一种应用于高速转轴的无线传输技术的设计实现

孙恒坤

（中国飞行试验研究院 陕西省西安市 710089）

在机械结构中，转动部件中的转轴应用广泛，但在转轴转动的过程中，既要承受弯矩也要承受扭矩，同时，还会在转动过程中，由于轴承摩擦、安装水平度不够或者润滑不良等造成转轴的温度升高、摩擦力大等问题。因此，在转轴转动工作的过程中就需要对其扭矩、弯矩、温度等信息进行采集，以此来控制转速减小对转轴的损伤，同时也能够预估转轴的寿命，及时更换，防范不安全问题的发生。如何有效快速实时的测量转轴的参数信息成为迫切解决的问题。本文提出了一种应用于高速转轴的无线传输技术，该技术可靠性强，可用于其他旋转部件的参数测量应用中。

由图1可知，用于高速转轴的无线测量系统主要由转轴参数采集发射部分和射频信号接收处理部分两组成。其中，转轴参数采集发射部分的主要功能是为将传感器输出的信号进行处理，然后经过射频发射部分将参数通过天线发射出去，射频信号处理部分主要功能是采用接收天线装置将数字信号码流进行处理并将有效数据转换成RS-422 等数据类型的数据发送给后端设备。

1 无线传输系统的硬件设计

1.1 无线传输系统结构

无线数据传输部分硬件结构框图如图2所示。在无线数据传输的过程中，将传感器输出信号经过处理后通过ADC 采集模块转换成数字信号，然后经过微处理器和射频发射模块进行调制和发射，将射频信号通过天线发送到射频信号处理部分的射频接收模块和解调模块中进行滤波解调等过程，将最终的FSK 信号码流解调出来，发送至主控模块中进行射频信号的提取和处理，从FSK 码流中提取有效的数据，并识别其包含的数据帧格式，完成校验确认后，送入后端的RS422 数据编码单元，完成RS422 数据的发送。

1.2 微处理器

其中微处理器选用的是德州仪器（TI）的CC1310作为开发平台，CC1310 器件在支持多个物理层和RF 标准的平台中将灵活的超低功耗RF 收发器和强大的48MHz Cortex-M3 微控制器相结合。专用无线控制器（Cortex-M0）处理ROM 或RAM 中存储的底层RF 协议命令，从而确保超低功耗的灵活度。

CC1310 器件是一款高度集成、真正的单片解决方案，其整合了一套完整的RF 系统及一个片上DC-DC 转换器。CC1310 原理框图如图3所示，可以看出CC1310 由四大部分构成：主CPU 模块、RF 内核、通用外设和传感器控制模块。主CPU 模块是Coetex-M3内核，里面运行客户的应用程序、RTOS 和底层驱动；RF 内核包含了射频部分的所有功能并能够与主CPU 实现双向通信；通用外设则包括了各种通用总线（UART、IIC、SPI）、定时器、看门狗等。

1.3 巴伦电路

CC1310 的射频端是差分结构，差分电路具有高增益、抗电磁干扰、抗电源噪声、抗地噪声能力强、抑制偶次谐波等，属于平衡传输线。但是同轴电缆是单端结构，并且属于不平衡传输线，若将其直接连接，则同轴电缆的外皮就有高频电流流过（依据同轴电缆传输理论外皮是不流过电流的），这样一来，就会影响到天线的辐射。因此，就需要在电缆和芯片之间加入巴伦电路（平衡非平衡转换器），把流入电缆屏蔽层外部的电流扼制掉。射频发送模块设计主要由巴伦电路和一个5 阶滤波电路构成。巴伦电路后接一个由LC 构成的2 段π 型低通滤波器，截频1GHz。射频发送模块电路图如图4所示。

图1：无线传输系统的方案设计图

图2：无线数据传输系统硬件结构框图

图3：CC1310 原理框图

图4：射频发送模块电路图

2 无线传输系统的软件设计

CC1310 软件编程基于Code Composer Studio 平台实现，如图5所示，Code Composer Studio 包含了一整套用于开发和调试嵌入式应用的工具。它包含适用于每个TI 器件的编译器、源码编译器、项目构建环境、调试器、描述器、仿真器以及多种其它功能，CCS（Code Composer Studio）IDE 提供了单个用户界面，可帮助完成应用开发流程的每个步骤。

CC1310 动部件采集发射软件流程图如图6所示，可以看出软件在运行时主要完成初始化与参数赋值、参数调整、采集发送三个阶段。初始化阶段完成了GPIO、SPI 总线、内部Flash、RF 内核等的初始化。然后，从Flash 中读出上一次掉电前系统保存的关键参数（频点、增益、零位、发射功率、采样率等）并把其依次赋值给各种外设，完成参数的配置。随后系统会根据静部件接收机选择开关的使能情况判断是否进入参数调整阶段。在参数调整循环中可以对频点（多频点连续可调）、增益（四档可调）、采样率、发射功率（多档可调）进行调整并且可以完成调零指令。如果系统检测到静部件接收机的开关使能工作模式时则会进入采集发送子函数，采集发送子函数根据所设置的采样率产生定时器中断，在中断子程序内完成模数转换、队列调整和射频发送功能。

3 试验与验证

应用于转轴的无线测量系统在超转试验的表现中稳定可靠性强。在超转试验的环境条件下，转轴高达4000 转/分钟的参数经过了通电达数十个小时的实时测试过程，实验结果表明该系统工作性能稳定。

4 总结

转轴在转动部件中属于关键环节，在转动部件的工作条件下需要测量转轴的扭矩、弯矩、温度等参数信息，这对评估转轴的工作状态和使用寿命都有重要的作用。但由于转轴的转动特性使得测量必须选用无线测量方案来进行，因此，本文提出了一种应用于高速转轴的无线测量技术，同时该技术成功应用于某转轴的测量设计工作中，介绍了该无线测量系统的方案，还详细阐述了硬件结构，特别是主控制部分电路和射频发射模块电路，描述了与硬件结构配套的软件设计架构和思路，软硬结合最终应用于转轴的无线测量系统经过了超转试验，并且在4000 转/分钟的恶劣条件下工作性能稳定，可靠性强，可应用于其他转动部件的测量系统应用中。

图5：CC1310 软件编程平台

图6：射频发射嵌入式软件流程图