猝发式红外近距离测试系统发射部分电路设计

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。