梁 頔，馬鐵華

（1.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原030051；2.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051）

車輛是一個多部件耦合的復雜系統(tǒng)，隨著智能化程度的提升，車內(nèi)的電子系統(tǒng)變得日益復雜，電磁干擾問題日益凸顯.伴隨著復雜的測試及控制信息傳遞的需要，在車輛中應用了多種總線：CAN總線、MIL-STD-1553B總線、MIC總線、以太網(wǎng)總線，以及自定義的總線等［1］.標準的測控總線可靠性高、抗干擾性能強，但是自定義的分布式測控總線需要進行可靠性和抗干擾設計.分布式測控總線網(wǎng)絡拓撲結構主要包括：總線型、樹型、環(huán)型、星型和網(wǎng)型，其中星型拓撲結構是總線網(wǎng)絡的典型結構之一，便于靈活擴展［2-5］.

車輛動力艙內(nèi)電氣連接復雜、結構緊湊，電磁干擾復雜，如果不采用抗干擾措施就使用雙絞線傳遞測試信號會導致信噪比降低，更嚴重地會導致微弱有效測試信號被噪聲湮沒［6］.為了提高復雜環(huán)境下動態(tài)參數(shù)獲取能力，本文提出存儲測試節(jié)點與光纖傳輸相結合的星型拓撲結構測試網(wǎng)絡構建方法.

1 星型拓撲結構測試網(wǎng)絡

心控制單元、測試節(jié)點、光纖網(wǎng)絡等組成.從系統(tǒng)的可行性和測點設置的靈活性角度考慮，測試系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡拓撲結構的構建方式，這種方式可以避免由于某個測試節(jié)點的故障而導致測試系統(tǒng)失效，能保證在一次測試過程中有效地獲取多種參數(shù)信息.

測試節(jié)點的規(guī)劃靈活便捷，可根據(jù)測試需要快速地增加或刪減測試節(jié)點.在測試試驗開始之前，測試節(jié)點處于休眠狀態(tài)，其中電纜作為中心控制單元與測試節(jié)點的觸發(fā)啟動命令傳輸介質(zhì)；光纖作為測試數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，光纖傳輸可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力，解決某些特殊情況下數(shù)據(jù)無法準確傳輸?shù)膯栴}［7］.星型拓撲結構測試網(wǎng)絡組成結構框圖如圖1所示.

光纖和測試節(jié)點星型拓撲結構測試網(wǎng)絡由中

圖1 星型拓撲結構測試網(wǎng)絡組成結構框圖 Fig.1 Block diagram of star topology test network

2 關鍵模塊

2.1 中心控制單元

中心控制單元集成了控制、存儲、接口等模塊.其中控制模塊用于對測試節(jié)點的編程功能和狀態(tài)控制，并且控制數(shù)字化測試節(jié)點的觸發(fā)啟動；存儲模塊實現(xiàn)對每個測試節(jié)點數(shù)據(jù)的接收、存儲；接口模塊連接計算機等設備，完成對整個動態(tài)測試過程的編程設置和對各節(jié)點記錄數(shù)據(jù)的讀取.中心控制單元的核心是控制模塊，其主要實現(xiàn)測試節(jié)點的組網(wǎng)，控制電源管理模塊，控制光電轉換模塊以接收測試節(jié)點的數(shù)據(jù)并將其寫入大容量存儲模塊中；同時，接口模塊連接計算機，通過計算機虛擬儀器軟面板的操作實現(xiàn)對中心控制單元控制和對各測試節(jié)點的選擇、數(shù)據(jù)的讀取和擦除.中心控制單元結構框圖如圖2所示.

圖2 中心控制單元結構框圖 Fig.2 Block diagram of central control unit

中心控制單元作為星型拓撲結構測試網(wǎng)絡的核心，用于分布式測試節(jié)點的組網(wǎng)、同步、控制測試的開始、數(shù)據(jù)的實時傳輸和結束，接收各測試節(jié)點的數(shù)據(jù)并存儲.

測試網(wǎng)絡的每個分布式測試節(jié)點具有唯一的編號，作為物理地址；分布式測試節(jié)點的ADC分辨率是12bit，將12bit數(shù)據(jù)擴充為16bit數(shù)據(jù)按兩次存入存儲器，其中D15～D14兩位二進制編碼作為分布式測試節(jié)點的物理地址，D13～D12兩位二進制編碼作為分布式測試節(jié)點的通道編碼；D11～D0共12位是ADC數(shù)據(jù).

開始測試時，中心控制單元進行初始化，并通過電纜發(fā)送組網(wǎng)命令，等待收到測試節(jié)點返回的正確值即表明組網(wǎng)成功；判斷組網(wǎng)成功后，若不立即進行測試，測試節(jié)點處于低功耗的休眠狀態(tài)，若立即進行測試則通過電纜發(fā)出觸發(fā)啟動命令，測試節(jié)點從休眠態(tài)喚醒，對相應的動態(tài)參數(shù)進行測試，通過光纖將數(shù)據(jù)傳輸至中心控制單元，同時在測試節(jié)點本地進行備份存儲.中心控制單元接收到測試節(jié)點的數(shù)據(jù)后通過接口模塊傳輸至計算機，通過計算機虛擬儀器軟件進行處理并在計算機軟面板上顯示.分布式測試節(jié)點的存儲測試數(shù)據(jù)作為測試網(wǎng)絡的冗余備份數(shù)據(jù)，如果光纖網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)或中心控制單元接收數(shù)據(jù)異常，則讀取分布式測試節(jié)點存儲模塊里的數(shù)據(jù)，進行分析處理.中心控制單元的流程如圖3所示.

圖3 中心控制單元流程圖 Fig.3 Flow chart of central control unit

圖4 分布式測試節(jié)點結構框圖 Fig.4 Block diagram of distributed measurement node

2.2 分布式測試節(jié)點

若干個測試節(jié)點處于星型拓撲結構測試網(wǎng)絡的底層，針對溫度、振動加速度等動態(tài)參數(shù)進行信號的感知、調(diào)理、數(shù)字化、傳輸與存儲.測試節(jié)點利用電光轉換模塊將數(shù)字信號轉換為光信號并通過光纖傳輸，這樣一路測試節(jié)點數(shù)字信號經(jīng)過電光轉換后通過光纖傳輸至中心控制單元，另一路寫入測試節(jié)點的存儲單元，這種雙冗余的方式提高了復雜環(huán)境下參數(shù)獲取的效率.

分布式測試節(jié)點是測試網(wǎng)絡的終端節(jié)點，主要由信號調(diào)理模塊、采集存儲模塊、接口模塊、控制模塊、命令接收模塊和電源管理模塊幾部分組成，如圖4所示.

信號調(diào)理模塊將傳感器輸出的信號進行轉換、放大、濾波，輸出滿足模數(shù)轉換（Analog-to-Digital Converter，ADC）模塊轉換要求的電壓信號；ADC模塊完成模數(shù)轉換；命令接收模塊配合控制模塊接收組網(wǎng)命令和觸發(fā)啟動命令；存儲模塊實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的本地備份存儲；電光轉換模塊將ADC模塊轉換的數(shù)字量轉換為光信號并通過光纖傳輸至中心控制單元；接口模塊用于測試節(jié)點測試之前的編程設置，以及本地存儲模塊的數(shù)據(jù)讀??；電源管理模塊根據(jù)不同工作狀態(tài)采取不同供電方式，在觸發(fā)工作之前處于低功耗休眠狀態(tài)，在觸發(fā)后給予供電；控制模塊實現(xiàn)上述功能的綜合控制.

2.3 光纖網(wǎng)絡

光纖網(wǎng)絡由電光轉換單元、光電轉換單元、光纖組成，其中電光轉換單元將測試節(jié)點數(shù)字信號轉換為光信號，光電轉換單元將光信號轉換為電信號；光纖用于測試節(jié)點和中心控制單元之間的光信號通信.測試節(jié)點內(nèi)A／D轉換器輸出的數(shù)字信號經(jīng)過編碼后由光發(fā)送模塊轉變?yōu)楣庑盘枺?jīng)光纖傳輸至光接收模塊，把光信號轉變?yōu)殡娦盘?，再傳輸至中心控制單?

3 抗干擾設計

3.1 測試節(jié)點殼體屏蔽

測試節(jié)點將電路模塊和鋰電池經(jīng)過環(huán)氧樹脂灌封，并在外部設置良性導體金屬屏蔽殼體，與傳感器一起放置在被測點附近，測試節(jié)點的調(diào)理電路及ADC模塊將傳感器輸出的微小模擬信號進行數(shù)字化，一方面進行本地存儲，另一方面通過光纖傳輸至遠端的中心控制單元.

低頻時，高磁導率材料的磁屏蔽效能高于高電導率材料的磁屏蔽效能；高頻時，高導電材料的磁屏蔽效能高于高磁導率材料［8-9］的磁屏蔽效能.這里采用鋁和坡莫合金的雙層金屬屏蔽結構，其中外層是高電導率的鋁，內(nèi)層的高磁導率的坡莫合金，利用這兩種材料互補的電磁屏蔽特性來實現(xiàn)測試單元的輕型化和高抗干擾性設計.

利用Ansoft Maxwell軟件建立鋁和坡莫合金的金屬殼體模型（鋁和坡莫合金的壁厚5 mm），鋁和坡莫合金的金屬殼體電磁模型如圖5所示，通電螺線管給予交流激勵，產(chǎn)生交變磁場.在10 Hz低頻磁場激勵下，金屬殼體結構沿中心線磁場強度與距離的關系如圖6所示.

圖5 鋁和坡莫合金的金屬殼體電磁模型 Fig.5 Metal shell model of aluminum and permalloy

圖6 金屬殼體結構沿中心線磁場強度與距離關系 Fig.6 Relationship of magnetic field strength and distance along centerline of bimetallic shell structure

圖6表明，雙層金屬殼體結構很好地屏蔽了金屬殼體外的電磁場，有效地降低了電磁環(huán)境對測試信號的干擾.

3.2 光纖傳輸

光纖傳遞光信號，其優(yōu)越的抗干擾性能是眾所周知的.分布式測試節(jié)點ADC轉換后的數(shù)字量通過電光轉換模塊、光纖網(wǎng)絡、光電轉換模塊傳輸至中心控制單元，這樣在傳輸鏈路環(huán)節(jié)有效地實現(xiàn)了測試數(shù)據(jù)的抗電磁干擾.

3.3 數(shù)據(jù)雙冗余存儲

分布式測試節(jié)點里的ADC模塊輸出數(shù)字量寫入了分布式測試節(jié)點存儲模塊，同時通過光纖網(wǎng)絡同步傳輸至中心控制單元.分布式測試節(jié)點存儲模塊的本地數(shù)據(jù)作為備份數(shù)據(jù)，當光纖網(wǎng)絡出現(xiàn)損壞斷裂等異常情況時，本地的存儲數(shù)據(jù)可以作為備份測試數(shù)據(jù)進行分析處理.

4 測試網(wǎng)絡驗證及分析

構建的星型拓撲測試網(wǎng)絡在臺架試驗臺上進行了測試實驗，加載一個振動載荷，測得了加速度-時間曲線，通過光纖網(wǎng)絡傳輸至中心控制單元的振動測試曲線如圖7所示.

圖7 振動測試曲線 Fig.7 Vibration measurement curve

實驗表明，測試網(wǎng)絡的測試節(jié)點能夠獲取動態(tài)信號，并經(jīng)過光纖網(wǎng)絡傳輸至中心控制單元.為了驗證星型拓撲測試網(wǎng)絡，實驗結束后讀取了測試節(jié)點里的存儲測試數(shù)據(jù)，與光纖傳輸?shù)臄?shù)據(jù)非常吻合，因為存儲測試數(shù)據(jù)與光纖傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來源于同一個ADC的數(shù)據(jù)源.根據(jù)測試實驗的需要，可以布置n（n≥1）個測試節(jié)點，數(shù)據(jù)傳輸至中心控制單元，實現(xiàn)多路信號的測試.

5 結束語

針對車輛動態(tài)測試參數(shù)傳輸?shù)目垢蓴_要求，提出了一種光纖與存儲測試節(jié)點的星型拓撲測試網(wǎng)絡構建方法.該方法采用星型拓撲結構，利用光纖和存儲測試節(jié)點構建分布式測試網(wǎng)絡，采用存儲測試節(jié)點殼體屏蔽、光纖傳輸、數(shù)據(jù)雙冗余備份等抗干擾設計，提高了分布式總線測試網(wǎng)絡獲取信息的能力.

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