基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立式PDE在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張文龍，李江紅，裴承鳴，王 可，范 瑋

（西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院，西安710072）

對(duì)于脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)PDE 工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，目前國(guó)內(nèi)外采用2 種方案。 一種是基于多通道高速數(shù)據(jù)采集儀的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由壓電式壓力傳感器、電荷放大器、多通道高速數(shù)據(jù)采集儀組成。 另一種是以臺(tái)式計(jì)算機(jī)和多功能數(shù)據(jù)采集卡為硬件平臺(tái)，以Lab Windows/CVI 和MatLab 為軟件平臺(tái)的PDE 智能測(cè)試系統(tǒng)[1-3]。 這2 種方案可以滿足臺(tái)架試驗(yàn)需求，卻無法滿足獨(dú)立式PDE 監(jiān)測(cè)需求。 究其原因，主要是：①質(zhì)量較重的電荷放大器、高速數(shù)據(jù)采集儀和臺(tái)式計(jì)算機(jī)較難移動(dòng)；②臺(tái)式計(jì)算機(jī)和高速信號(hào)采集儀需要220 V 交流供電，外場(chǎng)無法運(yùn)行；③外場(chǎng)不具備隔離觀察條件， 研究人員無法近距離操作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以完成監(jiān)測(cè)任務(wù)[4]。

針對(duì)獨(dú)立式PDE 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸、便攜性強(qiáng)、電池供電等需求，將傳感器、嵌入式、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理和智能監(jiān)測(cè)技術(shù)融合在一起，設(shè)計(jì)了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 實(shí)現(xiàn)了爆震腔壓力信號(hào)高速采集，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線處理，遠(yuǎn)程傳輸，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理等功能。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求及整體方案

在外場(chǎng)試驗(yàn)中，為避免強(qiáng)噪聲和爆震尾氣造成聽覺損傷及安全威脅，操作人員需保持在200 m以上距離處操作并觀察PDE 在線監(jiān)測(cè)結(jié)果。 在滑跑試驗(yàn)中，由于PDE 的運(yùn)動(dòng)，距離會(huì)進(jìn)一步增大。

通常，需要3～4 只壓力傳感器實(shí)現(xiàn)爆震腔壓力監(jiān)測(cè)，傳感器帶寬100 kHz，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要具備至少4 通道最小帶寬為200 kHz 的高速信號(hào)采樣功能。壓力波形和數(shù)據(jù)處理結(jié)果需要實(shí)時(shí)傳輸至觀察處，試驗(yàn)人員根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果決策停止點(diǎn)火時(shí)間和后續(xù)試驗(yàn)安排，根據(jù)以上分析，無線數(shù)據(jù)傳輸最小帶寬為6.4 Mb/s，以最大200 m 滑跑距離計(jì)算，通訊距離需達(dá)到400 m。為進(jìn)一步分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)需要被存儲(chǔ)管理，并通過導(dǎo)出接口導(dǎo)出。

系統(tǒng)應(yīng)采用直流電池供電，消除對(duì)交流供電的依賴性；具備小型化、集成度高、重量輕的特征。

根據(jù)需求，提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（wireless sensor networks）的獨(dú)立式PDE 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案[5]。系統(tǒng)由PDE 在線監(jiān)測(cè)單元、 手持單元和WiFi 中繼組成，如圖1 所示。在線監(jiān)測(cè)單元部署于PDE 本體，手持單元移動(dòng)部署，WiFi 中繼則部署在兩者中間。

在線監(jiān)測(cè)單元由4 個(gè)WSN 數(shù)據(jù)傳感節(jié)點(diǎn)、1 個(gè)WSN 管理節(jié)點(diǎn)、電池、供電系統(tǒng)、電量監(jiān)測(cè)模塊[6]組成，原理如圖2 所示。 圖中，數(shù)據(jù)傳感節(jié)點(diǎn)由電荷放大模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、微處理器和無線通訊模塊組成，完成壓力傳感器信號(hào)處理、高速采集和數(shù)據(jù)無線傳輸功能；管理節(jié)點(diǎn)由微處理器、無線通訊模塊、系統(tǒng)指示模塊組成，完成電池電量監(jiān)測(cè)，傳感節(jié)點(diǎn)同步，系統(tǒng)指示功能。

圖1 PDE 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理Fig.1 Schematic of PDE online monitoring system

圖2 PDE 在線監(jiān)測(cè)單元原理Fig.2 Schematic of PDE online monitoring unit

手持終端由電池、 電源系統(tǒng)、 電量監(jiān)測(cè)模塊、WSN 匯聚網(wǎng)關(guān)和WSN 控制器組成， 原理如圖3 所示。 圖中，匯聚網(wǎng)關(guān)由無線通訊模塊、微處理器模塊、以太網(wǎng)模塊組成，完成通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換，傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯聚，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和控制器交互功能；控制器由以太網(wǎng)模塊、存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊、人機(jī)交互模塊組成，完成網(wǎng)絡(luò)管理，數(shù)據(jù)管理、存儲(chǔ)和導(dǎo)出，監(jiān)測(cè)控制，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和人機(jī)交互功能。

圖3 手持單元原理Fig.3 Schematic of hand held unit

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示。圖中，4個(gè)數(shù)據(jù)傳感節(jié)點(diǎn)WSNDSN（manage synchronize node）在數(shù)據(jù)采集管理同步節(jié)點(diǎn)WSNMSN （manage synchro nize node） 的協(xié)調(diào)下，將高速采集的壓力信號(hào)通過WiFi 無線傳輸至數(shù)據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)WSNDR（data relay），由 中繼節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)匯聚網(wǎng)關(guān)WSNCG（converge gateway），進(jìn)行通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換和報(bào)文重組， 然后通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)控制器WSN-CL（controller），網(wǎng)絡(luò)控制器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、可視化處理，通過人機(jī)交互接口獲取采集控制命令，發(fā)送至WSN-MSN，控制WSN-DSN 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.4 Net topology of system

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括小型電荷放大器、傳感器信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)導(dǎo)出接口、電源管理設(shè)計(jì)。

根據(jù)壓電傳感元件的正壓電效應(yīng)，壓電傳感元件可以等效為1 個(gè)電荷源Qa與1 個(gè)電容Ca并聯(lián)[7]。由于壓電傳感元件自身的內(nèi)阻很高，達(dá)到1010Ω，而輸出的電荷信號(hào)很微弱，需要用輸入阻抗很高的前置放大器將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，將高輸入阻抗轉(zhuǎn)化為低輸出阻抗，然后用放大檢波電路將信號(hào)輸入到檢測(cè)電路中。 實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過導(dǎo)線與測(cè)量?jī)x器相連， 連接導(dǎo)線上存在寄生電容，其等效值為Cc，輸入電容Ci也會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生一定的影響。 前置電荷放大原理如圖5 所示。

圖5 前置電荷放大模塊原理Fig.5 Schematic of front charge amplifier

圖中，Cf和Rf分別為電荷放大器的反饋電容、反饋電阻[14]。電荷放大器的輸出電壓Uo只與輸入電荷Qa和反饋電容Cf相關(guān)，滿足關(guān)系式為

小型電荷放大器由前置電荷放大器和電壓放大器組成，如圖6 所示。 前置電荷放大器選擇具有極低輸入偏置電流的AD549 運(yùn)算放大器作為電荷轉(zhuǎn)換器，輸入電荷信號(hào)Qa經(jīng)T 型電阻反饋網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為較低的輸出電壓Uo，由直流誤差小、共模抑制比高的微功耗儀用放大器AD627 進(jìn)一步對(duì)Uo進(jìn)行放大，通過調(diào)節(jié)Rgain電阻調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。

圖6 電壓放大模塊原理Fig.6 Schematic of voltage amplifier

為了提高電路抗高頻脈沖干擾和浪涌電壓性能， 需要對(duì)電荷放大器輸出的信號(hào)做進(jìn)一步調(diào)理，使其適應(yīng)PDE 高壓點(diǎn)火脈沖引起的惡劣電磁環(huán)境。在設(shè)計(jì)中，采用4 階有源切比雪夫?yàn)V波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，采用壓敏電阻和雙向TVS 管組合來防止浪涌電壓。 其設(shè)計(jì)原理如圖7 所示。

圖7 信號(hào)調(diào)理模塊原理Fig.7 Schematic of signal conditioning

微處理器內(nèi)部集成了USB 接口，為了提高USB 高速通訊可靠性，在微處理器和USB 外設(shè)之間使用高集成度EMI/RFI 抑制器， 防止U盤插拔時(shí)高壓靜電造成器件損壞，使用專用電源模塊對(duì)USB 進(jìn)行供電，提高其驅(qū)動(dòng)能力。 其設(shè)計(jì)原理如圖8 所示。 USB 接口為高速接口，為保證信號(hào)完整性，PCB 布局時(shí)應(yīng)使其接近微處理器，在布線上應(yīng)保證數(shù)據(jù)線差分等長(zhǎng)布線[8]。

圖8 數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊原理Fig.8 Data export module schematic

在電池供電系統(tǒng)中，有必要設(shè)計(jì)電量監(jiān)測(cè)硬件。系統(tǒng)使用11.1 V 鋰電池供電，采用電壓監(jiān)測(cè)范圍為20 V，集電壓、電流和溫度監(jiān)測(cè)于一體的電量監(jiān)測(cè)芯片LTC2943 監(jiān)測(cè)電池電量，取樣電阻50 mΩ，電流電壓監(jiān)測(cè)精度1%，與微處理器通過I2C 總線進(jìn)行通訊。 其設(shè)計(jì)原理如圖9 所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括WSN-DSN，WSN-MSN和WSN-CL 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。 WSN-DSN 和WSN-MSN軟件設(shè)計(jì)基于MDK4.7 開發(fā)平臺(tái)， 采用分層化軟件設(shè)計(jì)思想；WSN-CL 軟件設(shè)計(jì)基于嵌入式LINUX 操作系統(tǒng)，采用多線程模塊化軟件設(shè)計(jì)思想[9]，提高軟件的可讀性和維護(hù)性。

圖9 供電監(jiān)測(cè)模塊原理Fig.9 Schematic of power supply monitoring module

WSN-DSN 節(jié)點(diǎn)在WSN-MSN 節(jié)點(diǎn)的同步控制下，高速采樣單個(gè)壓力傳感器的壓力信號(hào)，通過以太網(wǎng)發(fā)送至WiFi 數(shù)據(jù)透?jìng)髂K，進(jìn)行無線傳輸。 使用DMA 控制器，由DMA 控制AD 轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳輸至數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。 通過雙緩沖機(jī)制，將采樣緩沖和數(shù)據(jù)處理緩沖隔離， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理并發(fā)、防止數(shù)據(jù)被覆蓋，雙緩沖機(jī)制通過DMA 緩沖區(qū)的半滿和全滿監(jiān)測(cè)來實(shí)現(xiàn)。 WSN-DSN 節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖10 所示。

圖10 WSN-DSN 節(jié)點(diǎn)軟件流程Fig.10 WSN-DSN node software flow chart

WSN-MSN 節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在線監(jiān)測(cè)單元電池狀態(tài)，監(jiān)測(cè)結(jié)果通過WSN-CL 節(jié)點(diǎn)和本地指示模塊進(jìn)行指示，在WSN-CL 節(jié)點(diǎn)的控制下，控制WSN-DSN節(jié)點(diǎn)高速信號(hào)同步采集。 WSN-MSN 節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖11 所示。

WSN-CL 完成無線網(wǎng)絡(luò)的組建、維護(hù)，在科研人員的控制下采集數(shù)據(jù)，將WSN-CG 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理，根據(jù)數(shù)據(jù)處理算法處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算爆震特征信息， 顯示數(shù)據(jù)波形及爆震特征信息，數(shù)據(jù)導(dǎo)出。 其軟件流程如圖12 所示。

4 試驗(yàn)及其結(jié)果

圖11 WSN-MSN節(jié)點(diǎn)軟件流程Fig.11 WSN-MSN node software flow chart

圖12 WSN-CL節(jié)點(diǎn)軟件流程Fig.12 WSN-CL node software flow chart

使用內(nèi)徑30 mm，長(zhǎng)度880 mm 的獨(dú)立式PDE樣機(jī)進(jìn)行了外場(chǎng)試車。 PDE 工作于無閥模式，工作頻率30 Hz， 使用3 個(gè)相互間距70 mm， 型號(hào)為CYYD-205 的壓力傳感器監(jiān)測(cè)爆震腔壓力，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)3 s。PDE 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示點(diǎn)火次數(shù)49 次，爆震成功42 次，爆震成功率為85.7%。 所測(cè)傳感器壓力波形如圖13 所示，爆震特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立式PDE 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過外場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)驗(yàn)證。 結(jié)果表明，該系統(tǒng)解決了當(dāng)前PDE 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無法適應(yīng)獨(dú)立式PDE 試驗(yàn)的問題；無線傳感網(wǎng)絡(luò)在通訊距離、鏈路質(zhì)量、通訊帶寬等方面，滿足高帶寬、遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨螅恍⌒碗姾煞糯笃?、壓力信?hào)調(diào)理電路、電池電量監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等硬件設(shè)計(jì)工作可靠，抗干擾性能良好；壓力信號(hào)高速采集和存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析算法工作可靠；具有小型化，集成度高，便攜性強(qiáng)，無需外部供電獨(dú)立運(yùn)行等特點(diǎn)，適用于臺(tái)架和外場(chǎng)PDE 試驗(yàn)。 采用自動(dòng)實(shí)時(shí)在線計(jì)算爆震特征信號(hào)的方式代替手動(dòng)計(jì)算，提高了科研效率，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖13 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)PDE 頻率30 Hz 下壓力波形Fig.13 Measurement of pressure waveform under PDE frequency 30 Hz by online monitoning system

表1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.1 Parameters monitoring results online monitoring of system