（轮机工程专业论文）发动机测试参数的无线电发送和接收系统.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 发动机的常规性能测试多半是在台架( 发动机试验室) 上进行，性能试验数据的获 取主要是通过模拟仪表、人工读数。如果要对已经安装在车上的发动机进行参数测试， 就必须将发动机拆离安装到试验台架上，再对发动机的性能参数进行测试。这样势必会 增加人力、物力，如果能设计一套对发动机现场测试的设备，就会免去对发动机从车上 重复拆装的麻烦，在减少人力、财力的同时也将大大节约时间。 同时由于在发动机试验中，测试参数众多，因此过多、过长的引线将带来测试成本 和抗干扰难度的增加，特别是对于野外作业，有线带来的难度会更大。但是，随着目前 无线通讯技术的迅速发展，使得测试参数的无线传输变得简单易行。 针对于以上所述情况，作者设计了一套基于h a c u m 无线数传模块和m m 0 0 2 4 参 数采集模块的发动机测试参数的无线电发射和接收系统。本系统主要包括：光电转速探 测器- - m m 0 0 2 4 ，h a c - u m 无线数传模块、以a t m e g a 8 为核心的微控制系统、z l g 7 2 8 9 显示模块和外电源模块等。该系统采用光电转速探测器姗0 0 2 4 对发动机转速信号进行 采集，将采集到的信号迸一步整形成标准矩形波送到a t m e g a 8 芯片，通过外中断和定时 中断对参数进行计算求知准确数据后由h a c u m 系列微功率无线数传模块的发射头将数 据发射，该数据再由h a c u m 系列微功率无线数传模块的接收头接收，并转换成p 删脉 冲信号输入到计算机显示出该脉冲信号。参数显示均采用z l g 7 2 8 9 芯片构成的显示模块。 从而实现数据的远距离无线传送、接收，也便于对发动机各参数的远距离检测与读取。 本论文是以发动机转速信号为例介绍了发动机相关参数的无线电发射和接收方法， 经试验验证，用本方法测量并传输发动机参数操作简单方便，数据准确及时，电路实现 简单，思路清晰，同时大大减少了传统方法的大量布线。这为发动机参数的测试提供了 一套简单有效的方案。 关键词：抗干扰；无线发射和接收系统；微控制系统 发动机测试参数的无线电发射和接收系统 w i r e l e s ss y s t e m so ft r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gt ot e s te n g i n e p a r a m e t e r s a b s t r a c t m o s to fe n g i n eg e n e r a lc a p a b i l i t yt e s t i n gi sm a d ei nt e s t - b e d ( e n g i n et e s t i n gr o o m ) g e t t i n gc a p a b i l i t yt e s t i n gd a t ai sm a i n l yt h r o u g hs i m u l a t i o nm e t e r sa n dm a n u a lr e a d i n g i f t e s t i n gt h ed a t ao fe n g i n e sf i t t e di nv e h i c l e s w o r l ( e r sh a v et od i s c o n n e c tt h ee n g i n ef i o m v e h i c l ea n di n s t a l li to rt h et e s t - b e df i r s t ，t h e nt e s tt h ec a p a b i l i t yp a r a m e t e r so ft h ee n g i n e l i k et h a t ，i tm u s ti n c r e a s em a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e s i f d e s i g n i n ga ne q u i p m e mt ot e s t t h ee n g i n eo nl i n e ，i tw i l le s c a p et h eb o t h e ro fi n s t a l l i n ga n du n l o a d i n gt h ee n g i n ea g a i na n d a g a i n ，a tt h es a u et i m e , i tw i l ls a v em u c ht i m ea n dr e d u c em a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e s i nt h ep r o c e s so ft e s t i n ge n g i n e ，t h e r ea r et o om a n yp a r a m e t e r s ，b e c a u s eo ft o om a n y d o w n l e a d sw h i c hw i l lm i l gi n c r e a s ei nt e s t i n gc o s ta n dd i f f i c u l t yi na n t i - j a m m i n g e s p e c i a l l yf i e l d w o r k t h ed o w n 1 e a d sw i l lb r i n gm o r ed i f f i c u r i e s h o w e v e r , t h ef a s td e v e l o p m e n to f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ym a k e st h et e s t i n gp a r a m e t e r st r a n s m i t t i n gt ob ee a s y a i m i n ga tn a r r a t i o na b o v e ，a u t h o rd e s i g n e daw i r e l e s ss e n d i n ga n dr e c e i v i n gs y s t e m b a s e do nt h eh a v u mm o d u l ea n dm m 0 0 2 4d a t ac o l l e c t i n gm o d u l e n l es y s t e mm a i n l y i n c l u d e sp h o t o e l e c t r i c i t yr o t a t es p e e dd e t e c t o r - m m 0 0 2 4 ，t r a n s m i t t i n gm o d u l ew i r e l e s s l y h a c u m ，m c ub a s e do ns i n g l ec o m p u t e ra t m e g a 8 ，d i s p l a ym o d u l eb a s e do nz l g 7 2 8 9 a n d p o w e rm o d u l ee t c t h es y s t e md e t e c t st h er o t a t es p e e ds i g n a l sb ym m 0 0 2 4 ，a n ds e n d st h e s i g n a l sw h i c ha r ec h a n g e di n t oi m p u l s eo n e st oc m o sc h i pa t m e g a 8 a n dc o u n t st h es i g n a l s b yi n t e r r u p ta n dt i m i n gt og e te x a c td a t a t h ed a t aa r es e n tb yt r a n s m i t t e ro fh a c u m w i r e l e s sm o d u l ea n dr e c e i v e db yr e c e i v e r 伯ed a t aa r ea l s oc h a n g e di n t op w m i m p u l s e s i g n a l sa n dd i s p l a y e db yc o m p u t e r t h es y s t e ma d o p t sd i s p l a ym o d u l ew h i c hi sm a d eo f z l g 7 2 8 9c m o sc h i p a c c o r d i n g l y ，t h es y s t e mc a l lf i n i s ht r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gd a t a w i r e l e s s l y i ta l s oc a nb eu s e dt od e t e c ta n dd i s p l a yd a t aa tl o n gb o w l s t a k i n gt h ee n g i n er o t a t es p e e ds i g n a lf o re x a m p l e , t h ea r t i c l ei n t r o d u c e sam e t h o dt o t r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n ge n 百n ep a r a m e t e r s a f t e rv a l i d a t i n gt h r o u g he x p e r i m e n t s ，i ti se a s y a n dc o n v e n i e n tt ot e s ta n dt r a n s f e re n g i n ep a r a m e t e r sb yt h em e t h o d 1 1 1 cd a t aa r ee x a c ta n d t i m e l y ，t h ec i r c u i tc e m e st r u ee a s i l y ，t h et h o u g h ti sc l e a r t b es y s t e ma l s os a v e sag r e a to f d o w n - l e a d s s oi tp r o v i d e sa ne a s ya l le f f e c t i v eb l u ep r i n tf o rt h ee n g i n ep a r a m e t e r st e s t i n g k e yw o r d s ： a n t i - j a m m i n g ；w i r e l e s ss e n d i n ga n dr e c e i v i n gs y s t e m ；m c u 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：至兰! 1日期：! 乙! ! ：丝 人连理上人学硕士列f 究生学位沦文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 王列 礁逸：k 趔z 年生月二生日 大连理工大学硕士学位论文 引言 很久以来，人们一直寻求以各种方式来实现信号的传输。早在公元前7 0 0 余年，我 国的祖先就以烽火台的烟火传送敌人入侵的警报。以后又出现信鸽、旗语、驿站等传送 消息的方法。1 9 世纪初期，人们开始研究如何利用能够沿导线传输的电信号来传递信息， 即所谓的“有线电通讯”。1 9 世纪末，人们又致力于研究利用能够以电磁波形式在空间 传输的无线电信号来传递信息，即所谓的“无线电通讯”，简称无线电。到了2 0 世纪 3 0 年代，已经完成了利用电磁波来传递电码、声音和图像任务。直到今天，无线电通讯 仍在迅猛提高与发展中“1 。 无线传输方法包括无线电传输、光传输以及声波传输。不过，由于发动机测试 实验间的环境及其恶劣，环境噪声以及光线等的影响使得声波传输和光传输技术的应用 受到了限制，所以本文采用了无线电传输作为数据传输方式。无线电传输技术是通过无 线电波传播信号的技术，其原理是：导体中电流强弱的改变会产生无线电波，利用这一 现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上，当电波通过空间传播到达收信端，电波 引起的电磁场变化又会在导体中产生电流，通过解调将信息从电流变化中提取出来，便 达到了信息传递的目的。无线电传输按基带信号的形式可以分为两类：模拟信号传输和 数字信号传输“1 。模拟信号传输直接用调理后的传感器输出信号调制载波信号。其优点 是通过信道的信号频谱比较窄、信道利用率高，缺点是混入噪声干扰后不易清除，抗干 扰能力差。数字信号传输是将调理后的传感器输出信号转换为数字信号后再调制发射， 即使收到的信号出现一定的失真，仍可以通过纠错算法恢复出正确的原始信号，因此数 字信号传输的抗干扰能力强”1 。 无线电数据传输具有方向性要求低、穿透能力强、便于安装等优点，在许多数据遥 测场合得到广泛应用糊。如在风力发电机研究中m “，无线电遥测技术把数据从转子输送 到地面站。在航空方面，直升机旋翼测量中也采用了无线电遥测技术嘲。在探矿钻井中， 采用无线电脉冲进行数据传输“。可见，无线电技术已经比较成熟而且运用也相当广泛。 以往通过模拟仪表和人工读数获取的发动机性能试验的数据，由于模拟指示误差和 读数误差的存在，而且采集点多而分散，数据读取不便，特别是在数据处理和绘制特性 曲线过程中因外界和人为主观因素的影响，更不可避免出现一些错误，这样往往导致错 误的结论“。鉴于无线电数据传输自身的优点，若将其运用到发动机测试参数的传输中 来代替以往试验中所用的过多引线，势必会减少试验成本、减小试验设备体积、提高试 验数据准确率、改善试验环境等等“”。 本论文将在此方面做一尝试，完成发动机测试参数的无线电传输系统的软硬件设 发动机测试参数的无线电发射和接收系统 计，主要包括参数的采集、显示、按键操作、u s a r t 串口通讯、p c 机通讯接口以及传输 模块的工作电源等。研究设计工作共分五个阶段进行：第一阶段主要是对系统进行整体 构思，确定各部分构成及其功能；第二阶段进行系统硬件的设计，包括发动机参数信号 采集器、无线电数传模块、相关的电子元器件和系统的控制电路：第三阶段进行系统软 件的编制：第四阶段进行软硬件的调试，在硬件平台上运行系统软件，对系统软件进行 完善改进；第五阶段进行系统的现场运行测试，检验系统的功能以及可靠性。 本设计的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 系统的整体构成设计。按照系统的所需功能，初步确定系统硬件的构成及其 各部分功能，协调系统资源，特别是对于a t m e g a 8 芯片接口的分配，为后续工作设立基 本的框架，以免出现接口的运用冲突。 ( 2 ) 系统硬件设计。主要包括外信号的整形电路、电源转换电路、工作电压判断电 路、显示电路、蓄电池充电电路、数传模块的连接电路和p c 通讯接口等。 ( 3 ) 系统软件编制。完成系统控制软件的编写，主要包括发射系统和接收系统各自 单片机的系统初始化及各部门的功能软件，如参数的读取、参数的计算、参数的发送和 接收、参数的显示、工作电源的检测及报警以及和p c 机之间的数据传输等。 ( 4 ) 系统的软硬件的调试和改进。在硬件平台上运行系统软件，检查软硬件的配合， 改进不合理的地方。 ( 5 ) 系统现场运行测试。将系统运用于现场，检验系统的性能。主要包括两方面的 性能：第一，系统的工作稳定性，即在在现场各种干扰存在的条件下，检验系统是否能 够正常工作，对相应变换是否能够正确处理；第二，判断系统的传输距离，看在现场各 种障碍物存在的情况下，远距离传输是否能够完成。 大连理工大学硕士学位论文 1 发动机无线测试技术概况 1 1 发动机测试技术的定义 所谓的发动机测试技术就是借助于现代科技方法( 特别是电子技术方法) 对发动机 本身或者发动机生产过程中的若干静态的及动态的物理量( 如速度、压力、温度等) 进 行测量，记录数据和分析处理的一整套综合技术“”。 1 2 发动机无线测试技术的发展状况 2 0 世纪7 0 年代以激光技术为代表的光学应用内燃机试验、测试技术产生了质的飞 跃。尤其随着人们对环境保护的日益重视，对能耗低、排放少发动机要求的日益迫切， 近十几年来，激光技术在发动机测量研究和应用方面已取得较大进展。可以对诸如燃油 喷雾特性、气缸速度场、温度分布场、着火机理、火焰传播等的微观过程作精确的测量， 为改进发动机的性能提供了可靠的依据。国内外也在此方面取得了显著的成就：英国卡 多研究所、法国石油学院、美国、日本及我国天津大学采用激光多普勒测速仪对气缸内 气流速度测量：激光密散射法、激光全息照相法、激光拉曼散射法等对发动机喷雾特性 的研究；全息照相技术干涉法和激光多普勒效应测量法对发动机震动特性的测试等【2 3 l 。 2 0 世纪8 0 年代计算机技术的迅速发展使得发动机的动态测试和控制成为现实。 1 9 9 8 年出现的蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性的全球规范，它以低成本的 短距离无线传播为基础，为固定与移动设备通信环境建立了一个无线电空中接口及其控 制软件的公开标准。将蓝牙技术应用于测试和监控系统，使其作为短程无线通信能力的 解决方案，替代了复杂的走线，具有多方面的优越性，可实现计算机与单片机测试系统 的快速连接和移动测试，并在舰船中柴油机的测试中得到了很好的利用。 作为无线传输技术之一的无线电传输技术出现较早，2 0 世纪初，已用来测量飞机试 飞、地震、炼钢温度和水塔储量等方面的参数。无线电遥测技术已广泛运用于各种远近 距离的各个方面：航空、航天、气象、军事、生产自动化、交通自动调度、科学试验等， 技术也相当成熟。但在远距离无线电传输技术在发动机测试方面在国内外均少有涉及， 因此，随着电子计算机和无线通讯技术的发展，发动机测试技术已趋向于计算机控制和 数据处理的智能化控制，不仅仅局限于自动的，而且是试验系统的网络化。 发动机测试参数的无线电发射和接收系统 2 无线收发系统的构成简介 2 1 系统总体结构 发动机测试参数的无线收发系统包括测量发射系统和接收显示系统两个部分。 发动机测试参数的无线收发系统的实物图如图2 1 所示。 图2 i 系统实物图 f i g 2 1p r a c t i c a l i t yo f s y s t e m 在上图2 1 中，上面的模块是测试发射系统，其主要负责将由光电探测器m m 0 0 2 4 ( 详见第3 章) 采集到的发动机转速信号交由以a t m e g a 8 ( 详见第7 章) 为核心的微控 制系统进行测试计算，然后再由h a c u m ( 详见第4 章) 系列的微功率数传模块的发射头 将该信号进行发射并由z l g 7 2 8 9 芯片( 详见第6 章) 控制的l e d 进行显示。下面模块是 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 接收显示系统，其主要负责将由h a c - u m 接收头接收到的信号交由a t m e g a 8 进行测试处 理，再经过p w m 脉宽调制以后送到p c 机进行波形信号的检测和控制。 2 2 发动机测试参数的无线发送和接收系统的总体方案设计 2 2 1 系统的总体设计思想 伴随着电子技术和无线通讯技术的高速发展和广泛普及，由于其自身的特点和优势 使其在各个测试领域受到越来越多的青睐，当然无线电测试技术的成熟与广泛应用也引 起了发动机测试技术在测试手段和测试观念的深刻变化。 为了解决传统发动机测试中冗繁复杂引线带来的不便，本设计将无线电传送技术引 用到发动机测试中来，这样以来，不仅节省了大量引线，还为野外测试作业提供了大大 的便利。该系统选用m m 0 0 2 4 信号采集器对发动机转速信号通过感光片进行采集，然后 将其输出的脉冲信号进一步整形成标准脉冲信号送到a t m e g a 8 单片机，再由微功率 h a c u m 无线数传模块完成数据的无线传输。参数显示采用l e d 动态显示，并将接收系统 接收到的信号经由p w m 调制以后送到p c 机，以实现对发动机信号的远距离观测和控制。 为了保证该系统的长时间正常运行，将采用蓄电池对发射和接收系统分别供电，并同时 设置有对蓄电池的充电装置和工作电压的报警指示。 本设计充分利用微功率h a c u m 无线数传模块和a t m e g a 8 的强大功能，用单片机系 统代替传统的机械系统，达到操作更加简单，信号及时准确，传输速度快，同时降低测 试成本的目的。 2 2 2 系统的组成和功能简介 发动机测试参数的无线发射和接收系统包括测试发射系统和接收显示系统两个部 分。 测试发射系统主要包括：光电转速探钡0 器m m 0 0 2 4 、h a c u ! v l 系列微功率发射模 块、a t m e g a 8 微电脑控制模块、z l g 7 2 8 9 芯片为核心的l e d 动态显示模块、工作电压 检测模块、系统的电源模块和外电路供电模块。其组成示意图如图2 2 所示。 接收显示系统主要包括：i - i a c 刊系列微功率接收模块、a t m e g a 8 微电脑控制模 块、z l g 7 2 8 9 芯片为核心的l e d 动态显示模块、工作电压检测模块、p w m 脉宽调制部 分、系统的电源模块和外电路供电模块。其组成示意图如图2 3 所示。 考虑到该系统的使用状况，外围电路将尽可能简化并采用较小的元器件，对各功能 电路的工作可靠性和抗干扰性也提出了更高的要求。 发动机钡4 试参数的无线电发射和接收系统 测试发射系统的组成示意图如图2 2 所示。 a t m e g a 8 卜毗。：产 a d c o 一la d 转换，检测i r n t 0 i 蓄电池工作电压i r e s e r i 型 匪 s sv c c m o s ia v c c m i s oa r e f s c k g n d 一国阿乍 x t a l l x t a l 2 t k d - - 1 姒裟嚣率 臣画至卜 p d 6 r x d l 皇至堡壁卜 p d 7 图2 2 测试及发射系统 f i g 2 2s y s t e mo f m e a s u r e m e n ta n ds e n d i n g 接收显示系统的组成示意图如图2 3 所示。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 a t m e g d a d c o 一ia d 转换，检测l lp c 卜 o c a l i 蓄电池工作电压l r e s e ，r i 到 匪 s sv c c m o s ia v c c m i s o a r e f s c k g n d 国p 七 x t a l l x t a l 2 加 i 筌堡塑竺卜一 p d 6 lh a c - u m 微功率l r f 接收模块 l r x d i 皇垦堡堡卜 p d 7 图2 , 3 接收及显示系统 f i 9 2 3s y s t e mo f r e c e i v i n ga n dd i s p l a y 2 3 各个模块的功能简介 ( 1 ) 信号采集模块 发射系统中采用的信号采集模块是光电转速探测器m m 0 0 2 4 ，该探测器通过感应贴 在发动机齿轮上的感光片，产生相应于发动机转速的脉冲信号。为了参数测试的准确起 见，将信号从输出端经由整形电路将信号变成标准的脉冲，然后送到a t m e g a 8 的外中 断i n t 0 端口。有关光电转速探测器m m 0 0 2 4 的具体应用及相关原理图详见第3 章。 ( 2 ) h a c u m 系列微功率无线数传模块 该模块实现了发动机测试参数的无线传输。该模块采用微功率发射，具有以下优 点：最大发射功率1 0 m w ；i s m 频段，无需申请频点；高抗干扰能力和低误码率；传输 距离远；透明的数据传输；多信道；双串口，3 种接口方式；大的数据缓冲区；智能数 据控制，无须编制多余的控制程序；低功耗及休眠功能；高可靠性，体积小，质量轻； 多种天线配置方案，满足不同结构需求。有关h a c - u m 无线数传模块的工作原理及其 连接方式详见第4 章。 发动机测试参数的无线电发射和接收系统 ( 3 ) 以a t m e g a 8 为核心的微控制系统 本设计的发射和接收系统均采用了以a t m e g a 8 为核心的控制系统。a t m e g a g d a 单 片机是新一代a t m e g a 系列单片机中的一种，具有丰富的接口，功能齐全，性价比高， 主要具有以下特点【1s 】： a v r 高功能、低功耗的r i s c 结构。 8 k 字节的f l a s h 程序存储器，擦写次数) 1 0 0 0 0 次，支持在线编程( i s p ) 、在 应用自编程。 2 个可预分频的8 位定时计数器，1 个1 6 位可预分频的定时计数器。 3 个p w m 通道，可实现任意 1 6 位、相位和频率可调的p w m 脉宽调制输出。 6 路1 0 位a d 转换和2 路8 位a d 转换。 1 8 个外部和内部中断源，5 种休眠模式。 丰富的i o 口。 其中，测试和发射系统中微控制系统的主要功能包括： 利用外中断和定时器计算发动机转速。 利用a d 转换完成对蓄电池电压的检测。 通过判断按键状态确定显示发动机转速还是工作电压值。 通过u s a r t 完成数据的发送。 实现参数的动态l e d 显示。 判断系统的工作状态。 而接收及显示系统除了要完成发射系统的以上所述功能之外，与发射系统的功能不 同在于，接收系统中的微控制系统还需把接收到的信号经p w m 脉宽调制以后送到p c 机。有关微控制系统的具体功能、原理及软件实现详见第6 章。 ( 4 ) 系统电源 本系统的工作电源由各自的蓄电池进行提供。发射系统的工作电压是9 v ，接收系 统、显示系统和控制系统的工作电压都为5 v 。另外，还有外部整形滤波电路给蓄电池 充电。电源部分的原理图及设计原理详见第5 章。 ( 5 ) 显示模块 本系统的显示模块采用的是z l g 7 2 8 9 芯片为核心的l e d 动态显示。显示模块根据 按键状态的不同来确定显示发动机转速还是蓄电池的工作电压值。采用z l g 7 2 8 9 芯片 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 来控制数码管，可以节省单片机接口的占用率，以免个别端口的使用冲突。该显示模块 的工作原理详见第7 章。 ( 6 ) 按键 该按键是用来控制显示模块的显示参数。当按键被按下时，将显示蓄电池的电压值； 不被按下时，将显示发动机的实际转速。 发动机测试参数的无线电发射和接收系统 3 信号采集系统 3 1信号采集系统的构成 信号采集系统主要包括：感光片、光电传感器、施密特整形电路。 信号采集系统的示意图如图3 1 所示。 图3 1 信号采集系统示意图 f i 9 3 1s k e t c hm a po f s i g n a lc o l l e c t i o n 3 2 各组成部分的原理及功能 3 2 1光电转速探测器m m 0 0 2 4 基本特性 该探测器是用来检测反射物体比如感光片等的一种信号采集装置。它具有以下特 性： 集红外传送和接收于一体。 操作范围5 0 m m 8 0 0 m m ，频率范围2 0 0 - 2 0 0 0 0 r p m 。 低功耗，4 v 1 2 v 的直流工作电压。 不必和被测试物体直接接触。 m m 0 0 2 4 的实物图如3 2 所示。 图3 21 哪0 0 2 4 实物图 f i g 3 2p r a c t i c a l i t yo f m m 0 0 2 4 大连理工大学硕士学位论文 3 2 2 探测器的主要共能及使用方法 f h b r f i e l & k j 甜生产的m m 0 0 2 4 主要是用来远距离调整和触发同步于旋转或者互动机 械部件的振动测试和平衡。对于那些包含组合的触发输入和允许直接从m m 0 0 2 4 弓i 线的 电源插孔的所有仪器比如2 5 1 5 型的振动分析仪、3 5 1 7 型的轻便平衡装置、4 9 1 2 和4 9 1 3 型 的频闪观测仪，它是理想的选择。m m 0 0 2 4 和q a 0 1 3 7 结合在一起，这样它就可以固定在 距离被测试部件5 0 m m 8 0 0 m m 之间的距离，这样就可以避免探头与运动部件的直接接触 也可以远离危险环境。 轻质合金外探头包含红外线的发射头和接收头。供给到发射头和从接收头获得的脉 冲输出的直流电源是由通过外壳周围的双层保护b n t 电源孔提供的( 如图3 3 所示) 。还有 一个3 米长的电缆，便于与其他装置的直接连接。 双层保护b n t 电源孔如图3 3 所示。 ，4 u n c m o u n t i n gt h r e a d 8 0 3 9 i e 图3 3 探头b n 瞒槽连接的背部观测图 f i g 3 3r e a rv i e wo f p r o b es h o w i n gb n ts o c k e tc o n n e c t i o n s 该探头的使用非常方便易行。它可以用一个磁性固定架或者是一个简单支架装配在 测试机件的一个固定位置。在使用过程中，要保证探头的红外射头对准事先安置在被测 部件上的自动调节的发射型小条带，当被测的运动部件每旋转一次，可以使得红外电波 方便实时地返回到接收头，这样就可以使得一个正的电脉冲从接收头送到测试装备中。 3 2 3 工作原理 为了达到探头的最佳性能，采用了光电脉冲传送技术，另外还对它的接受头增加了 敏感电子元件。以频率为6 k h z 的循环脉冲对发送电波的调整可以达到比未调整前更高的 发动机测试参数的无线电发射和接收系统 峰值。 载波的红外线调整如图3 4 所示。 s i g n a l a m p l i t u d e 图3 46 k h z 载波的红外线调整 f i g 3 4i n f r a - r e dr a d i a t i o nm o d u l a t e db y6 k h zc a r r i e rw a v e 接收头仅检测相应于固定在被测部件上的反射性条带的可调光电脉冲的周期踪迹。 反射光电脉冲接收信号如图3 5 所示。 s i g n a l a m p l i t u d e 图3 5 反射光电脉冲的接收信号显示图 f i g 3 5r e c e i v e ds i g n a ls h o w i n gb u r s t so f r e f l e c t e dp u l s e 不管探头与被测部件距离的远近，从接收头输出的脉冲都是恒定值( 大约等于直流 电源的峰值电压) 。 输出信号如图3 6 所示。 大连理工大学硕士学位论文 s i g n a l a m p l i t u d e 图3 6 发射头的输出信号演示图 f 逗3 6d e m o d u l a t e do u t p u ts i g n a lf r o mt h er e c e i v e r 当发射的光波脉冲被接收时，探头表面的一个小的l e d 就会闪亮，这样可以给使用 者一个关于运动部件的正确指示。 3 3 施密特整形电路 获取矩形脉冲的途径不外乎两种：一种是利用各种形式的多谐振荡器电路直接 产生所需要的矩形脉冲信号；另一种则是通过各种整形电路把已有的周期性变化波形变 为符合要求的矩形脉冲。本设计采用的m m 0 0 2 4 信号采集系统所获得的信号就符合第二 种情况。当然，在采用整形的方法获取矩形脉冲时，是以能够找到频率和幅度都符合要 求的一种已有电压信号为前提的。 3 3 1 施密特触发器 施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，它在性能上有两个重要的特 点【17 】： 第一，输入信号从低电平上升过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信 号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。 第二，在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边缘变的 很陡。 利用以上两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而 且可以将叠加在波形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。由于在数字系统中，矩形脉 冲经传输后往往发生波形畸变。当传输线上电容较大时，上升沿和下降沿将明显变坏。 当传输线较长，而且接收端的阻抗和传输线的不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将 产生振荡现象。当其他脉冲信号通过导线问的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信 号上时。信号上将出现附加的噪声。无论出现以上哪种情况，都可以通过使用施密特触 发器整形而获得比较理想的矩形脉冲波形。 发动机测试参数的无线电发射和接收系统 3 3 24 0 1 0 6 功能结构简介 4 0 1 0 6 的每一个逻辑回路都可以起到对施密特触发器每一动态的转换作用。对于输入 正极性信号和负极性信号，施密特触发器会在不同的位置进行关断和开启。4 0 1 0 6 可以 用来提高抗干扰能力或调整波形为矩形脉冲波形。 4 0 1 0 6 的引脚图如图3 7 所示。 v d d1 60 6 1 50 51 40 4 3 h e f 4 0 1 0 6 b 1 1 o f 20 21 30 3v s s 7 2 7 4 6 0 9 图3 7 引脚图 f i g 3 7p i n n i n gd i a g r a m 4 0 1 0 6 的单个转换器的逻辑电路图如图3 8 图3 8 逻辑电路图 f i g 3 8l o g i cd i a g r a m ( o n ei n v e r t e r ) 3 3 34 0 1 0 6 特性 4 0 1 0 6 具有以下特性： 噪声抗干扰能力提高大于5 0 ，分5 v 、1 0 v 和1 5 y 的工作电压。 对于输入信号的上升和下降时间没有限制。 标准的对称输出特性，动作无需外加电路。 o n 1 6 4 大连理工大学硕士学位论文 4 微功率无线发射和接收模块 4 1微功率数传模块的硬件结构连接图 由于发射模块和接收模块工作原理的区别，其电路连接和工作电压都都有所区别。 发射模块的接收端口要与发射系统的微控制系统的发射端口连接，信号再由发射端口发 出。而接收模块的接收端口用来接收发射头发射端口发出的信号，再由发射端口送到接 系统微控制系统的接收端口。发射模块的工作电压为9 v ，接收模块的工作电压为5 v 。 如以下两图所示。 图4 1 发射模块硬件 f i g 4 1h a r d w a r eo f s e n d i n gm o d u l e 图4 2 接收模块硬件结构 f i g 4 2h a r d w a r eo f r e c e i v i n gm o d u l e 4 24 2h a c - u m 微功率数传模块的结构及工作原理 4 2 1 工作特性 ( 1 ) 微功率发射，最大发射功率为1 0 r o w 。 ( 2 ) i s m 频段，无需申请频点。 发动机测试参数的无线电发射和接收系统 载频频率4 3 3 m h z ( 可提供其他载荷4 0 0 4 7 0 m ，载频8 6 8 9 1 5 m i - i z 型号为u n ) 。 ( 3 ) 高抗干扰能力和低误码率。 基于f s k 的调制方式，采用高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰 和随机干扰的能力，在信道误码率为l o 2 时，可得到的实际误码率为1 0 - 5 - 1 0 石。 ( 4 ) 传输距离远。 视距情况下，天线放置位置) 2 米，可靠传输距离可达1 0 0 0 米( b e r = 1 0 3 1 2 0 0 b p s ) ， 可靠传输距离大于5 0 0 米( b e r = 1 0 1 4 8 0 0 b p s ) 。 ( 5 ) 透明的数据传输。 提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。自动过滤掉空气中产 生的假数据( 所收即所发) 。 ( 6 ) 多信道。 h a c u m 标准配置提供8 个信道，若需要还可以扩展到1 6 3 2 信道，满足多种通信 组合方式。 ( 7 ) 双串口，3 种接口方式。 h a c - u m 提供2 个串口3 种接口方式，c o m l 为订l 电平u a r t 口。c o m2 可以 自定义为标准的r s 2 3 2 r s 4 8 5 口。 ( 8 ) 大的数据缓冲区。 接口波特率即为有效波特率：1 0 0 2 4 8 0 0 9 6 0 0 1 9 2 0 0 3 8 4 0 0 b p s ，使得编程更加灵活。 ( 9 ) 智能数据控制，无需编制多余程序。 即使是半双工通信，也无需编制多余的程序，只要从接口收发数据即可，其他如空 中收发转换，控制等操作，h a c - u m 自动完成。 ( 1 0 ) 低功耗及休眠功能。 + 5 v 供电情况下，接收电流 3 0 m a ，发射电流 4 0 m a ，休眠电流电0 u a 。+ 3 3 v 供 电情况下，接收电流 2 2 m a ，发射电流 3 3 m a ，休眠电流 5 u a 。 ( 1 1 ) 高可靠性、体积小、重量轻、多种天线配置方案。 采用单片机射频集成电路及单片机m c u ，外围电路少，可靠性高，故障率低。 4 2 2h a o - u m 微功率无线数传模块的应用及原理 i - l c u m 系列微功率无线数传模块适用于：无线抄表、工业遥控、遥测、自动化数 据采集系统、楼宇自动化、安防、机房设备无线监控、门禁系统、p o s 系统、交通、定 位等等各个场合。 大连理工大学硕士学位论文 h a c u m 系列微功率无线数传模块提供r s 2 3 2 ，r s - 4 8 5 ，和u a r t v i l 电平3 种 接口方式，可直接与计算机、r s - 4 8 5 设备、单片机或其他u a r t 器件连接使用。原理 图如下所示： ( 1 ) 电源： h a c u m 使用直流电源，电压+ 3 3 v , - , + 5 v ，根据需要进行选择。可以与其他设备共 用电源，一般情况下采用5 v 稳压片单独供电。最好不用开关电源，因为开关脉冲会对 无线模块产生干扰。 ( 2 ) h a c u m 连接端子的定义 h a c - u m 提供一个9 针的连接器( j p l ) ，其定义及与终端的连接方法如表4 1 所示： 表4 1 连接端子定义及连接方法 t a b 4 1d e f i n i t i o no f p o r t sa n dw a y so f c o n n e c t i o n 管脚定义说明电平终端备注 lg n d 电源地电源地 2v c c 电源d c + 5 v 3r x d 厂r r l 串行数据接收端 t t lt x d 4t x d 厂兀 l 串行数据发送端 t t lr x d 5s g n d 信号地 6a r s - 4 8 5 的a r s 2 3 2 的r x d a 7 b r s - 4 8 5 的a r s 2 3 2 的r x d b 8 s l e e p 休眠控制 t t l 休眠信号高电平休眠 9 r e s e t 复位信号 t t l 负信号复位 发动机测试参数的无线电发射和接收系统 ( 3 ) h a c u m 与终端设备的连接示意图如图4 4 v o o 6 n d j v c c r x d t k d ，r n ， 彻 r x d 厂1 1 l s g n d s g n d a a b b s l e e p s l e e ps i g n a l r e s e t r e s e ts i g n a l h a c t a ms e r i e s r e m o t eu n i t e 图4 4 连接示意图 f i g 4 4c o n n e c ts k e t c hm a p 4 2 3 信道、接口、数据格式设定 本设计采用0 号信道，u a r t 的串行接口方式。h a c u m 的右上角有一组5 位的短 路跳线组0 v 2 ) ，分别定义为a b c d e ，假设跳线开路( 不插短路器) 为状态l ，跳线短路( 插 入短路器1 为状态0 ，则其配置方式如下， ( 1 ) 信道配置 j p 2 的a b c 三位跳线提供8 种选择，通过a b c 3 位跳线选择使用n 7 号信道，在 一个通信小网中，只要a b c 的跳线方式相同，就可以相互通信。 肛7 号信道对应的频点如表4 2 所示 表4 2o 7 号信道对应的频点 t a b 4 2c o r r e s p o n d i n gf r e q u e n c yo f 0 - 7c h a n n e l 信道号频率信道号频率 c a b = 0 0 04