基于無線傳感網絡的獨立式PDE在線監測系統

張文龍，李江紅，裴承鳴，王 可，范 瑋

（西北工業大學 動力與能源學院，西安710072）

對于脈沖爆震發動機PDE 工作狀態的監測，目前國內外采用2 種方案。 一種是基于多通道高速數據采集儀的監測系統，由壓電式壓力傳感器、電荷放大器、多通道高速數據采集儀組成。 另一種是以臺式計算機和多功能數據采集卡為硬件平臺，以Lab Windows/CVI 和MatLab 為軟件平臺的PDE 智能測試系統[1-3]。 這2 種方案可以滿足臺架試驗需求，卻無法滿足獨立式PDE 監測需求。 究其原因，主要是：①質量較重的電荷放大器、高速數據采集儀和臺式計算機較難移動；②臺式計算機和高速信號采集儀需要220 V 交流供電，外場無法運行；③外場不具備隔離觀察條件， 研究人員無法近距離操作數據采集系統以完成監測任務[4]。

針對獨立式PDE 監測系統信號遠程傳輸、便攜性強、電池供電等需求，將傳感器、嵌入式、無線傳感網絡、數據存儲與管理和智能監測技術融合在一起，設計了在線監測系統。 實現了爆震腔壓力信號高速采集，數據實時在線處理，遠程傳輸，數據存儲與管理等功能。

1 系統的設計需求及整體方案

在外場試驗中，為避免強噪聲和爆震尾氣造成聽覺損傷及安全威脅，操作人員需保持在200 m以上距離處操作并觀察PDE 在線監測結果。 在滑跑試驗中，由于PDE 的運動，距離會進一步增大。

通常，需要3～4 只壓力傳感器實現爆震腔壓力監測，傳感器帶寬100 kHz，監測系統需要具備至少4 通道最小帶寬為200 kHz 的高速信號采樣功能。壓力波形和數據處理結果需要實時傳輸至觀察處，試驗人員根據試驗結果決策停止點火時間和后續試驗安排，根據以上分析，無線數據傳輸最小帶寬為6.4 Mb/s，以最大200 m 滑跑距離計算，通訊距離需達到400 m。為進一步分析，試驗數據需要被存儲管理，并通過導出接口導出。

系統應采用直流電池供電，消除對交流供電的依賴性；具備小型化、集成度高、重量輕的特征。

根據需求，提出基于無線傳感器網絡WSN（wireless sensor networks）的獨立式PDE 在線監測系統方案[5]。系統由PDE 在線監測單元、 手持單元和WiFi 中繼組成，如圖1 所示。在線監測單元部署于PDE 本體，手持單元移動部署，WiFi 中繼則部署在兩者中間。

在線監測單元由4 個WSN 數據傳感節點、1 個WSN 管理節點、電池、供電系統、電量監測模塊[6]組成，原理如圖2 所示。 圖中，數據傳感節點由電荷放大模塊、信號調理模塊、微處理器和無線通訊模塊組成，完成壓力傳感器信號處理、高速采集和數據無線傳輸功能；管理節點由微處理器、無線通訊模塊、系統指示模塊組成，完成電池電量監測，傳感節點同步，系統指示功能。

圖1 PDE 在線監測系統工作原理Fig.1 Schematic of PDE online monitoring system

圖2 PDE 在線監測單元原理Fig.2 Schematic of PDE online monitoring unit

手持終端由電池、 電源系統、 電量監測模塊、WSN 匯聚網關和WSN 控制器組成， 原理如圖3 所示。 圖中，匯聚網關由無線通訊模塊、微處理器模塊、以太網模塊組成，完成通訊協議轉換，傳感節點數據匯聚，實時數據處理和控制器交互功能；控制器由以太網模塊、存儲模塊、數據導出模塊、人機交互模塊組成，完成網絡管理，數據管理、存儲和導出，監測控制，數據呈現和人機交互功能。

圖3 手持單元原理Fig.3 Schematic of hand held unit

系統網絡拓撲結構如圖4 所示。圖中，4個數據傳感節點WSNDSN（manage synchronize node）在數據采集管理同步節點WSNMSN （manage synchro nize node） 的協調下，將高速采集的壓力信號通過WiFi 無線傳輸至數據中繼節點WSNDR（data relay），由 中繼節點將數據轉發至數據匯聚網關WSNCG（converge gateway），進行通訊協議轉換和報文重組， 然后通過以太網將數據發送至網絡控制器WSN-CL（controller），網絡控制器負責數據存儲、管理、可視化處理，通過人機交互接口獲取采集控制命令，發送至WSN-MSN，控制WSN-DSN 進行數據采集。

圖4 系統網絡拓撲Fig.4 Net topology of system

2 系統的硬件設計

系統硬件設計主要包括小型電荷放大器、傳感器信號調理、數據導出接口、電源管理設計。

根據壓電傳感元件的正壓電效應，壓電傳感元件可以等效為1 個電荷源Qa與1 個電容Ca并聯[7]。由于壓電傳感元件自身的內阻很高，達到1010Ω，而輸出的電荷信號很微弱，需要用輸入阻抗很高的前置放大器將電荷信號轉化為電壓信號，將高輸入阻抗轉化為低輸出阻抗，然后用放大檢波電路將信號輸入到檢測電路中。 實際使用時，壓電傳感器通過導線與測量儀器相連， 連接導線上存在寄生電容，其等效值為Cc，輸入電容Ci也會對電路產生一定的影響。 前置電荷放大原理如圖5 所示。

圖5 前置電荷放大模塊原理Fig.5 Schematic of front charge amplifier

圖中，Cf和Rf分別為電荷放大器的反饋電容、反饋電阻[14]。電荷放大器的輸出電壓Uo只與輸入電荷Qa和反饋電容Cf相關，滿足關系式為

小型電荷放大器由前置電荷放大器和電壓放大器組成，如圖6 所示。 前置電荷放大器選擇具有極低輸入偏置電流的AD549 運算放大器作為電荷轉換器，輸入電荷信號Qa經T 型電阻反饋網絡轉換為較低的輸出電壓Uo，由直流誤差小、共模抑制比高的微功耗儀用放大器AD627 進一步對Uo進行放大，通過調節Rgain電阻調節放大倍數。

圖6 電壓放大模塊原理Fig.6 Schematic of voltage amplifier

為了提高電路抗高頻脈沖干擾和浪涌電壓性能， 需要對電荷放大器輸出的信號做進一步調理，使其適應PDE 高壓點火脈沖引起的惡劣電磁環境。在設計中，采用4 階有源切比雪夫濾波器對信號進行濾波，采用壓敏電阻和雙向TVS 管組合來防止浪涌電壓。 其設計原理如圖7 所示。

圖7 信號調理模塊原理Fig.7 Schematic of signal conditioning

微處理器內部集成了USB 接口，為了提高USB 高速通訊可靠性，在微處理器和USB 外設之間使用高集成度EMI/RFI 抑制器， 防止U盤插拔時高壓靜電造成器件損壞，使用專用電源模塊對USB 進行供電，提高其驅動能力。 其設計原理如圖8 所示。 USB 接口為高速接口，為保證信號完整性，PCB 布局時應使其接近微處理器，在布線上應保證數據線差分等長布線[8]。

圖8 數據導出模塊原理Fig.8 Data export module schematic

在電池供電系統中，有必要設計電量監測硬件。系統使用11.1 V 鋰電池供電，采用電壓監測范圍為20 V，集電壓、電流和溫度監測于一體的電量監測芯片LTC2943 監測電池電量，取樣電阻50 mΩ，電流電壓監測精度1%，與微處理器通過I2C 總線進行通訊。 其設計原理如圖9 所示。

3 系統的軟件設計

系統軟件設計主要包括WSN-DSN，WSN-MSN和WSN-CL 節點軟件設計。 WSN-DSN 和WSN-MSN軟件設計基于MDK4.7 開發平臺， 采用分層化軟件設計思想；WSN-CL 軟件設計基于嵌入式LINUX 操作系統，采用多線程模塊化軟件設計思想[9]，提高軟件的可讀性和維護性。

圖9 供電監測模塊原理Fig.9 Schematic of power supply monitoring module

WSN-DSN 節點在WSN-MSN 節點的同步控制下，高速采樣單個壓力傳感器的壓力信號，通過以太網發送至WiFi 數據透傳模塊，進行無線傳輸。 使用DMA 控制器，由DMA 控制AD 轉換器將轉換結果傳輸至數據緩沖區。 通過雙緩沖機制，將采樣緩沖和數據處理緩沖隔離， 實現數據采集和處理并發、防止數據被覆蓋，雙緩沖機制通過DMA 緩沖區的半滿和全滿監測來實現。 WSN-DSN 節點軟件流程如圖10 所示。

圖10 WSN-DSN 節點軟件流程Fig.10 WSN-DSN node software flow chart

WSN-MSN 節點實時監測在線監測單元電池狀態，監測結果通過WSN-CL 節點和本地指示模塊進行指示，在WSN-CL 節點的控制下，控制WSN-DSN節點高速信號同步采集。 WSN-MSN 節點軟件流程如圖11 所示。

WSN-CL 完成無線網絡的組建、維護，在科研人員的控制下采集數據，將WSN-CG 傳輸的數據進行存儲管理，根據數據處理算法處理監測數據，計算爆震特征信息， 顯示數據波形及爆震特征信息，數據導出。 其軟件流程如圖12 所示。

4 試驗及其結果

圖11 WSN-MSN節點軟件流程Fig.11 WSN-MSN node software flow chart

圖12 WSN-CL節點軟件流程Fig.12 WSN-CL node software flow chart

使用內徑30 mm，長度880 mm 的獨立式PDE樣機進行了外場試車。 PDE 工作于無閥模式，工作頻率30 Hz， 使用3 個相互間距70 mm， 型號為CYYD-205 的壓力傳感器監測爆震腔壓力，試驗時長3 s。PDE 在線監測系統顯示點火次數49 次，爆震成功42 次，爆震成功率為85.7%。 所測傳感器壓力波形如圖13 所示，爆震特征參數統計結果見表1。

5 結語

設計了基于無線傳感網絡的獨立式PDE 在線監測系統，通過外場試驗進行了系統驗證。 結果表明，該系統解決了當前PDE 監測系統無法適應獨立式PDE 試驗的問題；無線傳感網絡在通訊距離、鏈路質量、通訊帶寬等方面，滿足高帶寬、遠距離實時傳輸的需求；小型電荷放大器、壓力信號調理電路、電池電量監測、數據導出等硬件設計工作可靠，抗干擾性能良好；壓力信號高速采集和存儲、數據處理和統計分析算法工作可靠；具有小型化，集成度高，便攜性強，無需外部供電獨立運行等特點，適用于臺架和外場PDE 試驗。 采用自動實時在線計算爆震特征信號的方式代替手動計算，提高了科研效率，具有較強的實際應用價值。

圖13 在線監測系統實測PDE 頻率30 Hz 下壓力波形Fig.13 Measurement of pressure waveform under PDE frequency 30 Hz by online monitoning system

表1 在線監測系統參數監測結果Tab.1 Parameters monitoring results online monitoring of system