旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的無(wú)線時(shí)鐘抖動(dòng)估計(jì)與修正方法

盧翔宇 ，陳正武 ，劉 雄

(1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 氣動(dòng)噪聲控制實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621000；2.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000)

0 引言

在直升機(jī)旋翼槳葉表面非定常載荷測(cè)量試驗(yàn)中，需要準(zhǔn)確測(cè)量槳葉旋轉(zhuǎn)過(guò)程中其表面載荷的變化規(guī)律，即采集不同方位角時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力信號(hào)[1]。使用與槳葉同步旋轉(zhuǎn)的編碼器的輸出脈沖作為數(shù)據(jù)采集的外部時(shí)鐘信號(hào)，可以準(zhǔn)確提供槳葉的方位角信息[2-6]。目前通常采用有線的方式將時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行傳送：即通過(guò)導(dǎo)電滑環(huán)和線纜將編碼器脈沖信號(hào)輸送至數(shù)據(jù)采集設(shè)備。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，外部時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)干擾環(huán)境下的長(zhǎng)距離傳輸和導(dǎo)電滑環(huán)后，其信號(hào)質(zhì)量會(huì)受到影響[7]，尤其在導(dǎo)電滑環(huán)磨損后以及時(shí)鐘信號(hào)線與動(dòng)力強(qiáng)電線纜長(zhǎng)距離并行部署等重干擾情況下，時(shí)鐘信號(hào)會(huì)出現(xiàn)高頻毛刺和變形，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集設(shè)備產(chǎn)生錯(cuò)誤的采集動(dòng)作，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)相同相位的等角度采集。

為解決旋轉(zhuǎn)環(huán)境下有線時(shí)鐘信號(hào)嚴(yán)重干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集錯(cuò)誤的問(wèn)題，本文研究和設(shè)計(jì)了一種基于通斷鍵控(On-Off Keying，OOK)調(diào)制方法的時(shí)鐘信號(hào)無(wú)線傳輸系統(tǒng)，消除了因?qū)щ娀h(huán)性能下降和強(qiáng)電磁干擾導(dǎo)致的錯(cuò)誤采集動(dòng)作。然而，無(wú)線采樣時(shí)鐘信號(hào)由于進(jìn)行了OOK 調(diào)制解調(diào)過(guò)程，會(huì)引入微秒量級(jí)的時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)，該隨機(jī)性的時(shí)基偏差難以從根源上消除，只能對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)估計(jì)與補(bǔ)償，盡可能減小時(shí)鐘抖動(dòng)[8]。傳統(tǒng)的時(shí)鐘抖動(dòng)研究中，信噪比測(cè)量法[9]與相位噪聲測(cè)量法[10]都能夠很好地估計(jì)時(shí)鐘抖動(dòng)大小，但不能測(cè)量時(shí)鐘抖動(dòng)中相位差分布，存在一定的局限性。而傳統(tǒng)正弦信號(hào)時(shí)鐘抖動(dòng)估計(jì)同樣存在其他信號(hào)適用性的局限性，不能進(jìn)行時(shí)間誤差補(bǔ)償。

本文提出了一種時(shí)鐘信號(hào)無(wú)線傳輸系統(tǒng)和時(shí)鐘抖動(dòng)估計(jì)與修正方法。以FPGA 為核心，結(jié)合無(wú)線傳輸優(yōu)勢(shì)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[11]，針對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的外部無(wú)線傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)，采取等幅度三角波斜邊檢測(cè)方法進(jìn)行時(shí)鐘抖動(dòng)估計(jì)，進(jìn)而得到時(shí)鐘抖動(dòng)估計(jì)量，反復(fù)進(jìn)行拉格朗日插值修正，減小外部時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)，提高數(shù)據(jù)采集精度和準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)和方法適用于無(wú)線傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘抖動(dòng)估計(jì)與測(cè)量，特別適用于旋轉(zhuǎn)環(huán)境下多通道數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景

旋轉(zhuǎn)環(huán)境下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景如圖1 所示。主要包括多路壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集器、無(wú)線外部時(shí)鐘接收模塊、導(dǎo)電滑環(huán)、編碼器、無(wú)線外部時(shí)鐘發(fā)送模塊、測(cè)量計(jì)算機(jī)和電源等。壓力傳感器分布在旋翼槳葉表面，用于感應(yīng)局部壓力載荷的瞬時(shí)變化；槳轂和編碼器分別安裝在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸的兩端，而數(shù)據(jù)采集設(shè)備安裝在槳轂上方。試驗(yàn)過(guò)程中，槳葉、數(shù)據(jù)采集器和編碼器同步高速旋轉(zhuǎn)；編碼器采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器[12]，每圈輸出1 024 個(gè)脈沖信號(hào)(A 相脈沖)作為外部時(shí)鐘，同時(shí)輸出1 個(gè)脈沖信號(hào)(Z 相脈沖)作為采集開(kāi)始觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)OOK 調(diào)制后由無(wú)線外部時(shí)鐘發(fā)送模塊進(jìn)行發(fā)送；數(shù)據(jù)采集器中的外部時(shí)鐘接收模塊完成OOK信號(hào)的解調(diào)，恢復(fù)出采樣時(shí)鐘信號(hào)；系統(tǒng)供電以及采集設(shè)備與測(cè)量計(jì)算機(jī)之間的控制與數(shù)據(jù)信息交互通過(guò)導(dǎo)電滑環(huán)完成。

圖1 旋轉(zhuǎn)環(huán)境下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的無(wú)線時(shí)鐘傳輸系統(tǒng)框圖

2 時(shí)鐘抖動(dòng)估計(jì)與修正方法

旋轉(zhuǎn)環(huán)境下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的無(wú)線時(shí)鐘抖動(dòng)估計(jì)及修正任務(wù)由參考信號(hào)產(chǎn)生與采集模塊、時(shí)鐘抖動(dòng)估計(jì)與修正模塊兩部分配合完成。參考信號(hào)產(chǎn)生與采集模塊上使用高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器DA 產(chǎn)生本地的同相三角波基準(zhǔn)源信號(hào)SI和正交三角波基準(zhǔn)源信號(hào)SO，利用高精度基準(zhǔn)源信號(hào)自身的規(guī)律性為無(wú)線時(shí)鐘的抖動(dòng)估計(jì)提供參考，使用無(wú)線外部時(shí)鐘信號(hào)完成對(duì)多路傳感器信號(hào)u(t)與同相/正交基準(zhǔn)源信號(hào)(SI和SO)的采樣。在時(shí)鐘抖動(dòng)估計(jì)與修正模塊中，使用采集到的基準(zhǔn)源信號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)進(jìn)行計(jì)算和估計(jì)，再使用得到的時(shí)鐘估計(jì)值對(duì)采集到的傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。時(shí)鐘抖動(dòng)估計(jì)與修正方法框圖如圖2 所示。

圖2 時(shí)鐘抖動(dòng)估計(jì)與修正方法

2.1 采集電路與無(wú)線時(shí)鐘收發(fā)電路

信號(hào)采集模塊除完成兩路基準(zhǔn)源信號(hào)的產(chǎn)生和采集外，還要完成多通道傳感器信號(hào)的放大、低通濾波等調(diào)理，以及18 bit ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過(guò)子采集FPGA 傳輸數(shù)據(jù)至?xí)r鐘抖動(dòng)估計(jì)與修正模塊[13]。

來(lái)自傳感器的壓力信號(hào)經(jīng)放大器AD8250/8253 兩級(jí)放大和二階巴特沃斯低通濾波后，再由18 bit 的逐次逼近ADC 芯片LTC2358[14]完成高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，并傳輸至子采集FPGA，最后通過(guò)SPI 通信接口與主控FPGA 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其吞吐量可達(dá)到每通道200 kb/s。

外部時(shí)鐘的無(wú)線傳輸使用OOK 調(diào)制解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，發(fā)射端采用CMOSTEK 公司的CMT2119B 射頻發(fā)射器，最高速率可達(dá)到300 kb/s，發(fā)射功率為20 dBm，工作模式采用中間處理環(huán)節(jié)最少的直通模式，接收端使用配套的CMT2219B 射頻接收器，典型接收靈敏度為-110 dBm，時(shí)鐘信號(hào)的無(wú)線收發(fā)使用915 MHz 頻段。CMT2219B 接收電路圖如圖3 所示，CMT2119B 發(fā)射電路圖如圖4 所示。

圖3 CMT2219B 無(wú)線接收模塊電路

圖4 CMT2119B 無(wú)線發(fā)送模塊電路

采集設(shè)備開(kāi)始工作時(shí)需要一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，以確保每次采集到的首點(diǎn)數(shù)據(jù)均發(fā)生在相同的旋轉(zhuǎn)空間位置，觸發(fā)信號(hào)由編碼器提供，該信號(hào)也使用無(wú)線方式傳輸。由于觸發(fā)信號(hào)為單個(gè)脈沖信號(hào)，對(duì)無(wú)線傳輸?shù)乃俾蕸](méi)有要求，使用更簡(jiǎn)單、更便宜、傳輸速率更低的SYN115 單芯片ASK/OOK 發(fā)射芯片和SYN480R單芯片ASK/OOK 接收芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，工作頻率設(shè)置在433 MHz，與時(shí)鐘信號(hào)的無(wú)線傳輸頻率分開(kāi)。

2.2 時(shí)鐘抖動(dòng)估計(jì)

時(shí)鐘抖動(dòng)估計(jì)模塊包括主控FPGA 和數(shù)據(jù)緩存兩個(gè)部分。其中，由信號(hào)采集模塊中的DA 器件輸出兩組三角波基準(zhǔn)源信號(hào)(SI和SO)經(jīng)ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸至主控FPGA 中完成三角波斜邊檢測(cè)。外部采樣時(shí)鐘SCLK經(jīng)無(wú)線傳輸模式傳送至三角波斜邊檢測(cè)，配合三角波等幅度時(shí)間檢測(cè)法得到時(shí)鐘抖動(dòng)估計(jì)量△t(i)?；谌遣ㄐ盘?hào)的時(shí)鐘抖動(dòng)估計(jì)方法如圖5 所示。具體的時(shí)鐘抖動(dòng)估計(jì)方法流程如下：

圖5 基于三角波信號(hào)的時(shí)鐘抖動(dòng)估計(jì)方法

設(shè)定等幅度、等頻率及相位差90°的兩組三角波SI(t)和SO(t)，其頻率為f'，幅值范圍為(VL，VH)；外部采樣時(shí)鐘信號(hào)SCLK的頻率為fC。其中，f'與fC之間滿足以下關(guān)系：

式中，N 為正整數(shù)，大于等于2，可根據(jù)實(shí)際估計(jì)效果進(jìn)行調(diào)整。

以時(shí)鐘采樣信號(hào)SCLK作為SAR ADC 的采樣時(shí)鐘，對(duì)SI(t)、SO(t)以及傳感器信號(hào)u(t)進(jìn)行等時(shí)間間隔TC的連續(xù)同步并行采集，TC滿足以下關(guān)系：

利用三角波斜邊特性進(jìn)行判斷：當(dāng)時(shí)間間隔TC的兩個(gè)采樣點(diǎn)同時(shí)位于信號(hào)SI(t)和SO(t)斜邊階段時(shí)，計(jì)算等間隔TC兩個(gè)采樣點(diǎn)的理論幅度差值變化。同相三角波信號(hào)SI(t)的理論幅度差值和正交相三角波信號(hào)SO(t)的理論幅度差值如下：

然而，由于三角波信號(hào)存在尖峰，當(dāng)?shù)乳g隔的兩個(gè)采集點(diǎn)存在于尖峰兩側(cè)時(shí)，理論幅度誤差存在判斷錯(cuò)誤，因此，需要加入最大門限值進(jìn)行判斷。在滿足過(guò)采樣定理的前提下，當(dāng)一組三角波信號(hào)的兩個(gè)采集點(diǎn)之間存在尖峰時(shí)，另一組三角波信號(hào)的兩個(gè)采集點(diǎn)之間不可能存在尖峰。

利用SI(t)的理論幅度差值和SO(t)的理論幅度差值進(jìn)一步確定當(dāng)前采樣頻率下，輸入的三角波信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)理論幅度差值△V為：

式中，?為最大門限值因子。

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)緩存結(jié)果，計(jì)算出三角波信號(hào)的實(shí)際時(shí)間間隔TC的兩個(gè)采樣點(diǎn)i 和i-1 的實(shí)際幅度差值△V(i)：

式中，i 為基準(zhǔn)信號(hào)源采集點(diǎn)序列，Vi-1和Vi分別為第i-1 和第i 個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)幅值。

進(jìn)一步計(jì)算出第i 個(gè)采樣點(diǎn)相對(duì)于第i-1 個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間抖動(dòng)變化量υt(i)：

對(duì)于SAR ADC 采集過(guò)程中的時(shí)間抖動(dòng)積累效應(yīng)，第i 個(gè)實(shí)際采樣點(diǎn)距離第i 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)采樣點(diǎn)的時(shí)間抖動(dòng)估計(jì)量△t(i)為：

2.3 傳感器信號(hào)的采樣值修正

編碼器輸出的脈沖信號(hào)是可以準(zhǔn)確反映槳葉相位角度的時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸后，時(shí)鐘信號(hào)引入了隨機(jī)抖動(dòng)，導(dǎo)致信號(hào)采樣時(shí)刻偏離了期望采樣時(shí)刻，通過(guò)對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)的正確估計(jì)，同時(shí)基于實(shí)際采樣時(shí)刻的采樣值，使用拉格朗日插值修正的方法恢復(fù)期望采樣時(shí)刻的傳感器采樣值，即對(duì)傳感器采樣信號(hào)u(i)在(m+1)·TC個(gè)采集周期內(nèi)進(jìn)行修正，得到修正后的傳感器采樣值序列u'(i)，達(dá)到減小數(shù)據(jù)誤差的目的。時(shí)鐘抖動(dòng)估計(jì)與采集數(shù)據(jù)修正方法如下：

在得到時(shí)鐘抖動(dòng)估計(jì)量△t(i)的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步得到傳感器采集信號(hào)u(i)在(m+1)·TC時(shí)間內(nèi)的實(shí)際采樣值序列u(0)，u(1)，…，u(mTC)和時(shí)間抖動(dòng)估計(jì)量序列△t(0)，△t(1)，…，△t(mTC)。

設(shè)定傳感器信號(hào)u(t)在第i 個(gè)序列點(diǎn)的時(shí)間抖動(dòng)估計(jì)為△t(i)，則存在時(shí)間區(qū)間[t0，ti+△t(i)]，其中ti為第i 個(gè)序列點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)。已知在t0，t1，…，ti時(shí)刻傳感器的實(shí)際采樣信號(hào)為u(0)，u(1)，…，u(i)，則可以構(gòu)建拉格朗日插值多項(xiàng)式Li(t)：

式中，lk(t)為拉格朗日基函數(shù)，其定義如下：

最后利用多項(xiàng)式Li(t)插值計(jì)算在第i 個(gè)序列點(diǎn)插值修正后的采樣值序列u'(i)：

3 仿真與試驗(yàn)

針對(duì)旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)無(wú)線時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘抖動(dòng)情況進(jìn)行仿真。在標(biāo)準(zhǔn)1 kHz 正弦信號(hào)采集過(guò)程中添加采集時(shí)鐘的時(shí)間擾動(dòng)，得到存在時(shí)鐘抖動(dòng)的原始外部時(shí)鐘輸入信號(hào)，如圖6 所示，時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)造成數(shù)據(jù)采集誤差明顯。采用時(shí)鐘抖動(dòng)估計(jì)及修正方法進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7 所示，顯著減小時(shí)鐘抖動(dòng)誤差。仿真表明，該方法能夠有效減小因時(shí)鐘抖動(dòng)造成的數(shù)據(jù)采集誤差。

圖6 時(shí)鐘抖動(dòng)下外部時(shí)鐘輸入信號(hào)

圖7 估計(jì)與修正后的外部時(shí)鐘輸入信號(hào)

在風(fēng)洞中完成旋翼槳葉現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)，驗(yàn)證該方法的可行性和有效性。風(fēng)洞試驗(yàn)通過(guò)改變轉(zhuǎn)速N、風(fēng)速V得到不同的前進(jìn)比μ，同時(shí)改變旋翼垂向力(升力)系數(shù)CW、參考軸傾角α 等參數(shù)，獲得每個(gè)測(cè)點(diǎn)的非定常載荷系數(shù)CP(Ψ)隨方位角變化規(guī)律[15]。試驗(yàn)照片如圖8 所示。

圖8 安裝在風(fēng)洞中的旋翼槳葉模型和采集器

圖9 為N=1 200 r/m、V=12.6 m/s、μ=0.1、CW=0.011、α=-2°時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)表明，觸發(fā)和外時(shí)鐘信號(hào)傳輸正常，采集動(dòng)作準(zhǔn)確，且每個(gè)測(cè)點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)360°后首尾數(shù)據(jù)重合性較好，各測(cè)點(diǎn)系數(shù)變化趨勢(shì)一致。

圖9 旋翼上下表面測(cè)點(diǎn)在360°范圍內(nèi)的載荷系數(shù)變化曲線

4 結(jié)論

用于旋轉(zhuǎn)環(huán)境下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時(shí)鐘抖動(dòng)估計(jì)及修正方法能夠?qū)r(shí)鐘抖動(dòng)量進(jìn)行估計(jì)與修正，顯著減小時(shí)鐘抖動(dòng)造成的采集誤差，提高數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性。該方法滿足旋轉(zhuǎn)環(huán)境下旋翼槳葉表面非定常載荷的準(zhǔn)確測(cè)量，為開(kāi)展旋翼氣動(dòng)載荷特性研究提供支持。