RF射频技术在轴功率测试系统中的应用

摘要:本文以计算机为平台,采用专用射频芯片CC1000,研制了一套舰船主机轴功率遥测系统.该系统工作于ISM频段,采用FSK调制,结构简单、可靠性好、抗干扰能力强.

关键词:射频技术;FSK;轴功率测试

旋转机械的轴功率测试一般是通过测试出舰船主机输出轴的输出扭矩得到.由于主机输出轴动态时处于高速旋转状态,如何将扭矩传感器的输出信号传送出来,是舰船主机轴功率测试的关键所在.本文基于射频技术研制的轴功率测试系统,可同时对多台主机轴功率、转速和扭矩进行实时监测,结构简单可靠、体积小,安装方便,抗干扰能力强,误码率低,传输距离达300m.

轴功率测试系统的组成

如图1所示,轴功率测试系统由传感器、信号无线传输装置、数据采集卡和计算机组成.

图1轴功率测试系统构造图

扭矩传感器测出的扭矩信号由射频模块从旋转部分拾取出来,通过采集卡的数字通道采集;转速传感器的输出信号直接由采集卡的模拟通道采集,并由采集卡转换为数字信号.采集卡和计算机通过USB接口进行数据传输.所有数据的分析、处理、屏幕显示等功能都由计算机完成.

射频技术及应用

无线收发芯片
收发芯片采用的是CC1000无线收发一体芯片,该芯片采用TSSOP-28封装,与一个微控制器和少数几个外接元件即组成一个完整的RF收发系统,可借助微控制器通过串行接口进行编程设定其工作状态,使用方便、灵活。CC1000的内部结构框图如图2所示.

图2CC1000内部结构图

在接收模式中,CC1000被配置成超外差式接收机.扭矩传感器的输出信号由低噪声放大器放大后由混频器变换成中频(IF)信号.在中频级,这个被变换的信号在送入解调器之前被放大和滤波.然后经过解调器处理后,在DIO端输出解调后的数字数据.在发射模式中,压控振荡器(VCO)的输出信号将直接送入功率放大器,而RF输出则是被馈送到DIO端的数字比特流频移键控信号.CC1000内部的发/收(T/R)开关电路则很容易与天线进行接口和匹配.频率同步器产生的本振信号在接收模式时被送到混频器(MIXER),在发射模式时馈送到功率放大器.频率同步器由晶体振荡器、相位检波器、充电泵、VCO和分频器组成.外接晶体必须连接到XOSC端.VCO需外接一个电感L3.CC1000芯片的工作状态设置由芯片内的控制器完成,控制命令和参数设置可通过PCLK、PDATA、PALE3线数字串行接口输入.该芯片最大发射功率10mW,载频频率433MHz,属于ISM频段,无需申请频点,可通过编程使其工作于300～1000MHz,调制方式为FSK.

数据传输系统构造
信号传输系统原理如图3所示.整个无线传输系统包含发射部分和接收部分,这两部分基本是相同的,主要由CC1000数传芯片和微控制器AT90S2313组成.发射和接收部分的区别只是在于其外围电路MCU的不同.

图3信号传输系统原理框图

CC1000芯片在本系统的具体应用电路如图4所示,选用电器元件参数决定了传输模块的性能,本文根据具体情况综合比较,对相关元件参数进行了选择.

图4CC1000应用电路图

数据传输方式
扭矩传感器输出的是模拟信号,采用单片机MSJP430F133对扭矩信号进行16位高精度A/D转换,将信号转换为数字信号进行传输.在数字传输中,采用高效前向纠错信道编码技术提供透明的数据接口;具有多个频道,可方便地切换工作频率,特别满足需要多信道工作的特殊场合,只要设置一个主接收器,通过微控制器编程即可更改工作频率,实现多信道工作,对多台主机轴功率同时监测.为了尽量减少环境干扰,根据舰艇机舱干扰信号频率范围,将其工作频率设在429～433MHz之间.

无线数据传输局域网
本文将设1个主机和3个从机组成局域网,主机作为信号接收部分,主要负责接收和采集3个从机发送过来的扭矩信号,从机主要负责发送扭矩信号.通信采用点对多点的方式,CC1000的通信信道是半双工的,从机都编1个唯一的地址.通信的协调完全由主机控制,主机采用带地址码的数据帧发送数据或命令,从机全部都接收,并将接收的地址码与本地地址码比较,不同则将数据全部丢掉,不做任何响应;如果接收的地址码相同,则证明数据是给本地的,从机则将传过来的数据保存下来,进行译码,并通知主机已接收到数据.这些工作都通过上层协议来完成,在任何一个瞬间,通信网中只有一个发送机处于发送状态,避免了相互干扰.

数据的全透明传输
透明模式下,信息流通过无线信道时,仅由无线信道传输方案提供的前向纠错机制完成纠错,在传输速率较低情况下能得到较好的传输效果.透明的数据接口能自动过滤掉空中产生的假数据(所收即所发).该射频系统融合了先进的计算机硬件和软件技术,通过数据的有效处理,实现数据的全透明传输,不管什么格式数据均可照单全收和照单全发.单片机MSJP430F133实现扭矩信号16位高精度A/D转换和采集,并进行高效前向纠错信道编码,提高数据抗突发干扰能力.

移频键控(FSK)调制方式
这是相当于模拟调频(FM)的数字调制方式,它使数字信号的“1”、“0”分别对应于载波的不同频率,这时载波也是脉冲形式.

前向通道编码纠错技术
扭矩信号在空中传输中受到干扰等所造成的信号质量劣化是突变性的,也就是说,数字信号在干扰没有达到某一门限之前,只要接收设备能判别出0码和1码,质量就不会受到大的影响,而一旦超过此门限,接收设备判别不出0码和1码,信号就会丢失.因此,在数字信号传输中最重要的是防止误码.本文在无线传输协议中采用了奇偶校验前向通道编码技术,在信号源的原数码序列中以作为误差控制用的奇偶校验码,以实现自动检错的目的.主机收到扭矩信号后,按预先规定的规则进行解码,确定信息中有无错误,若有错误,确定其位置并进行纠正.本文通过信道编码降低了数字信号的误码率,提高了扭矩信号传输的可靠性,增强了系统的抗干扰能力.通讯波特率为9600bps,格式为8N1,可1次传输200byte较长的数据帧.

休眠功能及电源设计

从机与扭矩传感器都安装在旋转轴上,采用电池供电.因此,供电电源的设计和降低功耗就显得十分重要,它关系到该产品的通用性、适用性和方便灵活性.基于以上原则,本系统中主要从两个方面解决电源供电和降耗问题.
(1)从机采用了2节电压为1.5V、容量为2200mA时的镍氢电池组做供电电源,结构简单,大大延长了单次充电的使用时间.
(2)充分利用MCU的休眠功能,最终达到了设计要求.下面介绍休眠功能在系统中的应用.若舰船主机某一工况保持一段时间(大于15min)不变,即信号变化小于10mV保持15min不变,CC1000则自动进入睡眠工作模式.唤醒则是通过中断方式,即持续按住操作面板的复位键2s,给MCU外围电路一个低电平信号将CPU唤醒,使系统重新工作.但在初始设置时,外部中断必须设置为低电平.节电方式由MCU的控制寄存器MCUR的2个位来选择,并由SLEEP指令进入,休眠电流<10μA,降低了系统功耗,延长了电池使用时间.

数据的采集与处理

测试系统通过数据采集卡USB2010的数字通道将无线接收模块接收到的扭矩信号采集到计算机中,转速信号则通过采集卡的模拟通道采集,并采用基于图形化编程语言LabVIEW7.1设计的虚拟仪器完成数据的分析、处理,最终将各主机的扭矩、转速和功率以数字或波形的形式同时在计算机屏幕上显示出来.

结束语

本文将射频技术应用在舰船主机轴功率测试系统中,通过局域网的建立,可同时对多台主机轴功率、转速和扭矩进行实时监测,简化了测试系统结构,增强了系统抗干扰能力.通过实验证明,信道编码技术大大降低了数字信号传输的误码率,在信道误码率为10^-2时,得到实际误码率为10^-5～10^-6,提高了系统信号传输的可靠性,确保了轴功率系统测试的精度.