CN113281052B - 一种内燃机活塞表面温度低频采集的无线测温发射控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内燃机活塞表面温度低频采集的无线测温发射控制器,属于发动机及电子电路和通讯技术领域,包括温度信号采集模块,所述温度信号采集模块输出端连接有AD转换模块,所述AD转换模块输出端连接有无线发射模块。本发明中,通过设计的温度信号采集器和AD模块,整体结构小型轻量化、便于在发动机缸内狭小复杂环境中安装,满足发动机中可靠性与热负荷试验的测温要求,同时通过电源模块实现对控制器的供电,并且提高对控制器的防静电能力,防止因静电等此类瞬态干扰事件导致的异常产生,提高工作状态稳定性,有效适配活塞的运动的复杂环境,提高实时测量的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于发动机及电子电路和通讯技术领域,尤其涉及一种内燃机活塞表面温度低频采集的无线测温发射控制器。
背景技术
内燃机作为热效率最高的动力装置在交通运输领域具有难以替代的地位,特别是在货运、客运以及船舶运输中,更是发挥着举足轻重的作用。在内燃机中,活塞是一个“心脏”部件,起着热功转换、流场组织、燃烧组织等关键作用。但活塞的工作条件非常苛刻,与高温燃气(2500K)直接接触,且经受着交变热应力和交变机械应力的耦合作用,易出现烧蚀、开裂、拉缸等机械故障,测量活塞温度是评价其热负荷与可靠性的重要基础。
目前工程中常用的测温方法是硬度法,该方法不能实时测量活塞的温度数据,且费时费力,试验效率低下,且活塞一直在做往复运动,且处于密闭、电磁干扰、高温、高压的恶劣环境,寻常测温设备无法在该环境下工作,因此,发动机可靠性开发中急需要一种可靠的实时测量机构,便于评价和调校活塞的热负荷。
发明内容
本发明的目的在于:为了解决活塞一直在做往复运动,且处于密闭、电磁干扰、高温、高压的恶劣环境,寻常测温设备无法在该环境下工作,因此,发动机可靠性开发中急需要一种可靠的实时测量机构,便于评价和调校活塞的热负荷的问题,而提出的一种内燃机活塞表面温度低频采集的无线测温发射控制器。
为了实现上述目的,本发明采用了如下技术方案:
一种内燃机活塞表面温度低频采集的无线测温发射控制器,包括温度信号采集模块,所述温度信号采集模块输出端连接有AD转换模块,所述AD转换模块输出端连接有无线发射模块,且温度信号采集模块、AD转换模块和无线发射模块输入端均电性连接有电源模块,所述温度信号采集模块包括热电偶和一阶低通RC滤波器,所述热电偶安于活塞待测点,用于感知活塞的温度变化并转化为电压信号,所述热电偶输出端与一阶低通RC滤波器输入端相连接,且一阶低通RC滤波器输出端与AD转换模块输入端相连接,所述AD转换模块包含ADC芯片及其外围电路,所述ADC芯片通过I2C总线与所述无线发射模块输入端相连接,所述无线发射模块包含主控芯片FXTH以及天线,且主控芯片FXTH与ADC芯片输出端相连接,所述主控芯片FXTH通过天线与无线接收板通讯连接。
作为上述技术方案的进一步描述:一阶低通RC滤波器滤掉高频噪声,输入至所述AD转换模块转换为数字信号,以I2C协议传输至所述主控芯片,再由天线发送至外部无线接收器,完成整个测量与发送过程。
所述ADC芯片型号为ADS1115BQDGSRQ,以下简称ADS1115,用于实现16位高精度双通道采样,通过I2C总线与所述主控芯片FXTH连接,且主控芯片型号为FXTH870911DT1,以下简称FXTH,用于依靠I2C总线的可拓展性实现多通道的信息输入。
作为上述技术方案的进一步描述:16位高精度双通道采样实现多通道的可拓展性输入需要。
所述主控芯片FXTH用于控制系统的运行,且主控芯片FXTH具有温度传感器和压力传感器,所述主控芯片FXTH外接ABM11AIG晶体振荡器,用于提供时钟信号,所述晶体振荡器频率为26MHz。
作为上述技术方案的进一步描述:具有射频发射和接收功能,可以承受125℃的高温,提高装配适应性。
所述主控芯片FXTH采用U.FL-R-SMT-1(10)插座作为连接器与天线连接,且信号发射中心频率为433MHz。
作为上述技术方案的进一步描述:可将从ADC转换模块输入的数字电压信号处理,提高信号转换稳定性。
所述电源模块包括电池和静电保护器件,所述静电保护器件包含多个ESD二极管和TVS二极管,且ESD二极管包括LC03CI和ESD7C3.3DT5G,稳压二极管型号为MMSZ4683。
作为上述技术方案的进一步描述:提高静电保护能力,以尽可能的防止因静电等此类瞬态干扰事件导致的异常产生。
所述电池为CR2450HR电池,且电池电压为3V。
作为上述技术方案的进一步描述:保证供电的可靠性。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
本发明中,通过设计的温度信号采集器和AD模块,整体结构小型轻量化、便于在发动机缸内狭小复杂环境中安装,可以在-40℃-125℃温度范围内正常工作,且测量误差小于3‰,峰值功耗小于25mW,待机功耗小于20uW,单次电池能够持续工作25000h,实现8通道0.01-1Hz采样,满足发动机中可靠性与热负荷试验的测温要求,同时通过电源模块实现对控制器的供电,并且提高对控制器的防静电能力,防止因静电等此类瞬态干扰事件导致的异常产生,提高工作状态稳定性,有效适配活塞的运动的复杂环境,提高实时测量的可靠性。
附图说明
图1为本发明无线测温发射控制器框图;
图2为本发明一阶低通RC差分滤波器电路图;
图3为本发明模数转换芯片及其外围电路;
图4为本发明主控芯片及其外围电路;
图5为本发明电源接口及其外围电路。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5,本发明提供一种技术方案:如图1所示,一种内燃机活塞表面温度低频采集的无线测温发射控制器,包括温度信号采集模块,所述温度信号采集模块输出端连接有AD转换模块,所述AD转换模块输出端连接有无线发射模块,且温度信号采集模块、AD转换模块和无线发射模块输入端均电性连接有电源模块,所述温度信号采集模块包括热电偶和一阶低通RC滤波器,所述热电偶安于活塞待测点,用于感知活塞的温度变化并转化为电压信号,所述热电偶输出端与一阶低通RC滤波器输入端相连接,且一阶低通RC滤波器输出端与AD转换模块输入端相连接,所述AD转换模块包含ADC芯片及其外围电路,所述ADC芯片通过I2C总线与所述无线发射模块输入端相连接,所述无线发射模块包含主控芯片FXTH以及天线,且主控芯片FXTH与ADC芯片输出端相连接,所述主控芯片FXTH通过天线与无线接收板通讯连接。
优选地:所述温度信号采集模块包括热电偶传感器和低通滤波器,所述热电偶传感器安装于活塞待测点,感知活塞的温度变化并将其转化为电压信号,经所述低通滤波器滤掉高频噪声后,输入至所述AD转换模块,所述低通滤波器采用一阶低通RC差分滤波器,用于过滤所述温度传感器输出电压信号中的高频噪声,所述低通滤波器具有结构简单,成本低,占用体积小等特点,且作为无源滤波器不需要额外供电,考虑混叠效应,所述AD转换芯片ADS1115的采样频率(调制器频率)为250kHZ,我们认为250kHZ的噪声衰减60dB时噪声已滤除,考虑到一阶低通RC滤波器每10倍频程衰减20dB,若衰减60dB则需要1000倍频程,即截止频率为250Hz,所述一阶低通RC差分滤波器电路为图2所示,一阶低通RC差分滤波器属于本领域专业人士所熟知的知识,其设计原理在此不在赘述;
作为本发明的一个优选实施例,电阻R1和电阻R2选用330欧姆,电容C1、C3选用0.1μF,C2选用1μF。
所述AD转换模块采用ADC芯片ADS1115,所述ADS1115芯片是一枚16位高精度双通道ADC,且以I2C协议与所述主控芯片FXTH进行信息传输。
优选地,参阅图3,所述AD转换芯片及其外围电路图,为尽量减少电路电源耦合,电源输入引脚必须接去耦电容;
作为本发明的一个优选实施例,在引脚8:VDD电源输入处选取0.1μF的去耦电容,即图3中C14;所述AD转换芯片与主控芯片FXTH以I2C总线相连,涉及ADS1115芯片引脚包括9:SDA,连接网络SDA,为I2C总线数据传输线;引脚10:SCL,连接网络SCL,为I2C总线时钟线,引脚2:ALERT/RDY,连接网络为RDY,用于指示信息转换完成状态,对于所述AD转换芯片引脚4:AIN0,5:AIN1,6:AIN2,7:AIN3,为两对差分信号输入通道,引脚4用于通道2的正极输入,引脚5用于通道2的负极输入,引脚6用于通道1的正极输入,引脚7用于通道1的负极输入。
进一步地,所述无线发射模块包含主控芯片FXTH以及高增益胶棒天线,参阅图4,所述主控芯片FXTH以I2C协议与所述AD转换芯片通信,此时主控芯片作为信号接收端,接收AD芯片输入的信号,涉及所述主控芯片FXTH的相关引脚包括引脚3:PTA1,连接网络SCL;引脚4:PTA0,连接网络SDA,其中引脚3用于为数据传输提供时钟序列,引脚4用于数据传输,根据I2C总线原理,SDA与SCL需要两个4.7K的上拉电阻,上拉至3V,即图4中电阻R5和电阻R6,所述引脚2作为数据准备,所述主控芯片FXTH外接频率为26MHz的无源晶振ABM11AIG作为时钟震荡源,涉及所述主控芯片引脚包括13:X1,14:X0,所述FXTH芯片通过引脚5:RESET与引脚15:PTA4/BKGD进行程序烧录,且均串联4.7K上拉电阻至3V,即图4中R8、R9,所述FXTH芯片通过外接天线来实现433MHz的无线通信,与外界进行信息交换,所述天线采用高增益胶棒天线,以外接的形式连接至整个控制板,通过天线插座U.FL-R-SMT-1(10)与主控芯片FXTH相连,所述天线插座U.FL-R-SMT-1(10)的引脚连接如下:3:CONT经天线匹配网络接至所述主控芯片FXTH的引脚11:RF,并连接一个TVS二极管ULC0521C,将可能产生的高压静电导入泄压地(即图5中的EMI_GND),从而保护天线,其余引脚接地。
优选地,所述天线匹配网络如图4所示,使用1pF的电容C9和39nH的电容C2以及100nH的电容C1组成π型天线匹配网络,保证天线正常工作。
进一步地,所述电源与电路保护模块选用CR2450HR电池为系统提供3V供电,所述主控芯片FXTH芯片与AD转换芯片ADS1115均采用3V供电;所述CR2450HR电池可在3V电压,15KΩ电阻的负载下工作25000h以上,考虑到工作环境的静电影响,本系统在每个暴露于外界的电气接口均设计了静电保护单元。
优选地,对于电源接口处的保护如图5所示,电源与泄压地(EMI_GND)和普通地(GND)之间分别连接ESD二极管,且ESD二极管包括LC03CI和ESD7C3.3DT5G,稳压二极管型号为MMSZ4683,用于对电路进行保护。
优选地,对于天线插座处的保护如图4中TVS二极管TVS2,所述TVS二极管选用二极管ULC0521C,此二极管具有极低的容抗、感抗,极大地降低了对附近天线匹配网络的影响。
工作原理:使用时,温度信号采集模块通过感知活塞的温度变化,并将其转化为等效电压信号,经一阶低通RC滤波器滤掉高频噪声,输入至所述AD转换模块转换为数字信号,以I2C协议传输至主控芯片,再由天线发送至外部无线接收器,完成整个测量与发送过程。
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 (3)
1.一种内燃机活塞表面温度低频采集的无线测温发射控制器,包括温度信号采集模块,其特征在于,所述温度信号采集模块输出端连接有AD转换模块,所述AD转换模块输出端连接有无线发射模块,且温度信号采集模块、AD转换模块和无线发射模块输入端均电性连接有电源模块,所述温度信号采集模块包括热电偶和一阶低通RC滤波器,所述热电偶安于活塞待测点,用于感知活塞的温度变化并转化为电压信号,所述热电偶输出端与一阶低通RC滤波器输入端相连接,且一阶低通RC滤波器输出端与AD转换模块输入端相连接,所述AD转换模块包含ADC芯片及其外围电路,所述ADC芯片通过I2C总线与所述无线发射模块输入端相连接,所述无线发射模块包含主控芯片FXTH以及天线,且主控芯片FXTH与ADC芯片输出端相连接,所述主控芯片FXTH通过天线与无线接收板通讯连接;
所述AD转换模块采用ADC芯片ADS1115,所述ADC芯片是一枚16位高精度双通道ADC,且以I2C协议与所述主控芯片FXTH进行信息传输;
所述ADC芯片及其外围电路,为尽量减少电路电源耦合,电源输入引脚必须接去耦电容; 在引脚8:VDD电源输入处选取0.1μF的去耦电容,即C14;所述ADC芯片与主控芯片FXTH以I2C总线相连,涉及ADS1115芯片包括引脚9:SDA,连接网络SDA,为I2C总线数据传输线;引脚10:SCL,连接网络SCL,为I2C总线时钟线,引脚2:ALERT/RDY,连接网络为RDY,用于指示信息转换完成状态;所述ADC芯片引脚4:AIN0,5:AIN1,6:AIN2,7:AIN3,为两对差分信号输入通道,引脚4用于通道2的正极输入,引脚5用于通道2的负极输入,引脚6用于通道1的正极输入,引脚7用于通道1的负极输入; 所述无线发射模块包含主控芯片FXTH以及高增益胶棒天线,所述主控芯片FXTH以I2C协议与所述ADC芯片通信,此时主控芯片作为信号接收端,接收AD芯片输入的信号,涉及所述主控芯片FXTH的相关引脚包括引脚3:PTA1,连接网络SCL;引脚4:PTA0,连接网络SDA,其中引脚3用于为数据传输提供时钟序列,引脚4用于数据传输,根据I2C总线原理,SDA与SCL需要两个4.7K的上拉电阻,上拉至3V,即电阻R5和电阻R6; 所述引脚2作为数据准备,所述主控芯片FXTH外接频率为26MHz的无源晶振ABM11AIG作为时钟震荡源,涉及所述主控芯片FXTH包括引脚13:X1,14:X0,所述主控芯片FXTH通过引脚5:RESET与引脚15: PTA4/BKGD进行程序烧录,且均串联4.7K上拉电阻至3V,即R8、R9,所述主控芯片FXTH通过外接天线来实现433MHz的无线通信,与外界进行信息交换,天线以外接的形式通过天线插座U.FL-R-SMT-1(10)与主控芯片FXTH相连,所述天线插座U.FL-R-SMT-1(10)的引脚连接如下:3:CONT经天线匹配网络接至所述主控芯片FXTH的引脚11:RF,并连接一个TVS二极管ULC0521C,将可能产生的高压静电导入泄压地EMI_GND,其余引脚接地; 所述天线匹配网络使用1pF的电容C9和39nH的电容C2以及100nH的电容C1组成π型天线匹配网络;
所述电源模块包括电池和静电保护器件,所述静电保护器件包含多个ESD二极管和TVS二极管,且ESD二极管包括LC03CI和ESD7C3.3DT5G;电源与泄压地EMI_GND和普通地GND之间分别连接ESD二极管,用于对电路进行保护。
2.根据权利要求1所述的一种内燃机活塞表面温度低频采集的无线测温发射控制器,其特征在于,所述ADC芯片型号为ADS1115BQDGSRQ,简称ADS1115,用于实现16位高精度双通道采样,通过I²C总线与所述主控芯片FXTH连接,且主控芯片型号为FXTH870911DT1,简称FXTH,用于依靠I²C总线的可拓展性实现多通道的信息输入。
3.根据权利要求1所述的一种内燃机活塞表面温度低频采集的无线测温发射控制器,其特征在于,所述主控芯片FXTH用于控制系统的运行,且主控芯片FXTH具有温度传感器和压力传感器,所述主控芯片FXTH外接ABM11AIG晶体振荡器,用于提供时钟信号,所述晶体振荡器频率为26MHz。
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