转矩数据无线采集系统设计

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1、第31卷第7期四川兵工学报2010年7月【自动化技术】转矩数据无线采集系统设计崇贺焕ft．0，石晓辉，李文礼(重庆理工大学汽车零部件制造及检测技术省部共建教育部重点实验室，重庆400050)摘要：针对目前国内外在测定动态扭矩信号时所存在的问题，应用ADuC812高性能单片机和无线数字通讯技术，设计了一款转轴扭矩数据无线采集系统。该系统实现了对旋转轴转矩的无线监测，能对采集的数据进行CRC校验以降低误码率，并对所设计的转矩数据无线采集系统进行了标定，试验表明，该装置测量精度高、操作方便、制造费用低。关键词：元线传输；数据采集；扭矩；CRC校验中图分类号：TP216文献标识码：A文章

2、编号：1006—0707(2010)07—0101—03转矩信号是各种动力机械运行状态监测、安全与优化机，再经串El送到上位机Pc，采集系统总体结构如图1控制和故障识别预报的主要信息源。目前在旋转动力传所示。递系统中测量转矩信号时，最棘手的问题是旋转件上应变桥的桥压如何输入以及检测到的应变信号输出如何可靠的在旋转件和静止部分之间进行传递。通常的做法是用导电环来完成，但是使用导电环限制了旋转轴的转速，且存在电导滑环的磨损，寿命有限等问题。同时，由于接触不可靠引起信号波动，因而导致测量误差增大甚至测量不图1采集系统总体结构成功。为了克服导电环的缺陷，本文中采用了无线传输技术，设计了一

3、款转矩数据无线采集系统。无线传输技术利2信号采集模块设计卜用空间传播无线电波，电磁波或光波来传输信号，较好的信号采集部分主要由应变型传感器、调理电路、解决了有线传输方式存在的一系列问题。无线传输方式ADuC812单片机、集成无线数据收发芯片nRF2401等就是要将应变电桥输出的微弱电压信号经过前置处理后，组成。通过无线传输的方式传送到静止的分析仪器或设备。根2．1传感器及调理电路据无线传输实现机理的不同，现较为常见的有无线电式无本设计中，在旋转轴的表面贴上4片性能完全相同的线传输、红外式无线传输和感应式无线传输等3种，本系统电阻应变片，4片应变片在圆周上每隔90。作均匀分布，其采

4、用的是无线电式无线传输。试验证明该系统可以对扭灵敏轴相互垂直并与转轴轴向成45。角，如图2所示。矩传感器采集的数据进行远程无线传输，它的传输距离可以达到几十米。l系统总体设计该系统主要由硬件和软件两大部分组成。硬件由传感器、调理电路、单片机、无线收发模块和计算机等组成，软件控制部分采用C语言编写，本文中主要介绍硬件设计部分。图2应变片布置示意图旋转轴由于受扭矩的作用产生应力和应变，贴在轴上的应变片传感器将获得的应变信号转变成电压信号输入当转轴以转速n旋转时，电阻应变片R、R阻值增加，到放大器进行放大，再经过低通滤波后输入单片机进行R、R阻值相应减小，由传感器原理的相关知识可知其阻

5、A／D转换，将转换后的数字信号通过无线发射模块进行传值的变化量与旋转轴的转矩成正比。将4个电阻应变片组输。无线收发模块将接受到的转矩信号上传给接收单片{I}收稿日期：2009—12—16作者简介：贺焕利(1984一)，女，硕士研究生，主要从事汽车测试技术研究。102四川兵工学报成差动电桥，电桥的输出桥压输出值经过标定可换算成为croConverter系列ADuC812，它是以8052为核心的微控制扭矩的大小。采用全桥接法，克服了温度梯度对测量带来器。芯片上集成了8通道、高精度的12bitADC，内置采样的误差，电桥的输出电压为保持器，最高采样速率为200kHz，所以在系统电路中不

6、必另加A／D转换芯片，简化了电路设计。其A／D转换器是：0(一百AR2+一百AR4)=由电容式DAC的常规逐次逼近转换器组成，片内提供高精1f／K(s度、低漂移并经校准的2．5V基准电压。使用片内A／D转l—2+s3—)换器、PGA及电压基准对传感器输出信号进行处理和采其中K是应变灵敏系数。集，减少了外部电路的使用，使电路简化，干扰减小，从而传感器将旋转轴的扭矩转化成相应的模拟电压，其电提高精度。压范围为毫伏级。为丁方便后续处理中必须采用调理电采集模块与接收模块之问的数据传输，选择了挪威路对所采集的信号进行放大。调理电路包括电压放大电Nordic公司开发的一款新型集成无线数据收发

7、芯片路和信号滤波电路。nRF2401。nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2．4～为了对采集的扭矩信号进一步的放大和降低噪声，防2．5GHzISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶止频率混叠，设计中直接采用了一级有源滤波器电路。应体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通用有源滤波器设计手册及电路的能力设计所得滤波器特过程序进行配置。芯片能耗非常低，以一5dBm的功率发性如下：Fc=200Hz，K=10，增益lO，滤波器截止频率为射时，工作电流只有10．5mA，