总线缓冲器

2024-11-06

总线缓冲器（精选7篇）

总线缓冲器篇1

MIL-STD-1553B总线作为美国的一种军用串行总线标准,规定了数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线协议及其接口电子设备的技术要求,同时规定了多路传输数据总线的工作原理和总线上的信息流要求及其要采用的电气和功能格式[1]。由于其具有实时性好、抗干扰能力强、冗余备份等特点,在航空、航天电子系统中得到了广泛应用[2]。

1553B总线数据传输方式有两种:单消息模式和循环缓冲模式。单消息模式一次最多可以传输32个字(64字节),当传输数据大于32个字时采用循环缓冲模式[3]。一般情况下,利用FPGA控制实现1553B总线RT端单消息模式数据通信时,数据打包所需的缓存放在FPGA内部或外部RAM中,待数据打包完成后,再将整包数据写入1553B的子地址,同时置矢量字,等待BC端取走[4]。

GNOS掩星探测仪是一种通过测量GNSS信号受中性大气影响后产生的附加延迟量来反演大气折射率、温度、湿度、压力等大气物理参数剖面和电离层电子密度剖面、电子总含量(TEC)等信息的星载仪器,其遥测数据长度为32个字(64字节),通过1553B总线传输给卫星。作为1553B总线的远程终端(RT),GNOS掩星探测仪利用FPGA控制BU-65170实现1553B总线数据传输,采取单消息传输模式[5]。由于遥测数据的打包时间较长,需要4 s,而卫星平台的轮询周期为16s,如果GNOS掩星探测仪在遥测数据打包期间不置矢量字,则卫星平台轮询时不能取到数据的概率为25%,而如果在打包期间置矢量字,则取到的数据有可能不完整[6]。为此,研究一种利用BU-65170芯片内部RAM实现双缓冲的数据传输方案,以期实现GNOS掩星探测仪遥测数据的可靠传输,且避免使用外部RAM,简化系统硬件设计,提高系统的可靠性。

1 GNOS掩星探测仪工作原理

GNOS掩星探测仪由天线和主机两大部分组成。主机包含射频单元、基带处理单元、监控接口单元三个部分。GNOS掩星探测仪原理如图1所示。

天线信号进入GNOS掩星探测仪主机,主机主要实现射频信号下变频、基带信号处理、数据解算以及与卫星之间的数据交互等。与卫星平台的数据交互由监控接口单元实现。监控接口单元的功能采用FPGA及其外围电路完成。监控接口FPGA主要实现GNOS掩星探测仪基带处理单元的工作状态监测与控制、科学数据缓冲下传、辅助定位数据处理下传、遥测数据处理下传,广播数据及上注指令处理或转发等功能。科学数据下传至卫星平台采用RS-422总线,遥测数据与辅助定位数据下传、上注指令与广播数据的传输采用1553B总线。

2 硬件电路设计

GNOS掩星探测仪的遥测数据由两部分组成,一部分由基带处理单元产生,另一部分由监控接口FPGA自主采集生成。FPGA将这两部分遥测数据组合打包完成后通过1553B总线发送给卫星平台。遥测数据传输的硬件电路原理如图2所示。监控接口FPGA选用高可靠反熔丝FPGA实现,型号为A54SX72A,1553B总线RT端的接口控制芯片选用BU-65170,利用BU-65170内部RAM的两个地址空间段构成双缓冲,避免使用外部RAM,简化了系统硬件设计,提高了系统的可靠性。

BU-65170工作在RT模式、16位数据传输、非零等待、缓冲存储模式,其外围信号的配置如下[2]:

(1)TRANSPARENT/BUFFERED引脚接低电平,ZERO_WAIT引脚接高电平,使其工作在非零等待缓冲模式;

(2)16/8引脚接高电平,配置其数据总线有效宽度为16bits;

(3)POLARITY_SEL引脚接高电平,在16bits缓冲模式下,该引脚接高电平,则读操作时,RD/WR引脚高电平有效,写操作时RD/WR引脚低电平有效;

(4)FPGA不需要采取复用的地址/数据总线,因此ADDR_LAT引脚接高电平。

基带处理单元产生的遥测数据采用同步传输方式发送给监控接口FPGA,RFS为同步信号,RCK为时钟信号,RXD为数据信号。PPS为秒脉冲信号,作为基带处理单元发送遥测数据的触发信号。

基带处理单元通过同步传输方式发送遥测数据的传输时序如图3所示。RFS为单周期的高电平脉冲,与数据的最高位对齐。RXD数据以16位为单位进行传输,高位在前,低位在后,且在RCK时钟上升沿同步刷新。时钟信号RCK的频率为1MHz,由基带处理单元连续输出,监控接口FPGA作为接收端,在时钟信号RCK的下降沿锁存数据。

3 软件设计

3.1 基带处理单元与监控接口FPGA的遥测数据传输协议

GNOS掩星探测仪的遥测数据长度为64字节,其中基带处理单元产生的遥测数据为48字节,由三个子包组成,每个子包为16字节。基带处理单元的遥测数据每16 s发送一次,采取分时发送方式,每次发送一个子包,子包之间的传输间隔为2 s,三个子包的包标识分别为“0x EB90”、“0x09D7”、“0x7625”。发送子包时,先发送子包标识,再发送子包数据。传输协议如图4所示。

3.2 软件实现

3.2.1 基带处理单元遥测数据接收

监控接口FPGA检测到秒脉冲信号的上升沿后,进入遥测数据接收状态。接收到子包包头后,准备接收子包遥测数据。在下一个同步信号RFS到来后,在时钟RCK的下降沿锁存数据,将收到的数据暂存在寄存器中,收到16个字节数据后,即结束本次遥测数据接收,返回空闲状态。遥测数据接收状态转换如图5所示。

为了增强监控接口FPGA接收数据的可靠性,采取如下措施:

(1)如果在接收数据的过程中接收到新的秒脉冲信号,则重新开始接收遥测数据,之前接收的数据无效。

(2)以秒脉冲上升沿为计时起点,如果超过0.5 s还未完成16字节数据的接收,则认为本次接收的数据无效,返回空闲状态。

3.2.2 双缓冲数据传输

如果将64字节遥测数据都缓存在FPGA内部,由于A54SX72A的资源紧张,FPGA占用资源率超出了100%,无法正常运行。而如果将64字节遥测数据缓存在外部RAM,需要增加外部RAM器件和对RAM的读写访问控制逻辑,增加了系统设计的难度,同时带来系统功耗和面积的增加,降低了系统的可靠性。

因此,监控接口FPGA每接收到一个16字节子包,将其写入1553B接口芯片内部RAM的对应区域中。在1553B接口芯片BU-65170的内部RAM区开辟A、B两个缓冲区,A、B两个缓冲区中的数据交替更新。监控接口FPGA更新A缓冲区的遥测数据时,让卫星从B缓冲区获取遥测数据,反之亦然。

上电后,监控接口FPGA首先将BU-65170的内部RAM区的两个缓冲区都初始化为0,并将A缓冲区作为卫星平台取遥测数据的子地址,置矢量字,以便卫星平台第一次轮询时能取到遥测数据。

后续的工作流程如图6所示,可分为两种情况:

(1)以卫星平台取走遥测数据的时刻为计时起点,到第14 s时,如果基带处理单元的三个遥测数据子包都已接收完毕并写入1553B的A缓冲区中,则监控接口FPGA将自主采集产生的遥测数据也写入A缓冲区的相应地址中,并将A缓冲区作为卫星平台取遥测数据的子地址,反之亦然。然后置矢量字,确保卫星平台下次(16 s间隔时间到的时刻)能取到遥测数据。

(2)如果到第14 s时,基带处理单元的三个遥测数据子包正在更新A缓冲区,但尚未更新完毕,则监控接口FPGA将自主采集产生的遥测数据写入B缓冲区的相应地址中,并将B缓冲区作为卫星平台取遥测数据的子地址,反之亦然。然后置矢量字,确保卫星平台下次(16 s间隔时间到的时刻)能取到遥测数据。

如果基带处理单元由于故障未能发送遥测数据给监控接口FPGA,则参照上述第二种情况处理,这样监控接口FPGA自主采集生成的遥测数据下传不会因为基带处理单元故障而受影响。

4 试验验证

利用GNOS掩星探测仪的地检测试设备模拟卫星平台,接收GNOS掩星探测仪的科学数据,并发送给上位机,上位机软件对科学数据进行实时存储、处理和显示。地检测试设备还模拟卫星平台定时轮询1553B总线的RT终端,获取GNOS掩星探测仪的辅助定位数据、遥测数据。轮询遥测数据的周期与卫星平台一致,设为16 s。上位机接收遥测数据实时运行的显示界面如图7所示。

GNOS掩星探测仪的遥测数据包中有一个数据为TIC计数,占用4个字节,其含义为GNOS掩星探测仪上电加载程序后连续运行时间,单位为s。为了验证1553B总线数据传输是否稳定可靠,利用GNOS掩星探测仪老炼试验的一组数据来分析TIC计数,该组数据持续将近7天。图8为TIC计数的曲线,图9为TIC计数的前后两个相邻数据的差值曲线。

图8中曲线出现的拐点为GNOS掩星探测仪定时重加载的时刻,定时时间为24 h。即,每隔24 h,GNOS掩星探测仪重新加载程序开始运行,因此其TIC计数也相应从0开始累计。

从图9可以看出,除了重加载时刻之外,TIC计数的前后两个相邻数值的差都为16,与卫星轮询的周期一致。

上述试验可以证明,采取双缓冲传输设计后,GNOS掩星探测仪的1553B总线数据能实现可靠无误传输。

此外,GNOS掩星探测仪已经过高低温循环试验、热真空试验及整星电测、整星各项环模试验等考核,在所有这些试验考核过程中,1553B总线都实现了数据的稳定可靠传输。

5 结论

本文提出一种利用1553B总线接口芯片BU-65170内部RAM的两段地址空间作为GNOS掩星探测仪遥测数据双缓冲的方案。与传统方案相比,此方案避免了使用外部RAM,简化了系统硬件设计,提高了系统的可靠性。对双缓冲的遥测数据交替更新访问,经试验验证,结果表明该双缓冲传输方案能实现1553B总线数据地可靠无误传输。

参考文献

[1]杨伟为,杨萍.基于BU-64843的MIL-STD-1553B总线远程终端的设计.计算机测量与控制,2015;23(11):3837—3838Yang W W,Yang P.Design of MIL-STD-1553B bus remote terminal based on BU-64843.Computer Measurement&Control,2015;23(11):3837—3838

[2] 黄敬涛,李丙玉,王晓东,等.某型红外探测系统中1553B总线通信设计与实现.电子测量技术,2015;38(9):143—146Huang J T,Li B Y,Wang X D,et al.Design mad realization of1553B bus communication in an infrared detection system.Electronic Measurement Technology,2015;38(9):143—146

[3] 刘骐铭,冯旭哲.星载子网1553B总线数据传输与管理.宇航计测技术,2015;35(5):64—68Liu Q M,Feng X Z.A data transmission and management scheme of inter-Satellite network on 1553B bus.Journal of Astronautic Metrology and Measurement,2015;35(5):64—68

[4] 张惠宇宸,王晓曼,刘鹏,等.基于FPGA的1553B总线的接口设计.吉林大学学报(信息科学版),2015;33(2):125—131Zhang H Y C,Wang X M,Liu P,et al.Design of 1553B bus interface based on FPGA.Journal of JiL in University(Information Science Edition),2015;33(2):125—131

[5] 李海军,牟俊杰,孙海文.高速1553B总线控制器通信管理系统设计.现代电子技术,2014;37(17):16—18Li H J,Mu J J,Sun H W.Design of communication management system for high-speed 1553B bus controller.Modern Electronics Technique,2014;37(17):16—18

[6] 王冬伟,孙越强,杜起飞,等.基于BU-61580与USB的MIL-STD-1553B总线控制卡的设计.科学技术与工程,2012;20(11):2580—2585Wang D W,Sun Y Q,Du Q F,et al.A MIL-STD-1553B bus control card design based on BU-61580 and USB.Science Technology and Engineering,2012;20(11):2580—2585

双通道PCIe缓冲器篇2

Ma xim推出双通道缓冲器和均衡器MAX4950A, 设计用于转接驱动PCIeR1.0和PCIe 2.0信号。器件采用2个带有空闲/接收检测且信号幅度一致的缓冲器, 保护信号不受输出端噪声的干扰。为进一步保持信号完整性, MAX4950A具有可编程输入均衡和可编程输出去加重电路, 以补偿转接驱动PCIe 2.0 (数据速率高达5.0Gbps) 高速信号时的所有电路板损耗。MAX4950A理想用于台式计算机、笔记本PC、工作站和服务器等必须通过连接器和长距离电缆、带状线和微带线传输信号的应用。

MAX4950A还具有节省功耗模式, 可在所有通道同时工作时降低静态电源电流。此外还具有使能引脚, 可将器件置于待机模式, 进一步节省功耗。

MAX4950A采用3.3V单电源供电, 工作在0℃～+70℃商业级温度范围。器件提供小尺寸6.0mm x6.0mm、36引脚TQFN封装。

缓冲器使用聚合材料的效果篇3

在当代俄罗斯和国外的机车车辆中,摩擦式、液压摩擦式、弹性胶泥式和金属橡胶式缓冲器已经得到了最广泛的应用。但是弹簧摩擦式缓冲器保证不了缓冲器的大容量和工作的稳定性。因此,在缓冲器中开始使用聚合材料作为支撑缓冲件[1,2,3]。

聚合材料须符合现有的一系列标准:

(1) 稳定的工作能力并保证在宽的温度范围内(-60 ℃～+50 ℃)整套聚合材料都具有尽可能大的容量;

(2) 保证聚合材料弹性件具有足够的刚度;

(3) 对被磨损的弹性件具有再加工的可能性。

根据上述标准,聚合材料须符合下列要求[4]:

(1) 材料的弹性应允许产生尽可能大的相对变形(达到50%);

(2) 能量不可逆吸收率应不低于70%;

(3) 应保证具有高的力特性稳定性;

(4) 机械性能的变化在老化、侵蚀性环境、日光辐射或外界温度的影响下尽量小。

最有发展前途的是聚酯热弹性塑料[5]。对属于这一类的许多国外材料(如荷兰、白俄罗斯、美国等国家的材料)进行了研究。

对于含有聚合材料结构的计算,拥有聚合材料弹性的实验数据并具有可接受的准确度是极为重要的。根据这些数据进行参数计算,以适当地描述某种超弹性材料模型。

为鉴别材料模型,须进行聚合物试样的下列试验:单向拉伸、压缩(双向拉伸)和纯剪切试验。

缓冲器聚合材料弹性元件最佳几何特性的选取,是根据获得组件的必要的刚度和预紧以及力特性全部系数的条件进行的。缓冲器须符合OCT标准的要求[7]:预紧力应为0.1 MN～0.4 MN,而阻抗力则须达到1.5 MN。

还要注意到那些使用聚合材料而有可能获得高容量和可靠性的缓冲器。属于这一类型的有:ПМКП-110型摩擦-聚合材料式缓冲器[8]和ГП-120A型液压聚合材料式缓冲器[9]。这2种缓冲器都是由国立布良斯克技术大学和ДИПРОМ公司合作研制的。

ПМКП-110型缓冲器(图1)由箱体1和其中设置的压紧楔5、摩擦楔4、支撑板6、活动摩擦板3、带有耐磨的粉末冶金件的固定摩擦板 2 组成。支撑板支承在由各对中板12分隔开的聚合材料弹性元件组7～11上。缓冲器用带螺母的拉紧螺栓13组装成一体。

侧断面、元件的内槽及其深度和形状是通过试验方法,根据获得组件必要的刚度和预紧,以及力特性饱满度(编者注:饱满度是指缓冲器吸收的能量与最大阻抗力和行程乘积之比值)及其稳定性的条件确定的。图2示出了聚合材料元件的简要结构。该结构可保证具有很高的弹性(当温度为正值、负载为400 kN时,相对变形超过50%)和足够稳定的静、动力特性。

对元件组进行了一系列试验——静力、气候和动力试验,可以得出其工作能力的结论。

ПМКП-110型缓冲器聚合材料元件的力特性见图3。

在研究过程中确认了Arnitel EL550聚合材料模型,用有限元法对其应力-变形状态进行了计算,与试验的偏差平均为4%～5%(图4)。通过计算修改了聚合材料弹性元件的尺寸和形状。

而后进行的动力试验表明,该缓冲器的额定容量为70 kJ,且符合T1级。

另一种得到应用的聚合材料元件是ГП-120А型液压聚合材料式缓冲器,其特征是聚合材料支撑组件设置在液压缸内。

ГП-120А型液压聚合材料式缓冲器(图5)由缸体4、柱塞1、8个由板3分隔的小型聚合材料元件2和3个大的聚合材料元件5组成。组装起来的缓冲器由用螺栓固定在器件上的盖6固定。为使液压缸与柱塞间达到密封,使用了耐寒的密封装置。

动力试验(图6)表明,力特性在缓冲器行程开始时有一段是缓倾斜的,这表明在液体工作的同时,室内还有空气进入到组成的缓冲器内。缓冲器力特性的饱满度约为0.6。当力为2 MN时,缓冲器行程为114 mm,额定容量为140 kJ。

1——1.3 m/s;2——1.75 m/s;3——2.24 m/s;4——2.75 m/s

在ГП-120型缓冲器的试验研究过程中,曾有如下规定:

当温度为-60 ℃时,缓冲器要保持其工作能力;

在聚合材料元件压缩至最大行程之后,要毫无阻滞地恢复到原位;

当温度为-40 ℃和+50 ℃时,额定容量的变化不得超过这一指标值的30%(这一数值是在温度为18 ℃±5 ℃时确定的)。聚合材料元件特性的最大变化发生在温度低于-50 ℃和高于+30 ℃时。而当温度范围为-50 ℃～+15 ℃时,元件弹性的变化只有22%。无论是在低温时力特性饱满度提高,还是在高温时变形增加,弹性元件的容量都是相当高的。

在组件静压缩过程中,弹性元件的最大直径均未超过结构上的允许值。

为了比较使用不同缓冲器的效果,利用仿真模型对这些缓冲器在运用条件下的工作进行了分析,共分析了3种缓冲器:批量生产的ПМК-110型弹簧-摩擦式缓冲器、ПМКП-110型摩擦-聚合材料式缓冲器和ГП-120 型液压聚合材料式缓冲器。缓冲器的数学模型是利用试验数据制作的。

分析了最重要的运用工况[1,2]:列车启动、制动和调车作业。以计算为依据的统计数据列于本文参考文献[3]。使用了相同尺寸的计算简图,可表示列车编组缓冲器连接中间有固体链[1,2],模拟调车冲击的结果见图7。

在模拟列车启动和制动时,对重5 600 t的车列进行了分析,最大纵向力沿车列长度的分布图见图8和图9。

可见,车辆装用ПМКП-110型缓冲器时,作用于车辆的纵向力,无论是在启动时还是制动时,都大大降低了。启动时的力比ПМК-110型缓冲器降低了10%～15%,制动时降低了10%～20%。

使用ГП-120型缓冲器车列中的纵向力,与ПМК-110型缓冲器相比,在启动时可降低25%～30%,制动时可降低40%[7,8,9]。

可以得出以下结论:使用聚合材料的缓冲器可以改进缓冲器的运用特性,提高缓冲器的容量和可靠性;保证缓冲器在宽的温度范围内保持工作能力。

参考文献

[1]#12

[2]#12

[3]#12

液气缓冲器的性能研究篇4

1.1 结构:缸筒, 柱塞, 浮动活塞, 柱塞底座, 调节杆, 气塞, 氮气, 液压油, 节流孔, 密封组件。

各部分主要作用如下:缸筒——整个缓冲器的支持件和联结件。柱塞———承受和传递冲击力。浮动活塞———分隔气体和液体。

柱塞底座——提供节流孔并起导向作用。调节杆———运动中改变阻尼孔面积、长度, 调节阻尼力。气塞———充气阀兼起密封气体作用。液压油———液压缓冲器的工作介质, 起吸收能量和散热作用。节流孔———与调节杆共同调节缓冲阻尼力。密封组件———防止液压油渗漏。

1.2 工作原理。

假设某节质量为M1货车A正以速度V1匀速运动, 其上面的液压缓冲器缸筒与车体刚性联结, 柱塞与车钩刚性联结。另一节质量为M2货车B以速度V2匀速运动, 并从后面追上货车A, 当两车车钩开始碰撞的瞬间, 液气缓冲器开始起作用。

如果对接完成后的共同运行速度为V, 不考虑钢轨的摩擦力, 则根据动量定理有:M1·V1+M2·V2= (M1+M2) ·V (1)

每节货车受到的冲量为:F·t=M1· (V-V1) =M2· (V2-V) (2)

可见, 要想减小冲击力F, 必须延长冲击的作用时间t, 如果冲击时间延长10倍, 则平均冲击力减为原来的1/10, 即通过使用液气缓冲器, 可将原来的刚性冲击变为液压软缓冲, 大大减小冲击作用力, 液气缓冲器正是起到了这样的作用。

当缓冲器柱塞被压缩进缸筒里时, 柱塞底座后面的液压油因受挤压被迫通过节流孔流入浮动活塞的后面, 并推动浮动活塞压缩氮气, 储存柱塞复位的能量。液压油通过节流孔时, 因阻尼作用在节流孔前后产生很大的压差, 这个压差是产生柱塞推力的主要因素。同时, 因液体摩擦产生大量的热能, 大量吸收货车的动能, 从而达到大幅降低反向冲击力的作用。这就是液气缓冲器的工作原理。

2 液气缓冲器的运动平衡方程

两节车体之间的冲击可能发生在对接中, 也可能发生在起动、制动和行驶中。下面假设缸筒固定不动, 柱塞中的气体腔注入压力为P0的氮气, 在受冲击前, P1=P2=P3=P0。这时, 柱塞受一质量为M, 运行速度为V的物体的冲击, 柱塞被压入缸筒内, 柱塞后面的液压油通过节流孔流到浮动活塞后方, 同时节流孔两端出现压力差ΔP=P3-P2, 这个压差是可以通过伯努利方程计算的, 它与节流口的形状a、面积s、长度x以及柱塞运行速度v和液压油的密度ρ有关, 即

一般浮动活塞质量较轻, 可以不考虑它的惯性力, 认为油压P2与气压P1相等且都是气体初始压力P0、初始体积V0和行程x的函数, 可按气体的多变过程计算, 即:P1=P2=f (P0, V0, x) (4)

假设物体受到的轨道摩擦力为Fr, 柱塞密封圈的摩擦力为Ff, 柱塞底座的横截面积为S1, 节流孔的横截面积为S2, 根据牛顿第二定律, 对物体可列出如下受力平衡方程:Fr+Ff+P3· (S1-S2) +P1·S2=M·a (5)

其中a为物体在这些力作用下的减速度。

当物体的运行速度减为零后平稳地恢复到新的平衡位置时, 缓冲过程结束。

3 缓冲器的静动态特性

3.1 缓冲器的静态推力和刚度。在静态情况下, 柱塞的推力只与气体压力有关, 根据等温条件下的气体状体方程得

式中:P0——气体初始压力;V0———气体初始容积;P2———气体瞬时压力;S3———柱塞横截面积;x———柱塞压缩行程。

假定各参数为:V0=5000ml, P0=100bar, S3=120cm2, 根据公式, 可绘制出液气缓冲器的静态推力和静态刚度曲线。

可见液气缓冲器的静态推力随行程的增加而增加, 静态刚度随行程的增加按抛物线规律较快上升。

结论如下: (1) 在其他条件不变的条件下, 减小气体的初始体积, 将大幅度提高柱塞的静态推力和静态刚度;反之, 则大幅度降低柱塞的静态推力和静态刚度。 (2) 在其他条件不变的条件下, 减小气体的初始压力, 将使柱塞的静态推力和静态刚度按压力减小的比例减小;反之, 则按比例增加柱塞的静态推力和静态刚度。 (3) 在其他条件不变的条件下, 减小柱塞的横截面积, 将使柱塞的静态推力和静态刚度减小并使曲线变得较为平坦;反之, 则使柱塞的静态推力和静态刚度增加并使曲线变得较为陡峭。

根据这些结论, 我们在设计液压缓冲器时可以有目的地调整各个参数的大小, 使液压缓冲器的整体性能指标达到设计要求。

3.2 缓冲器的动态推力及容量。

液气缓冲器的动态推力实际上是几种作用力的合力, 这些作用力包括:轨道摩擦力Fr, 密封件摩擦力Ff, 因液体流过节流孔产生阻尼作用, 使节流孔两端产生压力差, 从而产生的作用在柱塞底座上的合力Fρ, 其中合力Fρ对液气缓冲器动态推力的大小和变化趋势起到决定性的作用。设计液气缓冲器, 必须合理地确定节流孔的变化规律。

根据国外公开的资料, 动态液压缓冲力可达1000kN, 在缓冲行程100mm之内, 如果要达到最好的缓冲效果, 柱塞推力不应有太大的变化幅度, 由此可得最大动态缓冲容量为P=F·x=1000×103×100×10-3=100 (kJ)

当冲击速度小于11km/h时, 缓冲行程将自动减小, 动态推力也将减小, 如果节流孔和调节杆设计得好, 则动态推力应在起始段迅速上升, 然后在大部分缓冲行程之内变化幅度较小, 结束段迅速下降, 这样才能使缓冲效果最好。

实际上, 为了改善车体的平稳性, 往往使液气缓冲器的初始冲击力更小一些, 然后逐渐变大, 最后迅速下降。这种情况下, 最大冲击力将增加一倍左右, 对缓冲器的结构强度和密封性能要求更高。

4 影响液气缓冲器性能的关键因素

(1) 阻尼孔形状、面积、长度; (2) 调节杆外廓曲线及长度; (3) 气体初始容积及充气压力; (4) 液压油容量; (5) 密封结构; (6) 材料选择及热处理方法。其中第 (1) 、 (2) 项最为关键, 需要理论计算与试验结果相结合确定;第 (3) 项应与前两项在计算中共同确定, 同时要关注密封件的耐压能力;第 (4) 项主要考虑工作行程、发热量, 必须具有足够的裕量;第 (6) 项决定了缓冲器的使用寿命和可靠性, 必须合理选择材料和热处理方法。

5 结论

磁悬浮式缓冲器的设计方案研究篇5

关键词：电梯安全,磁悬浮,缓冲器,设计过程

近年来, 随着我国经济建设事业的迅猛发展, 人民物质生活水平迅速提高, 电梯已经不仅仅只是生产环节的工具, 更是人们日常生活中一种必不可少的垂直交通工具。随着电梯的普及, 电梯安全事故也越来越多, 一旦发生电梯事故, 将会给人民群众带来生命财产上的极大伤害。如今的电梯安全装置较为单薄, 从缓冲器上来说, 目前绝大多数电梯都是安装液压型缓冲器, 即在电梯井道的底部安装一个液压缸。当制动器, 安全钳等作用失灵时, 仅仅靠一个液压缓冲器并不能很好的保障电梯内的人员安全。因此, 有必要研究一种新型的缓冲器来保障人民的生命财产安全。

1 电梯的结构及安全事故的简要分析

电梯是机、电一体化产品。包括机械部分、电气部分和控制系统。从电梯各构件部分的功能上看, 可以分为八个部分:曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统和安全保护系统。在安全保护系统中, 包括制动器、安全钳和缓冲器, 缓冲器是电梯安全的最后一道防线, 是电梯安全最基本的保障。

通过对大量电梯事故的分析和总结, 电梯事故的原因通常可分为电梯设计与制造、安装、使用与维护几个方面。[1]我国的电梯制造起步很晚, 20世纪五十年代国内才开始自行研制自己的电梯。好多隐患来自于使用了劣质的配件, 如安全钳、限速器等保障安全的配件。还有很多容易老化、集成化程度不高的电气元件。这就使电梯的故障率增高。安装的环节中, 如果由一些不专业的工程队或者没有经过专业培训的工程队来安装, 同样也会使电梯留下安全隐患。人们不合理的乘坐电梯, 会使电梯无法正常运行, 导致电梯故障。如在电梯内打闹、推门、扒门等不合理的行为。

2 磁悬浮技术在缓冲器上的设计

从对资料的大量查阅开始, 要使简单有效的原理支撑的设想转化为具体能实际工作的模型并不是一蹴而就的事情。每个设想或者设计都存或多或少的纰漏, 当纰漏达到一定程度时, 便要从另一个角度去从新思考。单纯的将磁悬浮原理生硬的套用在缓冲器上, 只能说是一种简要的设想。磁悬浮技术开始于20世纪90年代, 是一项伟大的发明。磁悬浮技术是利用电磁力将物体无机械接触的悬浮起来, 该装置由传感器、控制器、电磁铁和功率放大器等部分组成。[2]磁悬浮技术并不是和它的原理:“同性相斥, 异性相吸”这么简单, 还必须考虑磁力的大小, 还有其它因素对磁力的影响, 如温度、电流、涡流等等。

2.1 方案设计一

结构设计是一件复杂而又必须小心谨慎的工作, 任何的瑕疵都可能使整体结构的瓦解。从一开始, 设想在电梯井道的底部, 将常规的液压缓冲器替换成一个大的电磁铁或者几个相对小一点的电磁铁。同样在轿厢的底部也安装相应的逆向电磁铁, 与井道中的电磁铁相互作用, 而对电梯达到减速的作用。实际上, 这种看似可行的结构方案并不能很好的说服大家或者得到专家的认可。没有准确的理论数据实验支撑, 只能把它定为初步设想。

2.2 方案设计二

要设计出来的缓冲器是要使电梯失控时, 将其速度逐步降低。那么, 就要连续地对电梯进行作用。所以, 就可以提出另外一种设想:在每个楼层之间都缠绕线圈, 通电之后就会产生磁场, 将电梯轿厢看做一个导体, 做切割磁感线的运动。这样轿厢就会产生一个与电梯运动反向相反的反作用力, 从而使电梯能够在失控时一直在做减速运动, 降低电梯的动能。可是从经济性和实际的结构设计和安装来说, 这个设想就会有很多纰漏。首先, 大量的线圈会使电梯公司的成本增高, 这个是电梯公司最不愿意做的事情。其次, 还要制作绝缘层, 防止漏电。而整个线圈在楼层之间的安装也会成为工程队的一个难题, 再次加重了电梯公司的成本。

2.3 方案设计三

磁悬浮列车的成功, 是一个很大的启示。列车能快速的行驶和平稳的停止, 这位新的设想提供了技术上的支撑。电梯井道和铁路一样, 都有相应的导轨。电梯井道的导轨安装在井道的内壁上, 导轨的横截面为“丁”字形, 刚性强度高, 可靠性高, 能承受电梯超速事故时制停电梯的受力。导靴与导轨相对应, 导靴分为滑动导靴和滚动导靴两类。滑动导靴一般是由带凹形槽的靴头, 靴体和靴座组成。在靴头凹槽部分中一般镶由耐摩擦的靴衬, 靴头可以固定也可以活动。滚动导靴则用三个滚轮沿着轨道运行。根据磁悬浮原理, 电梯导轨上装上磁感应材料, 同时在电梯导靴的凹形槽内装上电磁铁。导轨和导靴凹形槽内表面涂有耐高温材料和绝缘材料, 防止涡流产生的热量对导轨和导靴的刚性强度产生影响。当电梯发生事故超速时, 限速器发出相应指令, 触发安全钳和缓冲器。在安全钳无效阻止轿厢强制停止的情况下, 再次触发缓冲器通电并开始工作。在电梯下降的同时, 电磁铁及时工作发出足够强大的磁场感应导轨上的特定磁感应材料, 在磁感应材料表面产生涡流, 进而产生和电梯轿厢运动相反方向的阻力, 从而对电梯达到减速的目的。见图1、图2。

3 结论

本文从电梯的结构, 电梯事故原因的简要分析, 提出了一种新的电梯缓冲器。根据磁悬浮原理, 在电梯导轨和导靴之间利用电磁铁和感应金属片形成磁场相互作用, 对电梯轿厢进行作用, 保障电梯在失控时电梯内人员的安全。相比较常规的缓冲器, 这种新型的缓冲器能更好的从源头上将电梯速度降低, 耗能少, 更加安全。

参考文献

[1]易风华, 徐义.电梯事故原因分析与预防措施研究[J].电力安全技术, 2011, (6) :22-23.

总线缓冲器篇6

随着物联网技术发展需要，2.4 GHz频段的无线应用得到了空前发展，无线空中传输速率较快，无线模块提供给用户使用的大多为SPI接口。相对于UART接口来说，SPI接口采用同步串行传输，传输速度较快，但是通信时传输距离短、要占用更多的CPU、内存和I/O接口资源。UART接口是全双工异步接口，大部分MCU自带这种接口，使用时编程简单，占用内存少。根据用户需要，可以将UART接口转换为RS 232电平或RS 422电平，延长传输距离，所以UART接口在控制类领域仍大量使用。

基于UART接口的无线模块，不用设计额外的电路和程序，可以按有线方式使多个节点进行通信，并且受地理条件限制少、安装灵活。本文依据市场发展需求，研究和设计了一种基于STC15W204S单片机和nRF24L01无线射频收发芯片实现的小成本、低功耗UART无线模块。

1 UART无线模块传输数据面临的问题及解决方案

UART无线模块接口示意如图1所示，单片机STC15W204S一方面接收UART接口的数据和配置命令，另一方面通过SPI接口与nRF24L01进行通信，传送数据、命令、启动发送和检测接收等功能。在设计时一方面要解决各种接口速度不匹配问题，另一方面还要尽量提高数据传输速度。

1.1 速度匹配问题

通过对UART、SPI和无线这三种通信模式的数据传输速度分析来看，SPI通信的速度是由STC15W204S提供的时钟信号决定的，可以达到5 Mb/s;nRF24L01的无线数据包空中速率可以设置为250 Kb/s,1 Mb/s和2 Mb/s，速度虽然快，但数据是以数据包方式在空中传输，不具备连续性；UART传送数据的速度范围为每秒几百位到1.5 Mb/s，其速率受发送和接收线对距离（线长度）的影响非常大，常用速度一般不会超过128 Kb/s。由于三种通信模式的数据传输速度不一致，在数据传输过程中难免会有部分数据积压，需要合理的设置一段存储区来处理数据。

1.2 无线通信有效数据传输速率问题

nRF24L01的无线数据包包含前导码、地址、标志位、数据（1～32 B）和校验，发射时消耗在启动、发送接收模式切换和应答时间较长。由于数据包中数据长度可以设置1～32 B，其有效数据传输率相差很大。下面以发送一包数据时序来分析其有效数据传输速率，如图2所示，为增强型SchockBurstTM模式发送一个有效字节的数据包所需时间为339μs，每增加一个有效字节仅需4μs，设发送一包数据的时间为TECB,MCU上传数据至nRF24L01的时间为TUL，发送的有效字节数为N，则根据时序图可以得到公式（1):

当STC15W204S的晶振设为22.118 4 MHz时，经编程测试，TUL消耗时间为250μs，故TECB=250+335+4N=585+4N。

其有效数据通信频率设为F，则得到公式（2):

将TECB的值代入公式（2）得到：

当N=1 B时，F=13.582 Kb/s;

当N=32B时，F=359.04 Kb/s。

由此可见，数据长度的大小很大程度上影响了无线数据传输效率，一个数据包中数据长度越大，则数据传输效率越高。

为了提高数据传输速率，每个无线数据包尽量包含更多的有效数据，但是两个无线数据包之间会有一定时间间隔，如果每个数据包都按最大有效数据量来打包，当UART接收数据量达不到打包条件时，则会使程序处于等待打包状态，即使可以增加延时退出程序来解决，由于消耗CPU时间较长导致实时性差。

如果每从UART接收一个数据就打包发送，虽然实时性高，但传输效率很差，经测试，在这种情况下，UART速度最大可设置为4 800 b/s。

所以在无线数据打包时，变长长度的数据包可以有效地解决数据传输速度和实时性问题。

2 解决方案

STC15W204S单片机的UART为全双工通信方式，但发送和接收缓冲器只有1个字节，为了解决数据传输的速度匹配和无线数据实时性较差这两个问题，需要设计一个缓冲区对接收和发送的数据进行缓存。在设计缓冲区时，除了考虑其大小来满足通信需要，还要考虑如何减少CPU处理数据的时间。首先确定UART数据缓冲区大小，设置数据写入和读出操作指针，指针通过取模的方式循环指向缓冲区内的位置。当接收新数据时，数据写入指针通过加1取模调整，然后写入数据，当从缓冲区读数据时，数据读出指针通过加1取模调整，然后取出数据。这样，缓冲区内部数据不需要进行移动，大大节省了CPU处理数据的时间。

当UART向无线接口发送数据时，将无线数据包的数据长度设置为32个字节，最后1个字节定义为有效数据长度，为了保障通信的实时性，只要UART接收缓冲区中有数据就启动一次无线打包发送程序，将数据全部打包传输，数据包的长度是变长的，不超过31个字节，最后1个字节为有效数据长度。这样既提高了数据传输效率，又保证传输实时性。

3 程序设计

在RAM中定义两个存储区，一个为接收缓冲区，一个为发送缓冲区。接收缓冲区长度宏定义为RECV＿BUF＿LEN，发送缓冲区长度定义为TRANS＿BUF＿LEN，具体值通过宏定义设置。定义变量Recv＿In＿Pointer和Recv＿Out＿Pointer分别为接收缓冲区数据写入和读出指针，Trans＿In＿Pointer和Trans＿Out＿Pointer为发送缓冲区数据写入和读出指针，调整指针后，对指针取模，则指针固定指向某个范围区域，构成循环缓冲区。下面讨论UART接收数据缓冲区工作原理。

为了避免UART的接收和发送数据时使CPU处于等待状态，UART的接收和发送采用中断模式，在中断服务程序中再判断是接收中断还是发送中断。如果是接收中断则将UART数据写入接收缓冲区，并调整写入数据指针，使之指向下一个空数据项。如果是发送中断，则调整数据读出指针，如果发送缓冲区没有数据，则将发送数据结束标志置位。

设置RECV＿BUF＿LEN=16，在接收数据缓冲区，其初始状态为输入指针Recv＿In＿Pointer和输出指针Recv＿Out＿职Pointer都指向接收缓冲区位置0处，如图3(a）所示。当UART接收到数据，进入UART中断服务程序，将数据写入接收缓冲区Recv＿In＿Pointer指向的位置，然后调整指针Recv＿In＿Pointer，使其指向空数据项，同时将位变量Recv＿End置1，表示接收缓冲区已有新数据，如图3(b）所示。当接收缓冲区有数据（Recv＿End=1),CPU处理UART数据时，从接收缓冲区Recv＿Out＿Pointer指向的位置读出数据，然后调整指针Recv＿Out＿Pointer，使其指向下一个数据项，当Recv＿In＿Pointer和Recv＿Out＿Pointer的值相同则表示接收缓冲区中无数据，同时将Recv＿End清1。如果CPU不及时处理接收缓冲区中的数据，当UART接收数据过多时，就会使接收缓冲区溢出，如图3(d）所示。

下面介绍从UART接收到无线发送的部分程序。

UART中断接收部分程序如下：

在无线打包程序设计过程中，数据包最大数据长度为32 B，采用变长数据发送模式，将数据包的最后1个字节用来表示有效数据长度，有效数据长度宏定义为TX＿PLOAD＿WIDTH，可以在编译之前设置，最大长度为31 B，无线打包发送程序如下：

对于UART发送数据缓冲区，它的工作是接收无线数据包至无线接收缓冲区，然后对数据进行分析，提取有效数据，通过UART口发出。由于无线数据包数据项的最后一个字节表示有效数据长度，通过这个字节就可以知道应该从无线接收缓冲区取出多少字节的数据。单片机在这方面处理的速度远远高于无线打包程序处理速度，所以这方面程序不需要过多优化。

4 测试

测试时采用长数据串连续传输，传输时会将数据分成多个数据包，根据UART接收数据量的多少变长打包，当UART接收数据速度越快，则无线数据包中含有的有效数据量越大。由于无线数据包中的数据长度设置为32个字节，最后1个字节表示有效数据个数，只要有效数据量不超过31，就说明缓冲区不会溢出。

将两个UART无线模块连接至计算机，在程序代码中插入测试代码，将数据包中有效数据量返回，使用串口调试软件进行数据通信测试。其中一个无线模块用于接收数据，如图4(a）所示，串口号为COM8，另一个无线模块用于发送数据，如图4(b）所示，串口号是COM9，串口速率都设置为128 000 b/s，连续发送1 000个字符数据用于测试。测试结果表明，无线数据发送时封装为70个数据包，其中数据包最大有效数据长度为15，小于31个，从COM8接收到的数据也是1 000个字符，说明无线模块在该速率下传输是准确、可靠的。

根据这个方法对不同速率情况下，数据传输和打包情况测试结果如表1所示。

该结果说明当速率设置为4 800 b/s及以下时，可以实现串口数据实时打包传输，即每接收一个串口数据就立刻打包从无线端口送出，不需要设置缓冲区。当速率设置为9 600 b/s及以上时，会出现几个数据封装为一个无线数据包的情况，这种情况就必须要设置UART接收和发送缓冲区，才能实现可靠传输。

5 结语

本无线模块经过多次测试检验是非常可靠的。考虑到无线模块不同的使用用户，作者为无线模块编写了配置程序，配置信息保存在E2PROM。配置内容包括波特率、无线频道、发送和接收通道地址、接收运行和自动应答等，用户在使用时只需配置一次即可。作者设计时采用了STC新款宽电压1T单片机STC15W204S，工作可靠，速度快，价格便宜。由于无线模块采用UART接口后，用户只需要安装UART接口编程即可，不用考虑无线数据收发问题，使用非常方便。

摘要：在无线通信环境下,基于UART接口的无线模块可以释放CPU软硬件资源、使用方便、用途广泛。通过介绍一种廉价的无线模块设计方案,根据n RF24L01封装无线数据包和UART接口速度慢的特点,设计了对UART数据的发送和接收双缓冲器,开发软硬件,实现了可靠的无线数据通信。实验表明无线模块UART接口的可靠通信速率可以达到128 000 b/s,达到预期效果,满足大部分网络化条件下无线通信功能要求。

关键词：UART,NRF24L01,缓冲器,无线模块

参考文献

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[3]刘志平,赵国良.基于nRF24L01的近距离无线数据传输[J].应用科技,2008(3):55-58.

[4]刘超伟,赵俊淋,易卫东.基于nRF24L01的无线图像传感器节点设计实现[J].电子测量技术,2008(6):136-139.

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[7]郝文延,焦明华.基于DSP和nRF24L01的无线环境监测系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2011(3):51-54.

[8]杨旭,李德敏,张谦益.基于nRF24L01的一种无线通信协议设计[J].通信技术,2011(7):57-59.

总线缓冲器篇7

转管武器具有极高的射速, 被广泛应用于舰载、车载和机载, 在世界武器之林占有重要一席。而高射速与低后坐是自动武器内在的一对永恒矛盾, 为保证和提高武器系统的射击精度, 选择合理的缓冲装置是降低后坐力的有效措施。

环形弹簧由若干个彼此以锥面相配合的具有弹性的内、外钢环叠合而成, 工作时, 内外环形弹簧锥面间产生很大的摩擦力, 能够承受较大的载荷［１］。环形弹簧的缓冲能力很高, 能消耗掉所吸收的大部分能量, 而只释放吸收总能量的1/3左右, 通常用在空间尺寸受限制而又需要大量吸收机械能量的机构中作缓冲簧, 在自动武器中主要用于大口径武器, 用作枪机缓冲簧、枪机框缓冲簧以及身管缓冲簧等［２］。弹簧磨损和损坏后不需要全部更换, 只需要将损坏的圆环更换即可, 维修方便, 经济性好。

1双向环形弹簧缓冲器工作原理

有预压的双向环形弹簧缓冲器主要由缓冲簧、缓冲筒、连杆、耳环、螺套、螺帽、垫片等组成, 其结构如图1所示。

1-前垫圈;2-后垫圈;3-螺套;4-螺帽;5-缓冲簧;6-缓冲器筒;7-连杆;8-耳环

此缓冲装置在炮身后坐和复进过程中都起到了缓冲的作用, 在炮身复进到位时能继续向前运动, 向前压缩缓冲簧;前冲到位后, 缓冲簧伸张, 又使炮身返回运动。这样炮身的运动周而复始, 每循环一次, 就构成了后坐、复进、前冲和返回4个阶段。

2建立缓冲器简化模型

环形弹簧缓冲器设计的任务是根据炮身的结构和性能确定缓冲簧的参数, 包括弹簧预压力F１、刚度k和最大工作行程γ, 并由此设计出能满足要求的缓冲装置结构。

由于缓冲器在其工作过程中受力比较复杂, 因此可以做一些合理假设, 以简化计算, 方便分析。具体为:1架座保持稳定, 否则, 架座的移动和跳动要吸收一部分后坐能量;2架座是刚体, 即省去其变形吸收的能量;3缓冲簧因内耗损失的能量, 认为弹簧力随位移呈线性变化, 后坐时吸收的能量在复进时释放的很少; 4为便于计算, 取射角为零;5省去因动力偶而增大的滑板摩擦阻力, 取滑板摩擦阻力Fｒ为一常量。转管炮在缓冲器上的运动如图2所示, 其中, Fｐ为后坐力, I为后坐冲量。

1-转管炮;2-缓冲器;3-炮架

3炮身缓冲运动微分方程的建立和求解

3.1建立方程

炮身后坐运动微分方程为:

其中:m为炮身的质量;dv /dt为炮身运动的加速度;FR为后坐阻力 (由缓冲簧力F1+kx和摩擦力Fr组成) 。

在炮身运动一个循环的4个阶段中, FＲ随着缓冲簧力F１+kx和摩擦力Fｒ方向的变化而变化, 将其代入式 (1) 可得不同阶段的运动微分方程:

后坐阻力FＲ可用式 (2) 来表示:

其中:F为缓冲簧力, F=F１+kx。

在炮身运动一个循环的4个阶段中, 缓冲簧力F和Fｒ的符号见表1。

炮身运动的动力学微分方程组为:

3.2方程求解

通过Matlab编程计算, 用龙格库塔求解4个阶段的运动微分方程, 求出的后坐位移和后坐阻力曲线如图3和图4所示。