光纖與測(cè)試節(jié)點(diǎn)的星型拓?fù)錅y(cè)試網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法

梁 頔，馬鐵華

（1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051）

車輛是一個(gè)多部件耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，隨著智能化程度的提升，車內(nèi)的電子系統(tǒng)變得日益復(fù)雜，電磁干擾問(wèn)題日益凸顯.伴隨著復(fù)雜的測(cè)試及控制信息傳遞的需要，在車輛中應(yīng)用了多種總線：CAN總線、MIL-STD-1553B總線、MIC總線、以太網(wǎng)總線，以及自定義的總線等［1］.標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)控總線可靠性高、抗干擾性能強(qiáng)，但是自定義的分布式測(cè)控總線需要進(jìn)行可靠性和抗干擾設(shè)計(jì).分布式測(cè)控總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括：總線型、樹(shù)型、環(huán)型、星型和網(wǎng)型，其中星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是總線網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)之一，便于靈活擴(kuò)展［2-5］.

車輛動(dòng)力艙內(nèi)電氣連接復(fù)雜、結(jié)構(gòu)緊湊，電磁干擾復(fù)雜，如果不采用抗干擾措施就使用雙絞線傳遞測(cè)試信號(hào)會(huì)導(dǎo)致信噪比降低，更嚴(yán)重地會(huì)導(dǎo)致微弱有效測(cè)試信號(hào)被噪聲湮沒(méi)［6］.為了提高復(fù)雜環(huán)境下動(dòng)態(tài)參數(shù)獲取能力，本文提出存儲(chǔ)測(cè)試節(jié)點(diǎn)與光纖傳輸相結(jié)合的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法.

1 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)

心控制單元、測(cè)試節(jié)點(diǎn)、光纖網(wǎng)絡(luò)等組成.從系統(tǒng)的可行性和測(cè)點(diǎn)設(shè)置的靈活性角度考慮，測(cè)試系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建方式，這種方式可以避免由于某個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的故障而導(dǎo)致測(cè)試系統(tǒng)失效，能保證在一次測(cè)試過(guò)程中有效地獲取多種參數(shù)信息.

測(cè)試節(jié)點(diǎn)的規(guī)劃靈活便捷，可根據(jù)測(cè)試需要快速地增加或刪減測(cè)試節(jié)點(diǎn).在測(cè)試試驗(yàn)開(kāi)始之前，測(cè)試節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，其中電纜作為中心控制單元與測(cè)試節(jié)點(diǎn)的觸發(fā)啟動(dòng)命令傳輸介質(zhì)；光纖作為測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，光纖傳輸可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力，解決某些特殊情況下數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確傳輸?shù)膯?wèn)題［7］.星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

光纖和測(cè)試節(jié)點(diǎn)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)由中

圖1 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)框圖 Fig.1 Block diagram of star topology test network

2 關(guān)鍵模塊

2.1 中心控制單元

中心控制單元集成了控制、存儲(chǔ)、接口等模塊.其中控制模塊用于對(duì)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的編程功能和狀態(tài)控制，并且控制數(shù)字化測(cè)試節(jié)點(diǎn)的觸發(fā)啟動(dòng)；存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)；接口模塊連接計(jì)算機(jī)等設(shè)備，完成對(duì)整個(gè)動(dòng)態(tài)測(cè)試過(guò)程的編程設(shè)置和對(duì)各節(jié)點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)的讀取.中心控制單元的核心是控制模塊，其主要實(shí)現(xiàn)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)，控制電源管理模塊，控制光電轉(zhuǎn)換模塊以接收測(cè)試節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并將其寫(xiě)入大容量存儲(chǔ)模塊中；同時(shí)，接口模塊連接計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬儀器軟面板的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)中心控制單元控制和對(duì)各測(cè)試節(jié)點(diǎn)的選擇、數(shù)據(jù)的讀取和擦除.中心控制單元結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.

圖2 中心控制單元結(jié)構(gòu)框圖 Fig.2 Block diagram of central control unit

中心控制單元作為星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的核心，用于分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)、同步、控制測(cè)試的開(kāi)始、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和結(jié)束，接收各測(cè)試節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ).

測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)具有唯一的編號(hào)，作為物理地址；分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)的ADC分辨率是12bit，將12bit數(shù)據(jù)擴(kuò)充為16bit數(shù)據(jù)按兩次存入存儲(chǔ)器，其中D15～D14兩位二進(jìn)制編碼作為分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)的物理地址，D13～D12兩位二進(jìn)制編碼作為分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)的通道編碼；D11～D0共12位是ADC數(shù)據(jù).

開(kāi)始測(cè)試時(shí)，中心控制單元進(jìn)行初始化，并通過(guò)電纜發(fā)送組網(wǎng)命令，等待收到測(cè)試節(jié)點(diǎn)返回的正確值即表明組網(wǎng)成功；判斷組網(wǎng)成功后，若不立即進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試節(jié)點(diǎn)處于低功耗的休眠狀態(tài)，若立即進(jìn)行測(cè)試則通過(guò)電纜發(fā)出觸發(fā)啟動(dòng)命令，測(cè)試節(jié)點(diǎn)從休眠態(tài)喚醒，對(duì)相應(yīng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)光纖將數(shù)據(jù)傳輸至中心控制單元，同時(shí)在測(cè)試節(jié)點(diǎn)本地進(jìn)行備份存儲(chǔ).中心控制單元接收到測(cè)試節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后通過(guò)接口模塊傳輸至計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬儀器軟件進(jìn)行處理并在計(jì)算機(jī)軟面板上顯示.分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)作為測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的冗余備份數(shù)據(jù)，如果光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)或中心控制單元接收數(shù)據(jù)異常，則讀取分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)模塊里的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理.中心控制單元的流程如圖3所示.

圖3 中心控制單元流程圖 Fig.3 Flow chart of central control unit

圖4 分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖 Fig.4 Block diagram of distributed measurement node

2.2 分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)

若干個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)處于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的底層，針對(duì)溫度、振動(dòng)加速度等動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行信號(hào)的感知、調(diào)理、數(shù)字化、傳輸與存儲(chǔ).測(cè)試節(jié)點(diǎn)利用電光轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)并通過(guò)光纖傳輸，這樣一路測(cè)試節(jié)點(diǎn)數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)電光轉(zhuǎn)換后通過(guò)光纖傳輸至中心控制單元，另一路寫(xiě)入測(cè)試節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)單元，這種雙冗余的方式提高了復(fù)雜環(huán)境下參數(shù)獲取的效率.

分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)是測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，主要由信號(hào)調(diào)理模塊、采集存儲(chǔ)模塊、接口模塊、控制模塊、命令接收模塊和電源管理模塊幾部分組成，如圖4所示.

信號(hào)調(diào)理模塊將傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大、濾波，輸出滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog-to-Digital Converter，ADC）模塊轉(zhuǎn)換要求的電壓信號(hào)；ADC模塊完成模數(shù)轉(zhuǎn)換；命令接收模塊配合控制模塊接收組網(wǎng)命令和觸發(fā)啟動(dòng)命令；存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的本地備份存儲(chǔ)；電光轉(zhuǎn)換模塊將ADC模塊轉(zhuǎn)換的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)并通過(guò)光纖傳輸至中心控制單元；接口模塊用于測(cè)試節(jié)點(diǎn)測(cè)試之前的編程設(shè)置，以及本地存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)讀??；電源管理模塊根據(jù)不同工作狀態(tài)采取不同供電方式，在觸發(fā)工作之前處于低功耗休眠狀態(tài)，在觸發(fā)后給予供電；控制模塊實(shí)現(xiàn)上述功能的綜合控制.

2.3 光纖網(wǎng)絡(luò)

光纖網(wǎng)絡(luò)由電光轉(zhuǎn)換單元、光電轉(zhuǎn)換單元、光纖組成，其中電光轉(zhuǎn)換單元將測(cè)試節(jié)點(diǎn)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，光電轉(zhuǎn)換單元將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；光纖用于測(cè)試節(jié)點(diǎn)和中心控制單元之間的光信號(hào)通信.測(cè)試節(jié)點(diǎn)內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼后由光發(fā)送模塊轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，經(jīng)光纖傳輸至光接收模塊，把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再傳輸至中心控制單元.

3 抗干擾設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)試節(jié)點(diǎn)殼體屏蔽

測(cè)試節(jié)點(diǎn)將電路模塊和鋰電池經(jīng)過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂灌封，并在外部設(shè)置良性導(dǎo)體金屬屏蔽殼體，與傳感器一起放置在被測(cè)點(diǎn)附近，測(cè)試節(jié)點(diǎn)的調(diào)理電路及ADC模塊將傳感器輸出的微小模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，一方面進(jìn)行本地存儲(chǔ)，另一方面通過(guò)光纖傳輸至遠(yuǎn)端的中心控制單元.

低頻時(shí)，高磁導(dǎo)率材料的磁屏蔽效能高于高電導(dǎo)率材料的磁屏蔽效能；高頻時(shí)，高導(dǎo)電材料的磁屏蔽效能高于高磁導(dǎo)率材料［8-9］的磁屏蔽效能.這里采用鋁和坡莫合金的雙層金屬屏蔽結(jié)構(gòu)，其中外層是高電導(dǎo)率的鋁，內(nèi)層的高磁導(dǎo)率的坡莫合金，利用這兩種材料互補(bǔ)的電磁屏蔽特性來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試單元的輕型化和高抗干擾性設(shè)計(jì).

利用Ansoft Maxwell軟件建立鋁和坡莫合金的金屬殼體模型（鋁和坡莫合金的壁厚5 mm），鋁和坡莫合金的金屬殼體電磁模型如圖5所示，通電螺線管給予交流激勵(lì)，產(chǎn)生交變磁場(chǎng).在10 Hz低頻磁場(chǎng)激勵(lì)下，金屬殼體結(jié)構(gòu)沿中心線磁場(chǎng)強(qiáng)度與距離的關(guān)系如圖6所示.

圖5 鋁和坡莫合金的金屬殼體電磁模型 Fig.5 Metal shell model of aluminum and permalloy

圖6 金屬殼體結(jié)構(gòu)沿中心線磁場(chǎng)強(qiáng)度與距離關(guān)系 Fig.6 Relationship of magnetic field strength and distance along centerline of bimetallic shell structure

圖6表明，雙層金屬殼體結(jié)構(gòu)很好地屏蔽了金屬殼體外的電磁場(chǎng)，有效地降低了電磁環(huán)境對(duì)測(cè)試信號(hào)的干擾.

3.2 光纖傳輸

光纖傳遞光信號(hào)，其優(yōu)越的抗干擾性能是眾所周知的.分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量通過(guò)電光轉(zhuǎn)換模塊、光纖網(wǎng)絡(luò)、光電轉(zhuǎn)換模塊傳輸至中心控制單元，這樣在傳輸鏈路環(huán)節(jié)有效地實(shí)現(xiàn)了測(cè)試數(shù)據(jù)的抗電磁干擾.

3.3 數(shù)據(jù)雙冗余存儲(chǔ)

分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)里的ADC模塊輸出數(shù)字量寫(xiě)入了分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)模塊，同時(shí)通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)同步傳輸至中心控制單元.分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)模塊的本地?cái)?shù)據(jù)作為備份數(shù)據(jù)，當(dāng)光纖網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)損壞斷裂等異常情況時(shí)，本地的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可以作為備份測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理.

4 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證及分析

構(gòu)建的星型拓?fù)錅y(cè)試網(wǎng)絡(luò)在臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，加載一個(gè)振動(dòng)載荷，測(cè)得了加速度-時(shí)間曲線，通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸至中心控制單元的振動(dòng)測(cè)試曲線如圖7所示.

圖7 振動(dòng)測(cè)試曲線 Fig.7 Vibration measurement curve

實(shí)驗(yàn)表明，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試節(jié)點(diǎn)能夠獲取動(dòng)態(tài)信號(hào)，并經(jīng)過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸至中心控制單元.為了驗(yàn)證星型拓?fù)錅y(cè)試網(wǎng)絡(luò)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后讀取了測(cè)試節(jié)點(diǎn)里的存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)，與光纖傳輸?shù)臄?shù)據(jù)非常吻合，因?yàn)榇鎯?chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)與光纖傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來(lái)源于同一個(gè)ADC的數(shù)據(jù)源.根據(jù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的需要，可以布置n（n≥1）個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸至中心控制單元，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的測(cè)試.

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)車輛動(dòng)態(tài)測(cè)試參數(shù)傳輸?shù)目垢蓴_要求，提出了一種光纖與存儲(chǔ)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的星型拓?fù)錅y(cè)試網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法.該方法采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用光纖和存儲(chǔ)測(cè)試節(jié)點(diǎn)構(gòu)建分布式測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，采用存儲(chǔ)測(cè)試節(jié)點(diǎn)殼體屏蔽、光纖傳輸、數(shù)據(jù)雙冗余備份等抗干擾設(shè)計(jì)，提高了分布式總線測(cè)試網(wǎng)絡(luò)獲取信息的能力.

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