基于無線傳輸?shù)臋C(jī)輪胎壓測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(中國飛行試驗(yàn)研究院 測試所，西安 710089)

0 引言

在飛行試驗(yàn)中，許多試驗(yàn)機(jī)本身沒有胎壓傳感器，測試系統(tǒng)無法從機(jī)上系統(tǒng)得到這兩個參數(shù)的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致無法直接測取飛機(jī)胎壓數(shù)據(jù)。

目前機(jī)輪胎壓數(shù)據(jù)的測取主要分為間接法和直接測試法，而間接法由于測量精度低、誤差大，且實(shí)時(shí)性差等原因，不能應(yīng)用于飛行試驗(yàn)；直接測試法目前應(yīng)用最廣的主要是基于旋轉(zhuǎn)變壓器的非接觸電能傳輸測試技術(shù)，已經(jīng)在許多型號飛機(jī)中得到應(yīng)用[1-4]。但大部分飛機(jī)機(jī)輪內(nèi)部已無安裝空間，無法實(shí)施而且維護(hù)不方便、損耗較高，因此針對空間有限環(huán)境下的飛機(jī)機(jī)輪胎壓的測試需要針對性開展研究。

針對飛行試驗(yàn)領(lǐng)域飛機(jī)機(jī)輪胎壓的測試需求進(jìn)行分析研究，首先對比分析傳統(tǒng)機(jī)輪胎壓測試技術(shù)，提出了一種基于無線傳輸?shù)臋C(jī)輪胎壓測試方法，對其系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、胎壓采集原理、數(shù)據(jù)收發(fā)無線通信技術(shù)、供電設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的探討和研究，為機(jī)輪胎壓的采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了技術(shù)方法和支撐。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

傳統(tǒng)的非接觸電能傳輸胎壓測試系統(tǒng)是基于旋轉(zhuǎn)變壓器來進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要由起落架內(nèi)的控制接收模塊、旋轉(zhuǎn)變壓器、輪胎內(nèi)的監(jiān)測模塊和壓力傳感器組成，系統(tǒng)如圖1所示。

該系統(tǒng)主要為無法采用直接供電的飛機(jī)胎壓測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種能量傳輸系統(tǒng)，使其在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下能夠完成電能的非接觸傳輸。旋轉(zhuǎn)變壓器非接觸電能傳輸系統(tǒng)如圖2所示。

在該系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)變壓器不僅是非接觸能量傳輸系統(tǒng)的核心部分，而且也是非接觸信號傳輸中的重要組成部分。

控制模塊生成的控制數(shù)字信號與監(jiān)測模塊檢測出的胎壓數(shù)字信號為脈沖信號，可以通過改變數(shù)字脈沖信號高頻交流脈沖頻率的方式來完成對數(shù)字信號“0”、“1”的調(diào)制。數(shù)字信號與高頻交流脈沖關(guān)系如圖3所示。

圖3 數(shù)字信號與高頻交流脈沖關(guān)系圖

上述機(jī)輪胎壓測試技術(shù)已應(yīng)用于許多型號任務(wù)中，但在部分飛機(jī)機(jī)輪內(nèi)部已無安裝空間，無法實(shí)施而且維護(hù)不方便、損耗較高，而基于無線傳輸?shù)臋C(jī)輪胎壓測試系統(tǒng)具有易維護(hù)、數(shù)據(jù)傳輸穿透能力強(qiáng)、方向要求低、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高等特點(diǎn)，因此為滿足任務(wù)需求需要設(shè)計(jì)出一種機(jī)輪胎壓測試技術(shù)。

同時(shí)在飛行試驗(yàn)中，胎壓數(shù)據(jù)不僅是飛機(jī)飛行安全監(jiān)控的一項(xiàng)重要內(nèi)容，而且課題往往關(guān)注飛機(jī)機(jī)輪在起飛和著地時(shí)機(jī)輪胎壓的變化情況，對分析飛機(jī)起降性能起著至關(guān)重要的作用，因此，設(shè)計(jì)出一種適應(yīng)于飛行試驗(yàn)的機(jī)輪胎壓測試技術(shù)已是迫切需要。

機(jī)輪胎壓測試系統(tǒng)主要由傳感器和信號處理分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)組成。

傳感器和數(shù)據(jù)發(fā)射分系統(tǒng)包括壓力傳感器組件、數(shù)據(jù)處理和無線發(fā)送等部分,具體包含傳感器組件、 傳感器模擬信號處理、 傳感器信號A/D轉(zhuǎn)換、RF 無線發(fā)送和電源管理等功能部分。傳感器組件用于實(shí)現(xiàn)胎壓和轉(zhuǎn)速的感傳測試,將物理信號轉(zhuǎn)換為電信號。傳感器模擬信號處理模塊實(shí)現(xiàn)傳感器輸出信號的放大、濾波等信號處理功能。傳感器信號A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)胎壓信號的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換,同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)封裝、數(shù)字信號再處理等功能。RF無線發(fā)送模塊(含天線)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線通信,將己封裝完成的數(shù)據(jù)幀以射頻方式發(fā)送給數(shù)據(jù)接收分系統(tǒng),進(jìn)行后續(xù)的處理。電源管理模塊主要實(shí)現(xiàn)傳感器和數(shù)據(jù)發(fā)射分系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換,將電池電壓轉(zhuǎn)換為內(nèi)部功能器件的輸出電壓。 數(shù)據(jù)接收分系統(tǒng)由RF接收模塊、控制功能模塊等組成, 作為整個系統(tǒng)的上位機(jī)功能。RF接收模塊(含天線)接收傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù),控制功能模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的解碼、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?shù)據(jù)采集分系統(tǒng)主要由通用采集器組成, 主要完成傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。機(jī)輪胎壓測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 機(jī)輪胎壓測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

2 傳感器和信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳感器和數(shù)據(jù)發(fā)射系統(tǒng)主要包括壓力傳感器組件、數(shù)據(jù)處理等部分，具體包含傳感器組件、傳感器模擬信號處理、傳感器信號A/D轉(zhuǎn)換等功能部分，工作流程圖如圖5所示。

圖5 傳感器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)工作流程圖

2.1 傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳感器作為胎壓測試系統(tǒng)的重要組成部分,其自身質(zhì)量的好壞直接影響到輪胎模塊整體的性能。針對飛機(jī)機(jī)輪的特點(diǎn)其機(jī)輪環(huán)境指標(biāo)如下:

a)胎壓測試范:0～4 MPa；

b)工作溫度范圍:-55～125 ℃。

根據(jù)飛機(jī)機(jī)輪環(huán)境要求，系統(tǒng)胎壓采集選擇了硅壓阻式壓力測量方法。硅壓阻式壓力傳感器是通過單晶硅的壓阻效應(yīng)，把單晶硅受到外界壓力轉(zhuǎn)換成電壓進(jìn)行測量，從而實(shí)現(xiàn)壓力的測量。硅壓阻式壓力傳感器的具有頻率響應(yīng)高、體積小、精度高、靈敏高等特點(diǎn)，同時(shí)具有高可靠特性，在強(qiáng)振動、大沖擊、腐蝕、強(qiáng)干擾等惡劣環(huán)境中正常工作。胎壓測試系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 胎壓測試系統(tǒng)示意圖

其中壓力敏感組件由硅壓阻感壓芯體和補(bǔ)償電路組件構(gòu)成。硅壓阻式壓力芯體是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)，在硅膜片的特定方向上擴(kuò)散4個等值半導(dǎo)體電阻構(gòu)成惠斯通電橋，硅壓阻壓力芯體原理如圖7所示[5-7]。

圖7 硅壓阻壓力芯體內(nèi)部原理圖

其中：

(1)

在無加壓情況下，芯體內(nèi)部電橋處于平衡狀態(tài)，當(dāng)膜片收到外界壓力作用時(shí)電橋失去平衡，在對電橋加激勵(恒壓或恒流)，可得到與被測壓力成比例的輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)壓力的測量。

由于傳感器電橋電阻的形成是采用半導(dǎo)體材料的擴(kuò)散技術(shù)，故擴(kuò)散濃度的離散型以及電阻溫度系數(shù)的離散性均會引起傳感器的零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度漂移。根據(jù)成熟的硅壓阻壓力傳感器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)溫度補(bǔ)償措施后全溫區(qū)(-55～175 ℃)壓力芯體測量精度已優(yōu)于0.5%，可滿足飛行試驗(yàn)使用環(huán)境的測量要求。

胎壓傳感器安裝于機(jī)輪氣嘴側(cè)端，自身獨(dú)立供電，因此要求傳感器具有較長的使用壽命，在電池供電下這就要求胎壓傳感器要有盡可能低的功耗以保證較長的工作時(shí)間。

2.2 壓力信號處理

對壓力敏感組件輸出的 mV級信號的處理采用 TI公司的微功耗的軌對軌輸出式儀表放大器INA333實(shí)現(xiàn),將壓力信號放大為適合模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理的電壓信號。

該儀表放大器的性能參數(shù)如下:

a)供電電壓：1.8～5.5 V；

b)輸入電壓范圍(3V 供電)：0.1～2.9 V；

c)輸出電壓范圍(3V 供電)：0.05～2.95 V；

d)靜態(tài)電壓：50 μA；

e)工作溫度范圍：-40～125 ℃。

該儀表放大器還具有低偏執(zhí)電壓、 低輸入失調(diào)電流、 高頻濾波輸入等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于橋壓放大、壓力測量等領(lǐng)域。 選用具有內(nèi)部基準(zhǔn)的超小型、低功耗、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1115對LMT70輸出的信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。ADS1115具有一個內(nèi)部可編程增益放大器(PGA),該P(yáng)GA 可提供從電源電壓到低至士256 m的輸入范圍,因而使得能夠以高分辨率來進(jìn)行測量。 ADS1115 可以配置為2個差分輸入或 4 個單端輸入,內(nèi)部包含的低漂移電壓基準(zhǔn)可以節(jié)省硬件資源。ADS1115輸出的信號為數(shù)字信號,接口方式為IC,可以與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,完成信號處理工作。

3 無線發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)射模塊是輪胎模塊的重要組成部分,其自身質(zhì)量的好壞直接影響到輪胎模塊整體性的穩(wěn)定。同時(shí),發(fā)射模塊關(guān)系到數(shù)據(jù)的傳輸以及整個模塊的可靠性和準(zhǔn)確性。

考慮到胎壓監(jiān)測系統(tǒng)在機(jī)輪處安裝空間有限，因此設(shè)計(jì)將無線發(fā)射系統(tǒng)集成在傳感器模塊中，功能組成如圖8所示。

圖8 無線發(fā)射模塊功能原理圖

發(fā)射模塊是整合在傳感器模塊中,無線發(fā)射模塊基于無線胎壓監(jiān)測的應(yīng)用需求,針對性地集成了功能豐富的系統(tǒng)模塊。內(nèi)部除了工作在4 MHz的內(nèi)核外,還擁有6通道的10位ADC,雙通道的低功耗定時(shí)器。 512bRAM和8K大小的可用Flash,提供了足夠的代碼空間,同時(shí)還有64字節(jié)低電源參數(shù)寄存器,內(nèi)部晶振,低頻接收器,差分LF輸入檢測/解碼器,內(nèi)置1 GHz無線RF發(fā)射器等外設(shè)資源。胎壓監(jiān)測芯片內(nèi)置射頻發(fā)射器配置為315或434 MHz的載波發(fā)射頻率。無線發(fā)送前需要進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼,然后經(jīng)數(shù)據(jù)緩沖器發(fā)送到數(shù)據(jù)發(fā)送端, 進(jìn)行發(fā)送。

無線RF 數(shù)據(jù)傳輸格式為FSK格式,RF工作時(shí)鐘由外部晶振提供, 并由鎖相環(huán)(PLL)精確控制產(chǎn)生434 MHz或315 MHz的高頻載波來進(jìn)行射頻數(shù)據(jù)通信。機(jī)載環(huán)境包含大量復(fù)雜的電子設(shè)備,在多種電子設(shè)備同時(shí)工作時(shí)會產(chǎn)生大量電磁噪音。 RF 模塊對電磁噪音非常敏感, 為避免電磁噪音的干擾, 在靠近電源引腳配置了濾波電容C11和C10構(gòu)成本模塊的濾波電路。 此電路能夠很好地抑制噪音, 提高整個模塊的可靠性。

本系統(tǒng)設(shè)定調(diào)制頻率為434 MHz，外部晶振頻率則應(yīng)為32 MHz，電路原理如圖9所示。NX3225SA是26 MHz的貼片無源晶振。內(nèi)部的鎖相環(huán)電路利用此晶振為發(fā)射器提供穩(wěn)定的載波頻率和信息傳輸速率。

圖9 晶振電路原理圖

天線匹配電路中最重要的工作是天線阻抗匹配，保證發(fā)射模塊無線信號以設(shè)計(jì)的最大功率發(fā)射出去，從而實(shí)現(xiàn)良好的通信效果。本方案L為需要設(shè)計(jì)的天線。

圖10 天線匹配電路原理圖

根據(jù)阻抗匹配原理及經(jīng)典LC振蕩電路公式推導(dǎo)，可得出具體的天線接收電路參數(shù)。其具體推導(dǎo)過程如下：

(2)

(3)

R=Qmax2πfoL

(4)

(5)

f0取134.2 kHz,C取220 pF。L=7 mH，QL>50。ΔL，ΔC取5%誤差。ΔL=0.1f0

(6)

R=Qmax2πfoL=51.3k

(7)

最終天線接收電路參數(shù)為：

L=7 mH±5%，QL>50；C=220 pF±5%；R=51.3 k Ω±1%

4 數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，將傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。核心為高集成度、低功耗的收發(fā)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、解碼、數(shù)據(jù)上傳等。圖11為數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖11 數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)內(nèi)核結(jié)構(gòu)圖

接收系統(tǒng)工作時(shí)需要通過軟件來設(shè)置與數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)相匹配一致的參數(shù)信息，包括載波頻率、頻率偏差、比特率、前數(shù)據(jù)編碼等信息。同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)CAN總線通訊將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳。圖12為數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)RF部分接收功能原理圖。

圖12 數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)RF接收功能原理圖

為保證系統(tǒng)通信的可靠性，對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)編碼，使數(shù)據(jù)信息以固定的數(shù)據(jù)幀格式編碼傳輸。

RF傳輸時(shí)數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖13所示，包含同步字節(jié)、字長、地址信息(胎壓ID)、數(shù)據(jù)信息(壓力)、2字節(jié)的CRC校驗(yàn)和停止位。

圖13 數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

1) 同步字：用于確保時(shí)鐘同步；

2) 地址信息：用于辨別信息來源，設(shè)置輪胎與模塊的對應(yīng)關(guān)系；

3) 數(shù)據(jù)位：包含采集到的輪胎壓力等信息；

4) 校驗(yàn)位：利用模塊生成的CRC校驗(yàn)碼，檢驗(yàn)接收數(shù)據(jù)的正確性；

5) 停止位：用來表示一個數(shù)據(jù)幀的發(fā)送完成。

數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)設(shè)置傳輸數(shù)據(jù)格式為FSK頻移鍵控法[8](利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息，用2個不同的頻率代表二進(jìn)制0、1，抗噪聲和抗衰減性能好)數(shù)據(jù)格式，載波射頻頻率設(shè)置為434 MHz(或其它載波頻率)，頻率偏差50 Hz，比特率為19.2 Kbps，NRZ不歸零碼模式，3字節(jié)的幀頭字節(jié)，同步值和校驗(yàn)信息。發(fā)送機(jī)端設(shè)置信息也必須與上述設(shè)置信息相匹配。數(shù)據(jù)接收上傳流程圖如圖14所示。

圖14 數(shù)據(jù)接收及上傳流程示意圖

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

首先進(jìn)行系統(tǒng)的準(zhǔn)確性檢測，在實(shí)驗(yàn)室采用外接標(biāo)準(zhǔn)壓力源的方式分別對基于無線傳輸?shù)臋C(jī)輪胎壓測試系統(tǒng)，采樣率均為32 Hz， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)測試數(shù)據(jù)

從表中的絕對誤差結(jié)果來看，系統(tǒng)測試誤差均小于0.5%，達(dá)到了飛行試驗(yàn)機(jī)輪胎壓測試精度要求。

進(jìn)行無線測試系統(tǒng)的時(shí)延測試，通過瞬間增大壓力，在數(shù)據(jù)采集端分別讀取機(jī)輪胎壓測試系統(tǒng)和傳統(tǒng)壓力傳感器采集到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，如圖15所示，對比兩者數(shù)據(jù)，以時(shí)間軸為基準(zhǔn)，確認(rèn)壓力值突起點(diǎn)的時(shí)間差，即作為系統(tǒng)的時(shí)延值。通過圖中時(shí)間軸對比，傳統(tǒng)模式測試系統(tǒng)在壓力突變響應(yīng)時(shí)刻為10∶56∶44.758,而基于無線傳輸?shù)臋C(jī)輪胎壓測試系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)刻為10∶56∶44.978，得出數(shù)據(jù)均延遲為200 ms左右，能夠滿足飛行試驗(yàn)任務(wù)需求。

圖15 機(jī)輪胎壓測試系統(tǒng)時(shí)延對比測試

6 總結(jié)

本文在分析了傳統(tǒng)胎壓測試的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對飛行試驗(yàn)領(lǐng)域飛機(jī)機(jī)輪胎壓的測試需求特點(diǎn)，研究了基于無線傳輸?shù)臋C(jī)輪胎壓測試技術(shù)，提出了一種基于無線傳輸?shù)臋C(jī)輪胎壓測試方法，對其系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、胎壓采集原理、數(shù)據(jù)收發(fā)無線通信技術(shù)、供電設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的探討和研究，設(shè)計(jì)了一種基于無線傳輸?shù)臋C(jī)輪胎壓測試系統(tǒng)，為機(jī)輪胎壓的采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了技術(shù)方法和支撐。通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，基于無線傳輸?shù)臋C(jī)輪胎壓測試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)0～4 MPa的壓力測試,通過對比實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)的有線壓力測試延遲約200 ms，試驗(yàn)結(jié)果滿足飛行試驗(yàn)的測試需求，未來可以應(yīng)用在飛行試驗(yàn)中滿足飛機(jī)性能試飛和安全監(jiān)控的需要。