距離測試系統" title="測試系統">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

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??? 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^[1]。

??? 猝發式紅外近距離測試系統是在紅外近距離測試系統[2]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" title="采樣頻率">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。

　　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^[3]。

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:

　　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:

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，這部分實現扭矩信號的采集、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，處于低功耗狀態，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，則會打開取數時鐘，讓FIFO移出數據，送給紅外發光管發送給接收器。

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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" 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。

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。

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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，用于區分幀與幀的數據;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。產生同步碼的電路如圖4。

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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，則該數據不可信。

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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，表明取數指令己到，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。

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　　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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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.發動機試驗參數及測量精度的分析.華北工學院測試技術學報，2000；14：7~12