譚 雯，沈三民?，譚秋林，龐俊奇，楊 峰

(1.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，需要采集葉片的溫度和壓力等測量參數(shù)對發(fā)動機(jī)性能進(jìn)行研究。通常旋轉(zhuǎn)部件測量數(shù)據(jù)的傳輸方式有集流器傳輸、無線射頻傳輸和無線光傳輸[1－3]。但是集流器傳輸存在轉(zhuǎn)速不高、成本大、易磨損和噪聲大等問題[4]。作為集流器傳輸?shù)奶娲绞?，國?nèi)外研究了基于無線射頻技術(shù)的旋轉(zhuǎn)部件數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[5－9]，如英國RotaData 公司基于無線射頻技術(shù)設(shè)計了TeleMetry 轉(zhuǎn)子參數(shù)遙測系統(tǒng)[10]，國內(nèi)李仙麗等人[11]設(shè)計了基于無線射頻技術(shù)的發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量系統(tǒng)。無線射頻傳輸存在頻帶帶寬的限制，且容易受到電磁干擾，難以實(shí)現(xiàn)高速率大帶寬的通信需求。

無線光傳輸具有體積小、質(zhì)量輕、傳輸速率高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳輸帶寬大等優(yōu)點(diǎn)[12]，美國、歐洲、日本、中國相繼開展無線光通信研究，目前商用的無線激光通信系統(tǒng)的通信距離可達(dá)幾千米[13－17]，但體積較大不適用于航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子的數(shù)據(jù)傳輸。本文主要設(shè)計基于無線激光通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸模塊，用來實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子與地面之間的數(shù)據(jù)的傳輸。

1 方案設(shè)計

無線激光數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)的組成如圖1 所示。傳感器采集參數(shù)并輸出模擬信號，模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送到FPGA，由FPGA 進(jìn)行數(shù)據(jù)編幀，每一幀數(shù)據(jù)由幀頭、副幀頭和64 字節(jié)數(shù)據(jù)及幀計數(shù)、幀內(nèi)行計數(shù)構(gòu)成。數(shù)據(jù)從FPGA 以串行方式輸出到激光數(shù)據(jù)傳輸模塊。激光數(shù)據(jù)傳輸模塊完成光信號和電信號的轉(zhuǎn)化后通過FPGA 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)進(jìn)行處理。本文主要的工作是完成激光數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計。

圖1 無線激光數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)框圖

激光數(shù)據(jù)傳輸模塊分為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子上的激光發(fā)射模塊和地面的激光接收模塊。發(fā)射模塊由激光驅(qū)動電路和激光二極管組成。驅(qū)動電路驅(qū)動激光二極管發(fā)光，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為光信號發(fā)送到大氣信道。接收模塊通過光電探測器接收光信號轉(zhuǎn)化為光電流輸出，放大電路將光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。

1.1 安裝結(jié)構(gòu)

發(fā)射模塊位于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子軸部分，需要跟隨轉(zhuǎn)子一起進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。因此將發(fā)射模塊和接收模塊設(shè)計為直徑為5cm 的圓形發(fā)送板和接收板。并且將激光二極管和光電探測器安裝在發(fā)送板和接收板的圓心處，保證旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下激光二極管的光斑始終在轉(zhuǎn)子的軸線上。

無線激光數(shù)據(jù)模塊安裝結(jié)構(gòu)如圖2 所示，激光數(shù)據(jù)發(fā)射模塊包含四個安裝孔，通過螺釘將發(fā)射模塊固定在旋轉(zhuǎn)套管和法蘭上，使發(fā)射模塊可以隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。接收模塊的四個安裝孔通過螺釘固定在地面端。安裝時保證激光器、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子軸、光學(xué)天線和光電探測器的軸線重合，使發(fā)射模塊和接收模塊不會產(chǎn)生較大的軸向偏移，保證旋轉(zhuǎn)環(huán)境下數(shù)據(jù)的正常傳輸。

圖2 激光電路板結(jié)構(gòu)圖和無線激光數(shù)據(jù)模塊安裝結(jié)構(gòu)原理圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 電源設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子與地面間無接觸的數(shù)據(jù)傳輸，無線激光數(shù)據(jù)傳輸模塊采用無線充電的方式來提供電源，通過地面端電源向發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子端的發(fā)射模塊和傳感器電路提供5V 電壓。由于激光驅(qū)動芯片需要3.3 V 電壓，因此選用TI 公司的穩(wěn)壓芯片LM1117－3.3 將5 V 電壓轉(zhuǎn)換為驅(qū)動芯片所需的3.3 V電壓。

2.2 發(fā)射模塊設(shè)計

大氣存在三個低損耗波長窗口為1 550 nm、1 310 nm 和850 nm，也是激光器最常選用的三個波長。發(fā)射模塊選用850 nm 的近紅外激光二極管。激光二極管選用TT Electronics 公司的850 nm 近紅外光垂直腔面激光發(fā)射器(VCSEL)OPV310Y。VCSEL 是一種半導(dǎo)體激光器，具有閾值電流低、功耗低、出射光為圓形、能在較寬的溫度范圍和電流范圍工作的特點(diǎn)。OPV310Y 的閾值電流最大為3 mA，工作電流為12 mA，峰值波長為850 nm，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)2.5 Gbit/s，光功率最小為1.5 mW。

2.2.1 驅(qū)動電路

MAX3669 是MAXIM 公司設(shè)計的激光驅(qū)動器芯片，數(shù)據(jù)傳輸速率為622 Mbit/s。MAX3669 內(nèi)部帶有自動功率控制回路(APC)，可以補(bǔ)償激光管隨溫度和使用壽命的改變而產(chǎn)生的閾值電流的變化。APC 回路會調(diào)整激光偏置電流，以使監(jiān)視器電流與APC 設(shè)置電阻RAPCSET設(shè)置的參考電流匹配，從而控制輸出的光功率穩(wěn)定。當(dāng)不需要APC 控制時，APCSET 引腳通過100 kΩ 電阻接地即可。MAX3669 通過設(shè)置最大偏置設(shè)置電阻引腳BIASMAX、調(diào)制設(shè)置電阻引腳MODSET、APC 設(shè)置電阻引腳APCSET 的電阻值設(shè)置調(diào)制電流和偏置電流給激光二極管。

已知激光二極管OPV310Y 的監(jiān)視二極管電流為IMD＝0.03 mA，閾值電流為Ith＝3 mA，平均功率為1.5 mW，激光斜率效率η為0.6 mW/mA。可計算出峰峰值功率為Pp－p＝2PAVG(re－1)/(re＋1)＝2.45 mW，根據(jù)峰峰值功率和斜率效率可計算MAX3669的調(diào)制電流為IMOD＝Pp－p/η＝4 mA，根據(jù)閾值電流和調(diào)制電流可計算MAX3669 的偏置電流為IBIAS＝Ith＋I(xiàn)MOD/2 ＝5 mA。MAX3669 的監(jiān)測電流是0.03 mA，所以APC設(shè)置電阻RAPCSET為40 kΩ。由于MAX3669 的調(diào)制電流為4 mA，所以調(diào)制設(shè)置電阻RMODSET為40 kΩ。由于MAX3669 的偏置電流為5 mA，所以偏置設(shè)置電阻RBIAS為40 kΩ。驅(qū)動電路如圖3 所示。

圖3 MAX3669 驅(qū)動電路

2.3 接收模塊設(shè)計

常用的光電探測器有光電二極管(PIN)和雪崩二極管(APD)。PIN 型光電二極管的成本低、靈敏度高、體積小、響應(yīng)速度快、噪聲低，常用于短距離通信。APD 相比PIN 具有更高的靈敏度，適用于接收功率低和需要更高靈敏度的系統(tǒng)。雪崩二極管選用FirstSensor 公司的AD500－8，峰值波長為850 nm，增益為45 A/W，截止頻率為1 GHz，反偏電壓為90 V。

2.3.1 反偏電壓電路

電源供電電壓為5V，APD 的反偏電壓為80 V～120 V。為了使APD 正常工作，需要對電源電壓進(jìn)行升壓。選用ADI 公司研制的APD 反偏開關(guān)電源芯片LT3482 來為APD 提供反偏電壓。LT3482 輸入電壓為2.5 V～16 V，輸出電壓最高可達(dá)90 V，內(nèi)部集成了電荷泵，大大減小了電源體積。具有確定的開關(guān)頻率1.1 MHz，后續(xù)電路便于濾掉電源噪聲干擾。?SHDN 是芯片開關(guān)引腳，通過接入高電平使芯片使能。CTRL 是內(nèi)部基準(zhǔn)電壓覆蓋引腳，將CTRL 與VCC 相連，設(shè)定內(nèi)部基準(zhǔn)電壓VREF為1.235 V。倍壓器輸出引腳Vout2與APD 輸出引腳電壓相同，輸出電壓Vout2＝(1 ＋R1/R2)VREF，當(dāng)R1取1 MΩ，R2取14kΩ 時，Vout2輸出為90 V，則APD 引腳也輸出90 V 電壓，將APD 輸出引腳與APD 陰極相連實(shí)現(xiàn)APD 的反偏。

圖4 APD 反偏電壓電路

2.3.2 放大電路

光電探測器接收信號后輸出的光電流較小，需要后級放大電路對信號進(jìn)行放大處理。為了得到確定幅度的數(shù)字波形輸出，選用兩級放大電路。前級放大為跨阻放大，主要完成光電流轉(zhuǎn)電壓的功能。后級放大為限幅放大，將輸出電壓幅度調(diào)整為確定電平輸出?？缱璺糯笃鬟x用MAXIM 公司數(shù)據(jù)傳輸速率為622 Mbit/s 的MAX3665，輸入靈敏度為500 nA，跨阻增益為8 kΩ。限幅放大器選用MAXIM 公司數(shù)據(jù)傳輸速率為622 Mbit/s 的 MAX3761，MAX3761 的輸入靈敏度為4 mV。限幅放大器存在信號丟失指示(LOS)輸出，當(dāng)輸入功率的模擬電壓VRSSI低于設(shè)定閾值VTH＝1.4 V 時，LOS 會啟用靜噪功能，數(shù)據(jù)輸出引腳OUT＋和OUT－的差分輸出近乎為零，共模電壓為VCC－0.8 V。

為了減小電源噪聲對放大器的影響，光電二極管的基極引腳需對地接一個電容。接收電路如圖5。

圖5 放大電路

3 數(shù)據(jù)收發(fā)平臺及實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

為驗(yàn)證所設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸模塊的傳輸性能，搭建一個基于FPGA 的數(shù)據(jù)收發(fā)平臺。實(shí)驗(yàn)平臺能夠循環(huán)產(chǎn)生遞增的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)以特定的幀格式傳送給激光發(fā)射模塊。每一幀都由幀頭EB90、副幀頭805A、64 字節(jié)的數(shù)據(jù)和2 字節(jié)的幀計數(shù)和幀內(nèi)行計數(shù)構(gòu)成，數(shù)據(jù)以串行的方式發(fā)送給激光器。接收端收到數(shù)據(jù)后通過以太網(wǎng)傳回計算機(jī)，通過軟件將數(shù)據(jù)讀出。

使用數(shù)據(jù)收發(fā)平臺進(jìn)行連續(xù)激光傳輸實(shí)驗(yàn)，通過電動機(jī)搭建了模擬旋轉(zhuǎn)測試臺，傳輸數(shù)據(jù)速率為18 Mbit/s，傳輸距離為50 cm，電動機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。軟件界面如圖6 所示，在通信測試前需要設(shè)置好計算機(jī)的IP 地址。實(shí)驗(yàn)接收數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7所示，當(dāng)幀頭EB90 和副幀頭805A 對齊后，每行數(shù)據(jù)從00 到F0 循環(huán)遞增，幀計數(shù)和幀內(nèi)行計數(shù)都準(zhǔn)確無誤。持續(xù)發(fā)送和接收800 MB 的數(shù)據(jù)，接收的數(shù)據(jù)均無誤碼出現(xiàn)。

圖6 軟件測試界面

圖7 數(shù)據(jù)接收結(jié)果

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種可用于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的無線激光數(shù)據(jù)傳輸模塊，搭建了實(shí)驗(yàn)測試平臺進(jìn)行測試。在6 000 r/min 的轉(zhuǎn)速和50 cm 的傳輸距離下完成速率為18 Mbit/s 的非接觸數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該模塊的可行性，解決了高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，為渦輪機(jī)、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子等旋轉(zhuǎn)部件性能研究提供了可行的數(shù)據(jù)傳輸模塊。