基于无线传感网络的独立式PDE在线监测系统

张文龙，李江红，裴承鸣，王 可，范 玮

（西北工业大学 动力与能源学院，西安710072）

对于脉冲爆震发动机PDE 工作状态的监测，目前国内外采用2 种方案。 一种是基于多通道高速数据采集仪的监测系统，由压电式压力传感器、电荷放大器、多通道高速数据采集仪组成。 另一种是以台式计算机和多功能数据采集卡为硬件平台，以Lab Windows/CVI 和MatLab 为软件平台的PDE 智能测试系统[1-3]。 这2 种方案可以满足台架试验需求，却无法满足独立式PDE 监测需求。 究其原因，主要是：①质量较重的电荷放大器、高速数据采集仪和台式计算机较难移动；②台式计算机和高速信号采集仪需要220 V 交流供电，外场无法运行；③外场不具备隔离观察条件， 研究人员无法近距离操作数据采集系统以完成监测任务[4]。

针对独立式PDE 监测系统信号远程传输、便携性强、电池供电等需求，将传感器、嵌入式、无线传感网络、数据存储与管理和智能监测技术融合在一起，设计了在线监测系统。 实现了爆震腔压力信号高速采集，数据实时在线处理，远程传输，数据存储与管理等功能。

1 系统的设计需求及整体方案

在外场试验中，为避免强噪声和爆震尾气造成听觉损伤及安全威胁，操作人员需保持在200 m以上距离处操作并观察PDE 在线监测结果。 在滑跑试验中，由于PDE 的运动，距离会进一步增大。

通常，需要3～4 只压力传感器实现爆震腔压力监测，传感器带宽100 kHz，监测系统需要具备至少4 通道最小带宽为200 kHz 的高速信号采样功能。压力波形和数据处理结果需要实时传输至观察处，试验人员根据试验结果决策停止点火时间和后续试验安排，根据以上分析，无线数据传输最小带宽为6.4 Mb/s，以最大200 m 滑跑距离计算，通讯距离需达到400 m。为进一步分析，试验数据需要被存储管理，并通过导出接口导出。

系统应采用直流电池供电，消除对交流供电的依赖性；具备小型化、集成度高、重量轻的特征。

根据需求，提出基于无线传感器网络WSN（wireless sensor networks）的独立式PDE 在线监测系统方案[5]。系统由PDE 在线监测单元、 手持单元和WiFi 中继组成，如图1 所示。在线监测单元部署于PDE 本体，手持单元移动部署，WiFi 中继则部署在两者中间。

在线监测单元由4 个WSN 数据传感节点、1 个WSN 管理节点、电池、供电系统、电量监测模块[6]组成，原理如图2 所示。 图中，数据传感节点由电荷放大模块、信号调理模块、微处理器和无线通讯模块组成，完成压力传感器信号处理、高速采集和数据无线传输功能；管理节点由微处理器、无线通讯模块、系统指示模块组成，完成电池电量监测，传感节点同步，系统指示功能。

图1 PDE 在线监测系统工作原理Fig.1 Schematic of PDE online monitoring system

图2 PDE 在线监测单元原理Fig.2 Schematic of PDE online monitoring unit

手持终端由电池、 电源系统、 电量监测模块、WSN 汇聚网关和WSN 控制器组成， 原理如图3 所示。 图中，汇聚网关由无线通讯模块、微处理器模块、以太网模块组成，完成通讯协议转换，传感节点数据汇聚，实时数据处理和控制器交互功能；控制器由以太网模块、存储模块、数据导出模块、人机交互模块组成，完成网络管理，数据管理、存储和导出，监测控制，数据呈现和人机交互功能。

图3 手持单元原理Fig.3 Schematic of hand held unit

系统网络拓扑结构如图4 所示。图中，4个数据传感节点WSNDSN（manage synchronize node）在数据采集管理同步节点WSNMSN （manage synchro nize node） 的协调下，将高速采集的压力信号通过WiFi 无线传输至数据中继节点WSNDR（data relay），由 中继节点将数据转发至数据汇聚网关WSNCG（converge gateway），进行通讯协议转换和报文重组， 然后通过以太网将数据发送至网络控制器WSN-CL（controller），网络控制器负责数据存储、管理、可视化处理，通过人机交互接口获取采集控制命令，发送至WSN-MSN，控制WSN-DSN 进行数据采集。

图4 系统网络拓扑Fig.4 Net topology of system

2 系统的硬件设计

系统硬件设计主要包括小型电荷放大器、传感器信号调理、数据导出接口、电源管理设计。

根据压电传感元件的正压电效应，压电传感元件可以等效为1 个电荷源Qa与1 个电容Ca并联[7]。由于压电传感元件自身的内阻很高，达到1010Ω，而输出的电荷信号很微弱，需要用输入阻抗很高的前置放大器将电荷信号转化为电压信号，将高输入阻抗转化为低输出阻抗，然后用放大检波电路将信号输入到检测电路中。 实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连， 连接导线上存在寄生电容，其等效值为Cc，输入电容Ci也会对电路产生一定的影响。 前置电荷放大原理如图5 所示。

图5 前置电荷放大模块原理Fig.5 Schematic of front charge amplifier

图中，Cf和Rf分别为电荷放大器的反馈电容、反馈电阻[14]。电荷放大器的输出电压Uo只与输入电荷Qa和反馈电容Cf相关，满足关系式为

小型电荷放大器由前置电荷放大器和电压放大器组成，如图6 所示。 前置电荷放大器选择具有极低输入偏置电流的AD549 运算放大器作为电荷转换器，输入电荷信号Qa经T 型电阻反馈网络转换为较低的输出电压Uo，由直流误差小、共模抑制比高的微功耗仪用放大器AD627 进一步对Uo进行放大，通过调节Rgain电阻调节放大倍数。

图6 电压放大模块原理Fig.6 Schematic of voltage amplifier

为了提高电路抗高频脉冲干扰和浪涌电压性能， 需要对电荷放大器输出的信号做进一步调理，使其适应PDE 高压点火脉冲引起的恶劣电磁环境。在设计中，采用4 阶有源切比雪夫滤波器对信号进行滤波，采用压敏电阻和双向TVS 管组合来防止浪涌电压。 其设计原理如图7 所示。

图7 信号调理模块原理Fig.7 Schematic of signal conditioning

微处理器内部集成了USB 接口，为了提高USB 高速通讯可靠性，在微处理器和USB 外设之间使用高集成度EMI/RFI 抑制器， 防止U盘插拔时高压静电造成器件损坏，使用专用电源模块对USB 进行供电，提高其驱动能力。 其设计原理如图8 所示。 USB 接口为高速接口，为保证信号完整性，PCB 布局时应使其接近微处理器，在布线上应保证数据线差分等长布线[8]。

图8 数据导出模块原理Fig.8 Data export module schematic

在电池供电系统中，有必要设计电量监测硬件。系统使用11.1 V 锂电池供电，采用电压监测范围为20 V，集电压、电流和温度监测于一体的电量监测芯片LTC2943 监测电池电量，取样电阻50 mΩ，电流电压监测精度1%，与微处理器通过I2C 总线进行通讯。 其设计原理如图9 所示。

3 系统的软件设计

系统软件设计主要包括WSN-DSN，WSN-MSN和WSN-CL 节点软件设计。 WSN-DSN 和WSN-MSN软件设计基于MDK4.7 开发平台， 采用分层化软件设计思想；WSN-CL 软件设计基于嵌入式LINUX 操作系统，采用多线程模块化软件设计思想[9]，提高软件的可读性和维护性。

图9 供电监测模块原理Fig.9 Schematic of power supply monitoring module

WSN-DSN 节点在WSN-MSN 节点的同步控制下，高速采样单个压力传感器的压力信号，通过以太网发送至WiFi 数据透传模块，进行无线传输。 使用DMA 控制器，由DMA 控制AD 转换器将转换结果传输至数据缓冲区。 通过双缓冲机制，将采样缓冲和数据处理缓冲隔离， 实现数据采集和处理并发、防止数据被覆盖，双缓冲机制通过DMA 缓冲区的半满和全满监测来实现。 WSN-DSN 节点软件流程如图10 所示。

图10 WSN-DSN 节点软件流程Fig.10 WSN-DSN node software flow chart

WSN-MSN 节点实时监测在线监测单元电池状态，监测结果通过WSN-CL 节点和本地指示模块进行指示，在WSN-CL 节点的控制下，控制WSN-DSN节点高速信号同步采集。 WSN-MSN 节点软件流程如图11 所示。

WSN-CL 完成无线网络的组建、维护，在科研人员的控制下采集数据，将WSN-CG 传输的数据进行存储管理，根据数据处理算法处理监测数据，计算爆震特征信息， 显示数据波形及爆震特征信息，数据导出。 其软件流程如图12 所示。

4 试验及其结果

图11 WSN-MSN节点软件流程Fig.11 WSN-MSN node software flow chart

图12 WSN-CL节点软件流程Fig.12 WSN-CL node software flow chart

使用内径30 mm，长度880 mm 的独立式PDE样机进行了外场试车。 PDE 工作于无阀模式，工作频率30 Hz， 使用3 个相互间距70 mm， 型号为CYYD-205 的压力传感器监测爆震腔压力，试验时长3 s。PDE 在线监测系统显示点火次数49 次，爆震成功42 次，爆震成功率为85.7%。 所测传感器压力波形如图13 所示，爆震特征参数统计结果见表1。

5 结语

设计了基于无线传感网络的独立式PDE 在线监测系统，通过外场试验进行了系统验证。 结果表明，该系统解决了当前PDE 监测系统无法适应独立式PDE 试验的问题；无线传感网络在通讯距离、链路质量、通讯带宽等方面，满足高带宽、远距离实时传输的需求；小型电荷放大器、压力信号调理电路、电池电量监测、数据导出等硬件设计工作可靠，抗干扰性能良好；压力信号高速采集和存储、数据处理和统计分析算法工作可靠；具有小型化，集成度高，便携性强，无需外部供电独立运行等特点，适用于台架和外场PDE 试验。 采用自动实时在线计算爆震特征信号的方式代替手动计算，提高了科研效率，具有较强的实际应用价值。

图13 在线监测系统实测PDE 频率30 Hz 下压力波形Fig.13 Measurement of pressure waveform under PDE frequency 30 Hz by online monitoning system

表1 在线监测系统参数监测结果Tab.1 Parameters monitoring results online monitoring of system