一種非接觸式扭矩測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　值得注意的是，要想讓功放電路輸出較大功率，必須注意阻抗匹配問(wèn)題，只有在TDA2030 負(fù)載阻抗在4~16 之間，電路才能達(dá)到最佳阻抗匹配，為此可減小變壓器的初級(jí)繞組電阻，但這樣會(huì)使得初次級(jí)繞組的電流增大而增加銅損和鐵損，致使變壓器的效率降低。因此，變壓器的輸出效率和功放的輸出功率存在一定的矛盾，要根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。

　　變壓器次級(jí)輸出的是交流信號(hào)，為了給軸上的應(yīng)變橋及調(diào)理電路供電，需將交流信號(hào)整流并穩(wěn)壓，這里采用穩(wěn)壓管7805 及7812 提供5 V和12 V的直流電。

3 信號(hào)調(diào)理

　　由于應(yīng)變橋輸出的扭矩測(cè)量電壓信號(hào)通常為mV 級(jí)，并且存在一定的共模干擾信號(hào)，因此有必要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。放大電路須具備較高的共模抑制比，高穩(wěn)定性，低零漂，高精度等特點(diǎn)，因此這里選擇采用儀表放大器AD623，它具有低功耗，高輸入阻抗，優(yōu)良的共模抑制等特點(diǎn)。調(diào)理電路如圖4 所示。

　　AD623增益大小G 由電阻R1 決定，根據(jù)公式R1=100 k贅/（G-1）來(lái)取值，由于本設(shè)計(jì)中MCU 選取的為AD滋C812，內(nèi)嵌12 位AD 轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)提供2.5 V基準(zhǔn)電壓，當(dāng)AD 的基準(zhǔn)電壓選擇片內(nèi)的2.5 V電壓時(shí)，其有效的模擬電壓輸入為0~2.5 V，為了保證輸入的電壓在這個(gè)范圍之內(nèi)，放大電路的增益選擇為51，因此R1 選擇2 k贅的精密電阻。OP491組成電壓跟隨器，保證了模擬輸入前端的輸出阻抗很小。為了避免不合要求的電壓損壞AD轉(zhuǎn)換器，使用兩個(gè)二極管保證AD的輸入電壓在0~5 V范圍內(nèi)。

4 無(wú)線收發(fā)電路

　　發(fā)射接收示意圖如圖5所示，應(yīng)變橋輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的十二位并行數(shù)據(jù)依次送入編碼器編碼后由發(fā)射模塊發(fā)射至接收模塊。接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)解碼后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到扭矩值并顯示。本系統(tǒng)采用的是數(shù)字信號(hào)傳輸，雖然模擬信號(hào)非常便于傳輸，但由于其對(duì)干擾信號(hào)十分敏感，容易在傳輸過(guò)程中造成幅值和相位的畸變，而數(shù)字信號(hào)的對(duì)這些噪聲不敏感，因此抗干擾性較強(qiáng)。

　　本文中的編碼器選擇PT2262，通過(guò)外接振蕩電路產(chǎn)生振蕩，外接振蕩電阻可根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，阻值越大振蕩頻率越慢，編碼的寬度越大，發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)AD滋C812 給發(fā)送端TE 一個(gè)大于2262 連續(xù)發(fā)送三組碼的周期的低脈沖時(shí)，就可以觸發(fā)振蕩器產(chǎn)生振蕩，地址和輸入的數(shù)據(jù)將一起被編碼。PT2262 編碼器的高8位地址碼和低4 位數(shù)據(jù)碼組成一個(gè)碼字，因此AD采樣結(jié)果分三次發(fā)送，由高到低逐次發(fā)送這12 位數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)每幀數(shù)據(jù)中間都由同步碼隔開(kāi),同步碼的長(zhǎng)度為4 倍的地址/數(shù)據(jù)碼位寬的長(zhǎng)度，其中含一個(gè)1/8 地址/數(shù)據(jù)碼位寬度的脈沖。

　　解碼器采用與PT2262 配套的PT2272，解碼器PT2272 的地址碼必須與編碼器PT2262 的地址碼完全相同時(shí)，才能對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼并輸出。PT2262 每次發(fā)射時(shí)至少發(fā)射4 組字碼，PT2272 只有在連續(xù)兩次檢測(cè)到相同的地址碼和數(shù)據(jù)碼時(shí)才會(huì)令VT 端為高電平同時(shí)用數(shù)據(jù)碼中的“1”驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出端為高電平。VT 端與AD滋C812 的外部中斷腳相連，當(dāng)VT端為高時(shí)，說(shuō)明接收到數(shù)據(jù)，觸發(fā)單片機(jī)中斷，讀入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。需要注意的是，當(dāng)PT2262和PT2272 配套使用時(shí)，解碼器的時(shí)鐘振蕩頻率必須是編碼器時(shí)鐘振蕩頻率的2.5耀8 倍，編解碼電路的振蕩電阻分別采用3.3 M贅和680 k贅即可有較好的收發(fā)距離。

　　發(fā)射模塊選擇微功率無(wú)線發(fā)射模塊F05P，接收模塊為超再生接收模塊J04V。F05采用聲表諧振器穩(wěn)頻，SMT 樹(shù)脂封裝，頻率一致性較好，免調(diào)試，具有較寬的工作電壓范圍及低功耗特性。F05天線長(zhǎng)度在0耀250 mm 之間調(diào)節(jié)。接收模塊J04V的電壓在3-3.2 V時(shí)具有最佳的接收靈敏度。另外接收電路不適合使用紋波系數(shù)躍50 mV 的開(kāi)關(guān)

　　電源，因?yàn)榻邮漳K對(duì)電源的紋波很敏感。F05和J04V 都應(yīng)垂直安裝在抑制板邊部，并應(yīng)距離周圍器件5 mm以上，以免受分布參數(shù)影響而停振。

5 軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用單片機(jī)AD滋C812 進(jìn)行控制，發(fā)射端單片機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)扭矩測(cè)試信號(hào)進(jìn)行AD采樣并將結(jié)果送入編碼器發(fā)射，接收端在接收到正確信號(hào)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示。為了提高傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，PT2262 的一幀數(shù)據(jù)連續(xù)發(fā)送4 次。當(dāng)給TE一個(gè)持續(xù)的低電平時(shí)，PT2262 就連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，每一幀發(fā)送4 次。AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果由高到低分三次發(fā)送，根據(jù)所選的振蕩電阻阻值，可得出發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間大約為30 ms，因此單片機(jī)每次使能編碼器發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔應(yīng)躍30 ms。

　　由于F05 對(duì)過(guò)寬的調(diào)制信號(hào)易出現(xiàn)調(diào)制效率下降、收發(fā)距離變近的現(xiàn)象，而當(dāng)脈沖低電平寬度躍10 ms 時(shí)，接收到的數(shù)據(jù)第一位極易被干擾（即零電平干擾）而引起不解碼，因此在通信過(guò)程中以0CH作為一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)頭，0AH為結(jié)尾。接收端采用中斷方式，當(dāng)接收端檢測(cè)到正確的數(shù)據(jù)才進(jìn)行處理。發(fā)射和接收端單片機(jī)的程序流程圖如圖6所示。

6 結(jié)語(yǔ)

　　本文詳細(xì)介紹了扭矩測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)中，介紹了基于感應(yīng)電能傳輸?shù)姆墙佑|供電方式為旋轉(zhuǎn)軸上的測(cè)試電路供電，在扭矩測(cè)試信號(hào)傳輸方面，采用了數(shù)字信號(hào)通信方法，加入了簡(jiǎn)單的握手協(xié)議，降低了接收誤碼的可能性。本設(shè)計(jì)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有一定的實(shí)用性。