CN105225455B - 一种转台无线近程遥测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转台无线近程遥测系统，其特征在于：由发送端和接收端组成；所述的发送端安装在旋转轴内部，所述的接收端安装在转台外部的控制站上；本发明采用扩频调制与窄带数字调制相结合的方式，扩展了信号传输的带宽，提高了信号抗多径干扰的传输能力，降低了信号在超高转速下的误码率，保证了数据的可靠传输。采用同步编码和纠错编码相结合的方式，提高了数据的抗干扰能力和纠错能力，保证了在超高速条件下出现传输信道受扰时，具有极高的纠错能力，同时便于接收端的多路数据拆分以及后期数据处理；采用微处理器实现遥测功能，降低了电路设计的复杂度，缩小了电路的体积，集成度高、体积小、重量轻。

Description

一种转台无线近程遥测系统

技术领域

本发明涉及一种转台无线近程遥测系统，属于通信领域。

背景技术

超高速转台是高速旋转试验机旋转速度大于60000r/min的旋转设备，是用来模拟高速旋转工况，检测产品在真实工作条件下的工作状况及其性能指标的关键设备，也是研究模拟弹体运行环境的测试设备。解决在高速旋转条件下被测参量的可靠传输问题，是高速转台设计的一个技术关键。目前采用接触式和非接触式两种方式进行被测参量传输。

接触式方式主要是指各种类型的导电滑环(固体接触式导电环如电刷为导电介质、滚动接触式导电环、液体接触式导电环如水银为导电介质)。该种方式一般适用于20000r/m以下的低速转台，当超过20000r/m后，导电滑环就存在摩擦力矩变大、接触电阻变大、传递信号时噪声和失真大、磨损发热现象严重等问题。

非接触式信号传输可通过光、无线电或黑匣子等方式来实现。非接触式信号传输不存在水银泄漏、接触电阻波动大、转速限制多等问题，因此可以应用于高速转台中的信号传输。(1)光传输主要采用红外线光、可见光和紫外线光等。将光源发射端和接收管安装在旋转轴的轴线上，同时必须保证发射端和接收端的光路具有良好的指向性。这种方式适用于20000r/m到60000r/m的高速转台中的信号传输，当应用于旋转速度大于60000r/m的超高速转台时，为保证高要求的动平衡，光源发射端和接收设备在轴内的安装难度会明显增大，同时，由于在转速加速过程中存在多个共振点，会造成光源发射端发射的光源出现抖动、接收信号不稳定、信号传输丢失等现象。因此光传输方式不适用于超高速转台；(2)黑匣子抗磁干扰能力和耐冲击能力都比较强，这在高速旋转测试方面有较大的优势，但每检测完一次必须取出黑匣子，再由计算机调出记录数据，并用专用软件对数据进行处理再打印出来，过程比较繁琐，检测效率比较低，也不能做到对信号的实时检测；(3)无线传输技术如Zigbee、Bluetooth、Wi-Fi、FM等。Zigbee的设备成本低，但是传输的数据量小、数据速率低；Bluetooth能够在设备间实现数据和语音通信，但其相对覆盖范围小且网络容量小；Wi-Fi可移动性好、建网速度快，但通信质量却又不是很好；FM技术有许多优点，传输距离较远，普通产品的信号传输可以达到几十米的传输距离，改变接收天线灵敏度和发射功率后，即使是有墙壁的阻挡也不成问题；缺点方面，保密性不强，受到传输带宽的限制极易受到干扰，出现串频等现象，稳定性较差，尤其在超高速条件下误码率问题比较严重。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速转台无线近程遥测系统，解决在高速旋转条件下被测参量的可靠传输问题。

本发明的技术方案为：一种转台无线近程遥测系统，其特征在于：由发送端和接收端组成；所述的发送端安装在旋转轴内部，所述的接收端安装在转台外部的控制站27上；

发送端由多路I/O端口1、第一A/D转换模块2、信源编码模块4、调制模式选择器5、数据存储模块6、D/A转换模块7、上混频器8、射频功率放大模块9、发射天线10、USB接口11、第一Wi-Fi模块12组成；所述的信源编码模块4、调制模式选择器5在第一微处理器3中实现；

接收端包括接收天线13、低噪声放大模块14、下混频器15、低通滤波器16、自动增益控制17、第二A/D转换模块18、解调模块19、信源解码模块20、数据存储模块21、数据显示模块22、数据处理模块23、第二Wi-Fi模块24、数据总线25；其中所述的解调模块19、信源解码模块20在第二微处理器26中实现，所述的数据存储模块21、数据显示模块22和数据处理模块23在转台控制站27上实现；

测量传感器的输出端与多路I/O端口连接，所述的多路I/O端口1包括模拟I/O端口和数字I/O端口，其中所述的模拟I/O端口经A/D转换模块2转换后与信源编码模块4连接，所述的数字I/O端口直接与信源编码模块4连接；所述的信源编码模块4一方面经数据存储模块6将数据存储下来，再通过USB接口11或者Wi-Fi模块12传输到转台控制站27，另一方面经调制模式选择器5将编码后的数字信号调制到中频段，然后再经D/A转换模块7、上混频器8将中频段信号调制到高频段，然后经过射频功率放大模块9和发射天线10将信号发射出去；

所述的接收天线13经低噪声放大模块14对接收的信号放大、再经下混频器15将接收到的信号解调到中频段后，依次通过低通滤波器16、自动增益控制17、第二A/D转换模块18、解调模块19与信源解码模块20连接，将解调后的数据通过数据总线25分别输出到数据存储模块21、数据显示模块22和数据处理模块23上；

所述的信源编码模块4首先将所有种类的数据按照一定的数据帧格式打包编帧，对不同种类的信号分别加上不同的帧标志以示区别，然后对打包后的数据进行纠错。

有益效果：本发明采用扩频调制与窄带数字调制相结合的方式，扩展了信号传输的带宽，提高了信号抗多径干扰的传输能力，降低了信号在超高转速下的误码率，保证了数据的可靠传输。采用同步编码和纠错编码相结合的方式，提高了数据的抗干扰能力和纠错能力，保证了在超高速条件下出现传输信道受扰时，具有极高的纠错能力，同时便于接收端的多路数据拆分以及后期数据处理；采用微处理器实现遥测功能，降低了电路设计的复杂度，缩小了电路的体积，集成度高、体积小、重量轻，解决了在空间狭小的旋转轴内安装电路板的问题。本发明集成了数据存储模块、Wi-Fi模块，提供了多种数据传输模式，便于用户选择。本发明可以实现在低速、高速和超高速转台上多路被测参数遥测系统的一套系列化动作，从采集编码到调制发射，再到接收解调解码数据管理。采用多通道采集、多模式调制、多种传输方式，整体集成度高，真正解决了在高速转台中非接触式信号传输存在的问题，为模拟高旋弹、导弹、火箭等在高速高旋条件下的参数测量提供了技术手段。本发明可应用于高速转台旋转过程中的参数测量，同时可应用于模拟高旋弹、导弹、火箭等在有很大过载和振动的发射、飞行过程中的参数测量，也可推广到地震波或其他动载激振下岩土结构物破坏性状的测量领域的应用。

附图说明

图1为本发明的转台近程遥测系统发送端框图；

图2为本发明的转台近程遥测系统接收端框图；

图3为信源编码模块工作原理示意图；

图4为同步编码模块的流程图；

图5为调制模式选择器框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提供一种转台无线近程遥测系统，由发送端和接收端组成；所述的发送端安装在旋转轴内部，所述的接收端安装在转台外部的控制站27上。

如图1所示为发送端框图，多路I/O端口1包括8路模拟I/O端口和8路数字I/O端口，模拟I/O端口通过模拟跟随器28将8路模拟信号输入到第一A/D转换模块2后转化为数字信号，然后输入信源编码模块4，同时，8路数字I/O端口通过8路I/O隔离器29将8路数字信号输入信源编码模块4完成编码；信源编码模块4首先是同步编码模块30添加子帧头、序列号等完成数据打包，然后进行纠错编码以提高传输效率；调制模式选择器5中提供了窄带数字调制32和扩频调制33，将编码后的数据调制到中频段；经过D/A转换模块7、混频器8，将中频信号调制到高频段，然后连接射频功率放大模块9使已调信号通过发射天线10发射。此外，多通道被测参数可以通过数据存储模块6进行数据存储，在试验结束后，通过USB接口11进行有线传输，或者通过Wi-Fi模块12进行无线传输。本发明集成了数据存储模块、Wi-Fi模块，提供了多种数据传输模式，便于用户选择。

所述的第一A/D转换模块2以及信源编码模块4实现如图3所示。所述的第一A/D转换模块2采用的是芯片MAX1308。采集到的8路模拟信号经过8路模拟跟随器28对信号进行缓冲隔离之后与A/D转换模块2连接，然后接入到信源编码模块4中；8路数字信号输入到8路I/O隔离器29中以减少通道之间信号的相互干扰，然后直接进入信源编码模块4中。

所述的信源编码模块4包括同步编码模块30和纠错编码模块31，首先与同步编码模块30连接再接入到纠错编码模块31中。

所述的同步编码模块30是针对高速转台这种特殊的环境选择的一种编码。由于需要多路采集完成对转台各个方面的测试，为了将不同通道的采样数据高速存储以及后期处理，系统采用了同步编码，即将所有种类的数据按照一定的数据帧格式打包编帧，对不同种类的信号分别加上不同的帧标志以示区别。如图4所示，采用巴克码进行同步编码，在不同通道的数据之前添加通道号，插入长度分别为4位和16位的巴克码序列(转换成16进制)以及需要的子帧头和总帧头的打包编帧方式完成同步编码。其中第一帧数据只包括总帧头、子帧头、帧序列号、采样频率等系统参数和采样通道数，以后每帧数据按照第二帧数据格式进行打包编码。

所述的纠错编码模块31是针对数字信号在传输过程中，由于受到干扰的影响，特别是高速旋转的特殊环境下，码元波形有可能变坏以至于接收端可能产生错误判断而采用的一种差错控制编码技术。纠错编码是为了降低误码率，提高数字通信的可靠性而采取的编码，它按一定的规则人为引入冗余度。具体地讲，纠错编码就是在发送端的信息码元序列中，以某种确定的编码规则，加入监督码元，在接收端再利用该规则进行检查识别，从而发现错误，纠正错误。本发明中采用的是常见的线性分组码中的汉明码编码方式。分组码指的是其各码元仅与本组的信息元有关，与前面若干组的信息元无关；而汉明码是一种能够纠正错码且编码效率较高的线性分组码。

所述的调制模式选择器5包括传统窄带数字调制32和目前迅速发展应用的、抗干扰性强的扩频调制33如图5所示。

所述的传统窄带数字调制32采用的是传统的遥测调制方式BPSK。本发明采用FPGA作为微处理器实现BPSK调制功能。

所述的扩频调制33是一种宽带数字通信方式，本发明基于微处理器FPGA实现Chirp扩频编解码设计，采用DDS技术可以灵活地产生不同载波频率、不同脉冲宽度以及不同脉冲重复频率等参数构成的载波信号，从而产生线性度高、可编程、稳定性好、可靠性高的线性调频信号。

所述的上混频器8：由于之前的调制模式选择器5中均采用的是DDS技术，产生的载波频率有限，所以已调信号的频率并不是太高。如果频率不够，即信号包含的较低频率分量的波长较长，会导致天线过长而难以实现；经过变频，把信号的频谱搬至更高的载波频率上，以较小的发送功率与较短的天线来辐射电磁波，具有变频这种功能的电路称为变频器(或混频器)。为了区分发送端和接收端变频的不同，将发送端的变频称为上混频器，将接收端的变频称为下混频器。上混频和下混频的基本结构是可以通用的，但还是有所不同，上混频输入的是低频信号，一般为几十M级别，而下混频输入的是射频信号，一般可以达到GHz，所以输入端需要考虑信号的频率不一样而采用不同的结构。

所述的D/A转换模块7是将经过调制模式选择器5调制之后的数字信号转换成模拟信号，经低通滤波器滤除信号中的各种杂波分量后输出到上混频器8，经过射频功率放大模块9，再通过发射天线10发射出去。本发明采用DAC3282实现D/A转换功能。

如图2为超高速转台近程遥测系统接收端框图。接收端由接收和数据管理两部分组成。接收部分包括接收天线13、低噪声放大模块(LNA)14、下混频器15、低通滤波器16、自动增益控制(AGC)17、ADC模块18、解调模块19。其中，低噪声放大模块(LNA)14能够使信号电平在一定范围内增强，在不增加过多噪声的情况下使信号获得最大增益。下混频器15是对前端接收机接收到的信号进行混频解调，以得到中频信号，与发送端的上混频器8是逆过程。低通滤波器16和自动增益控制模块(AGC)17是解调设备中的重要组成成分，对信号进行放大以及滤除组合的干扰和噪声。ADC模块18是将接收到的模拟信号转变为数字信号以完成后续的数字解调。解调模块19包括BPSK解调和Chirp解调，在第二微处理器26中实现。信源解码模块20包括同步解码和纠错解码，在第二微处理器26中实现。所述的第一微处理器3、第二微处理器26均采用FPGA—xilinx公司的XC6VLX130T。

所述的信源解码模块20对应于发送端的信源编码模块4，包括同步编码模块30和纠错编码模块31对应的解码模块，即同步解码模块和纠错解码模块。在本发明中的同步编码模块中，用到的是巴克码，就是加帧头的方式，所以在解码时也同样需要以寻找帧头的方式来实现。在纠错解码模块中，同样是利用在发送端的信息码元序列中以某种确定的编码规则加入监督码元进行检查识别的方式，从而发现错误，纠正错误。

Claims (4)

1.一种转台无线近程遥测系统，其特征在于：由发送端和接收端组成；所述的发送端安装在旋转轴内部，所述的接收端安装在转台外部的控制站[27]上；

发送端由多路I/O端口[1]、第一A/D转换模块[2]、信源编码模块[4]、调制模式选择器[5]、数据存储模块[6]、D/A转换模块[7]、上混频器[8]、射频功率放大模块[9]、发射天线[10]、USB接口[11]、第一Wi-Fi模块[12]组成；所述的信源编码模块[4]、调制模式选择器[5]在第一微处理器[3]中实现；

接收端包括接收天线[13]、低噪声放大模块[14]、下混频器[15]、低通滤波器[16]、自动增益控制[17]、第二A/D转换模块[18]、解调模块[19]、信源解码模块[20]、数据存储模块[21]、数据显示模块[22]、数据处理模块[23]、第二Wi-Fi模块[24]、数据总线[25]；其中所述的解调模块19、信源解码模块[20]在第二微处理器[26]中实现，所述的数据存储模块[21]、数据显示模块[22]和数据处理模块[23]在转台控制站[27]上实现；

测量传感器的输出端与多路I/O端口连接，所述的多路I/O端口[1]包括模拟I/O端口和数字I/O端口，其中所述的模拟I/O端口经A/D转换模块[2]转换后与信源编码模块[4]连接，所述的数字I/O端口直接与信源编码模块[4]连接；所述的信源编码模块[4]一方面经数据存储模块[6]将数据存储下来，再通过USB接口[11]或者Wi-Fi模块[12]传输到转台控制站[27]，另一方面经调制模式选择器[5]将编码后的数字信号调制到中频段，然后再经D/A转换模块[7]、上混频器[8]将中频段信号调制到高频段，然后经过射频功率放大模块[9]和发射天线[10]将信号发射出去；所述的调制模式选择器[5]包括窄带数字调制[32]和扩频调制[33]两种调制模式，数字编码输出后进入调制模式选择器[5]中选择适当的调制模式将编码后的信号调制到中频段；

所述的接收天线[13]经低噪声放大模块[14]对接收的信号放大、再经下混频器[15]将接收到的信号解调到中频段后，依次通过低通滤波器[16]、自动增益控制[17]、第二A/D转换模块[18]、解调模块[19]与信源解码模块[20]连接，将解调后的数据通过数据总线[25]分别输出到数据存储模块[21]、数据显示模块[22]和数据处理模块[23]上；

所述的信源编码模块[4]首先将所有种类的数据按照一定的数据帧格式打包编帧，对不同种类的信号分别加上不同的帧标志以示区别，然后对打包后的数据进行纠错。

2.根据权利要求1所述的一种转台无线近程遥测系统，其特征在于：

所述的信源编码模块[4]包括同步编码模块[30]和纠错编码模块[31]，所述的同步编码模块[30]需要给其输入的数字信号添加通道号、序列号、子帧头和总帧头打包数据，其顺序是先给输入的数字信号添加通道号，然后添加序列号和子帧头，最后添加总帧头打包数据，实现从内到外一层层的编码；所述的纠错编码模块[31]是将同步编码模块[30]完成编码后的信号进行纠错处理。

3.根据权利要求2所述的一种转台无线近程遥测系统，其特征在于：

纠错编码模块[31]采用线性分组码中的汉明码编码方式。

4.根据权利要求1或2所述的一种转台无线近程遥测系统，其特征在于：所述窄带数字调制采用BPSK方式，扩频调制[33]采用线性调频chirp方式。