CN106814648A - 一种非接触式光电滑环装置控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式光电滑环装置控制系统，其特征在于，包括AD采集模块、控制模块、激光接收模块和显示模块，所述激光接收模块包括串并转换模块、串行接收模块、信号调理模块和以太网封装模块，所述AD采集模块和控制模块电连接，所述控制模块和激光接收模块电连接。本发明将信号或能量从一个高速旋转的平台通过非接触方式不间断传输到另一静止平台，在功能实现上相当于非接触式的光电滑环。这种非接触光电数据传输装置具有长寿命、适应转速范围宽、体积小、质量轻、速率快、功耗低、抗干扰能力强等优点,非常适合应用于高速离心旋转的机械设备的数据采集实时传输。

Description

一种非接触式光电滑环装置控制系统

技术领域

本发明涉及无线激光通信技术领域，尤其涉及一种非接触式光电滑环装置控制系统。

背景技术

电滑动环依靠电刷与环壁接触，从转动的金属环向静止环传输电力电流和数据信号。电滑动环的技术出现的较早，相对比较成熟，应用广泛。然而随着对信号带宽要求越来越高，如视频信号、多媒体信号等等，电滑动环明显表现出潜在的局限性。带宽低是电滑动环一个较大的弱点，此外电互连本身存在的时钟扭歪、能耗大和抗干扰性差等缺点使得电滑动环只适合一些速率较低的信号传输。对于一些高频和高速信号，信号的误码率会显著增加。由于电滑动环是依靠电刷传输信号，电刷的质量将严重影响信号的传输质量。电刷与环壁之间的摩擦是不可避免的，这也限制了其在高速离心旋转设备中的应用。目前,国内外纷纷开始针对高速运动物体和各类旋转部件的近距遥测系统进行基于无线数据传输技术的参数遥测研究和应用。如在航空发动机研究方面,国外大型航空公司GeneralElectric，Rolls-Royee，Pratt-whiiney等,在其强大的财力支持下,采用目前先进的参数遥测系统,对发动机转子部件特性进行了全面而细致的试验研究,从而使其在先进性能发动机的研制能力上保持世界领先。国内在这些旋转部件设计过程中主要依靠理论计算，即使开展实验研究,一般只能在低转速下,采用电刷式集流器等传统的数据采集设备进行参数的模拟信号传输,测试结果误差较大,并且只具有较少的测量通道,不能满足较多点参数的并行采集,导致实验数据不充分,从而使航空发动机的研制水平受到较大的影响。因此,有必要瞄准国外的先进技术,开展面向旋转部件的参数遥测技术研究,为汽车轮胎等旋转部件参数测量提供高效的测试设备。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种非接触式光电滑环装置控制系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种非接触式光电滑环装置控制系统，包括AD采集模块、控制模块、激光接收模块和显示模块，所述AD采集模块用来感应电能处理模块，及数据串行化处理模块集成在一起处理，电路集成程度高，在高速旋转时产生的离心力小，所述控制模块包括并串转换模块、激光控制模块、采样控制模块和电源管理模块，所述并串转换模块将数据串行输出到光电转换模块，所述采样模块按照同步信号要求对32通道模拟信号进行采样，采样频率50 KHZ，通过4组多通道的模数转换器完成采样，并控制时序放入FPGA内的FIFO进行缓存,按照非同步信号要求对128通道模拟信号进行采样，使用8路16选1的多路模拟开关切换对每通道采样频率为50 KHZ的数据采集，并放入FPGA内的FIFO进行缓存，从而完成160通道50 KHZ采样频率的控制，所述激光接收模块包括串并转换模块、串行接收模块、信号调理模块和以太网封装模块，所述AD采集模块和控制模块电连接，所述控制模块和激光接收模块电连接，所述激光接收模块和显示模块电连接。

优选地，所述电源管理模块包括稳压器和继电器，稳压器用来稳定电路的，当电路出现不稳定的情况时，继电器可以及时对电路进行控制。

优选地，所述控制系统采用非接触式感应模块供电，通过感应的方式进行供电可以避免接触的时候电路出现不稳定的情况或者威胁人体安全。

优选地，所述以太网封装模块采用的网络模式为3G网络或者4G网络，通过3G或者4G网络可以有效的将数据传输出去。

优选地，所述AD采集模块的硬件电路部分分为模拟及数字处理两部分。模拟部分包括多路模拟通道选择，模拟量信号调理电路，模数转换电路，由精密仪表放大器，AD转换芯片AD8568等硬件电路组成。

优选地，所述激光接收模块的接收端模块主要包括:光电探测器、max3747 前置放大器，高速数模转换电路，FPGA，USB驱动模块等。

本发明是一种高速旋转的机械设备上的，实现多通道数据采集并通过光电传输至地面静止设备进行实时显示记录的设备，实现160路模拟量采集，其中32路同步采集，128路非同步采集，采样频率大于50 KHZ,采样精度>1%，而且为了克服采集系统高速旋转导致的离心力，数据采集传输模块集成度高，体积小，质量轻，便于进行安装，且整体通过非接触式感应模块供电，然后利用FPGA实现所有通道数据串行化编码后，再通过光电传输模块发送，之后安装在地面上的接收模块接收上述信号，并实时处理送入计算机，最后通过软件显示并存储，最后将多通道AD采集处理模块，感应电能处理模块，及数据串行化处理模块集成在一起处理，电路集成程度高，在高速旋转时产生的离心力小。在装置中使用了无线激光传输技术，这是一种非接触式通讯模式，较其他通信方式（如红外、无线电射频技术）具有更高的可靠性、更快的数据传输速率，更强的抗电磁干扰能力，该发明将信号或能量从一个高速旋转的平台通过非接触方式不间断传输到另一静止平台，在功能实现上相当于非接触式的光电滑环。这种非接触光电数据传输装置具有长寿命、适应转速范围宽、体积小、质量轻、速率快、功耗低、抗干扰能力强等优点,非常适合应用于高速离心旋转的机械设备的数据采集实时传输。

附图说明

图1为本发明提出的一种非接触式光电滑环装置控制系统的连接框图；

图2为本发明提出的一种非接触式光电滑环装置控制系统的FPGA内采集控制时序图；

图3为本发明提出的一种非接触式光电滑环装置控制系统的FPGA内接收处理时序图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1-3，一种非接触式光电滑环装置控制系统，包括控制系统，控制系统采用非接触式感应模块供电，通过感应的方式进行供电可以避免接触的时候电路出现不稳定的情况或者威胁人体安全，所述控制系统包括AD采集模块、控制模块、激光接收模块和显示模块，所述AD采集模块用来感应电能处理模块，及数据串行化处理模块集成在一起处理，电路集成程度高，在高速旋转时产生的离心力小，AD采集模块的硬件电路部分分为模拟及数字处理两部分，模拟部分包括多路模拟通道选择，模拟量信号调理电路，模数转换电路，由精密仪表放大器，AD转换芯片AD8568等硬件电路组成，所述控制模块用来对系统整体进行控制，所述激光接收模块用来接收或者处理后的采集的数据，主要包括:光电探测器、max3747 前置放大器，高速数模转换电路，FPGA（逻辑处理电路），USB驱动模块等，所述显示模块用来将激光接收模块接收的数据呈现到显示屏上，所述控制模块包括并串转换模块、激光控制模块、采样控制模块和电源管理模块，所述并串转换模块将数据串行输出到光电转换模块，所述激光控制模块可以产生激光信号，然后通过放大电路转换为电信号并同时将串行的电信号转换为并行的数字信号，所述采样模块按照同步信号要求对32通道模拟信号进行采样，采样频率50 KHZ，通过4组多通道的模数转换器完成采样，并控制时序放入FPGA内的FIFO进行缓存；按照非同步信号要求对128通道模拟信号进行采样，使用8路16选1的多路模拟开关切换对每通道采样频率为50 KHZ的数据采集，并放入FPGA内的FIFO进行缓存，从而完成160通道50 KHZ采样频率的控制，所述电源管理模块用来给系统进行供电和稳定电路，且电源管理模块包括稳压器和继电器，稳压器用来稳定电路的，当电路出现不稳定的情况时，继电器可以及时对电路进行控制，所述激光接收模块包括串并转换模块、串行接收模块、信号调理模块和以太网封装模块，所述信号调理模块用来对收集的数据进行整理，以太网封装模块采用的网络模式为3G网络或者4G网络，通过3G或者4G网络可以有效的将数据传输出去，所述AD采集模块和控制模块电连接，所述控制模块和激光接收模块电连接，所述激光接收模块和显示模块电连接。

本发明中主要包括三个部分，分别为激光发射端设备，激光接收端设备，数据实时显示存储设备。

激光发射端设备为圆形对称结构，具体分为数据采集部分和激光发射部分。采集模块的硬件电路部分分为模拟及数字处理两部分。模拟部分包括多路模拟通道选择，模拟量信号调理电路，模数转换电路，由精密仪表放大器，AD转换芯片AD8568等硬件电路组成；通过FPGA的硬件电路，设置各通道的控制时序。按照同步信号要求对32通道模拟信号进行采样，采样频率50 KHZ，通过4组多通道的模数转换器完成采样，并控制时序放入FPGA内的FIFO进行缓存；按照非同步信号要求对128通道模拟信号进行采样，使用8路16选1的多路模拟开关切换对每通道采样频率为50 KHZ的数据采集，并放入FPGA内的FIFO进行缓存，从而完成160通道50 KHZ采样频率的控制，通过AD的启动转换，数据的自动缓存，最后利用并/串转换模块将数据串行输出到光电转换模块。激光发射器如果选择采用普通民用同轴光发射器和接收器，无法满足机械安装要求。由于原来的内置标准透镜焦距是固定的，且是对内部激光器和内部陶瓷插芯耦合对准的，直接用于外部空间传输，散光太快，达不到系统要求，因此需要特殊定制激光器以满足系统在外部空间传输的特性。

激光接收端设备接收端的功能是将调制过的激光信号转换成电信号，同时将串行的电信号转换为并行的数字信号。为了验证传输的正确性，在接收端增加了将数字信号转换为模拟信号的功能。接收端模块主要包括:光电探测器、max3747 前置放大器，高速数模转换电路，FPGA（逻辑处理电路），USB驱动模块等。

数据实时显示存储设备主要是软件设计，实现USB实时数据传输与记录。主要包括将缓存数据在屏幕上实时显示；将存储数据在屏幕上回调显示；将缓存数据按要求存储在本地硬盘中。首先将激光发射端模块安装到旋转主轴的工装内，并用定位螺钉固定好，使用千分表调整设备，使激光器的光轴与转子的主轴重合，使用动平衡仪器调整整个旋转设备的质量平衡，以便在高速下测试。将激光接收发射端模块安装在激光发射端模块对侧的自由度调整平台上，调整高度使得接收光器件光轴与转子轴重合。为了提高感应电能转换的效率，保证发射模块与接收模块的距离约3mm；由于本发明中的应用电路都属于高速电路，硬件设计过程中使用了多层板，阻抗匹配等高速电路设计方法，有效保证了信号完整性和电源完整性。此外，为了适应高速旋转的情况，减少附加离心力，转轴上的电路设计尽量简单、紧凑，结构对称，安装位置尽量靠近转轴中心。最后，对本装置进行试验验证，结果显示在高速旋转下实现了采集数据的实时显示与存储。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种非接触式光电滑环装置控制系统，其特征在于，包括AD采集模块、控制模块、激光接收模块和显示模块，所述AD采集模块用来感应电能处理模块，及数据串行化处理模块集成在一起处理，电路集成程度高，在高速旋转时产生的离心力小，所述控制模块包括并串转换模块、激光控制模块、采样控制模块和电源管理模块，所述并串转换模块将数据串行输出到光电转换模块，所述采样模块按照同步信号要求对32通道模拟信号进行采样，采样频率50 KHZ，通过4组多通道的模数转换器完成采样，并控制时序放入FPGA内的FIFO进行缓存,按照非同步信号要求对128通道模拟信号进行采样，使用8路16选1的多路模拟开关切换对每通道采样频率为50 KHZ的数据采集，并放入FPGA内的FIFO进行缓存，从而完成160通道50 KHZ采样频率的控制，所述激光接收模块包括串并转换模块、串行接收模块、信号调理模块和以太网封装模块，所述AD采集模块和控制模块电连接，所述控制模块和激光接收模块电连接，所述激光接收模块和显示模块电连接。

2.根据权利要求1所述的非接触式光电滑环装置控制系统，其特征在于，所述电源管理模块包括稳压器和继电器，稳压器用来稳定电路的，当电路出现不稳定的情况时，继电器可以及时对电路进行控制。

3.根据权利要求1所述的非接触式光电滑环装置控制系统，其特征在于，所述控制系统采用非接触式感应模块供电，通过感应的方式进行供电可以避免接触的时候电路出现不稳定的情况或者威胁人体安全。

4.根据权利要求1所述的非接触式光电滑环装置控制系统，其特征在于，所述以太网封装模块采用的网络模式为3G网络或者4G网络，通过3G或者4G网络可以有效的将数据传输出去。

5.根据权利要求1所述的非接触式光电滑环装置控制系统，其特征在于，所述AD采集模块的硬件电路部分分为模拟及数字处理两部分，模拟部分包括多路模拟通道选择，模拟量信号调理电路，模数转换电路，由精密仪表放大器，AD转换芯片AD8568等硬件电路组成。

6.根据权利要求1所述的一种非接触式光电滑环装置控制系统，其特征在于，所述激光接收模块主要包括:光电探测器、max3747 前置放大器，高速数模转换电路，FPGA，USB驱动模块等。