電磁學應用舉例

1、電磁學在生活中的應用主要內容:一、電磁爐(Electromagnetic Oven )、微波爐(Microwave Oven)三、藍牙技術(Bluetooth Technology)四、磁懸浮列車(Maglev Train)、電磁爐1、電磁爐的結構電磁爐是現(xiàn)代廚房革命的產物，它無需明火或傳導式加熱而讓熱直接在鍋底 產生，因此熱效率得到了極大的提高。它是一種高效節(jié)能櫥具，完全區(qū)別于傳統(tǒng) 所有的有火或無火傳導加熱廚具。電磁爐是利用電磁感應加熱原理制成的電氣烹 飪器具。使用時，加熱線圈中通入交變電流，線圈周圍便產生一交變磁場，交變 磁場的磁力線大部分通過金屬鍋體，在鍋底中產生大量渦流，從而產生烹飪所

2、需 的熱。在加熱過程中沒有明火，因此安全、衛(wèi)生。電磁爐的功率一般在7001800W 之間，它的結構主要由外殼、高級耐熱晶化陶瓷板、PAN電磁線盤、加熱電路板、控制電路板、顯示電路板、風扇組件及電源等組成。2、電磁爐的工作原理2.1整體電路圖電磁爐的整體電路方框圖如下圖1-1 ;各部分關系框圖如下圖1-2 :微處理器很幡電壓 監(jiān)測亀豁丄M主回路圖1-1電磁爐整體電路方框圖P W M1GBT 邂助-方滾電雷g繪同步CPUIGBT操控電跑+5 VII反刪節(jié)嚴-=r-比鍋檢測tour溫曲軌-1賊破鋼1血詡艮警鳳為電壓撿漁1 -H|電扇報萱圖1-2電磁爐各部分關系框圖毬舟顯示2.2加熱原理在電磁爐內部，

3、由整流電路將50Hz的交流電壓變成直流電壓，再經過控制電 路將直流電壓轉換成頻率為1540kHz的高頻電壓，高速變化的電流流過扁平空 心螺旋狀的感應加熱線圈（勵磁線圈），線圈會產生高頻交變磁場。其磁感線穿透 灶臺的陶瓷臺板而作用于不銹鋼鍋（導磁又導電材料）底部，在烹飪鍋體內因電 磁感應就有強大的渦流產生。渦流克服鍋體的內阻流動時完成電能向熱能的轉換， 鍋底迅速釋放出大量的熱量，就是烹調的熱源。2.3渦流和渦流的產生在柱形鐵芯上繞有線圈，當線圈中通上交變電流時，每個鐵芯片就處在交變 的磁場中。如圖1-3所示：鐵芯可看成是由一系列半徑逐漸變化的柱狀薄殼組成， 每層薄殼構成一個閉合回路。在交變的磁場

4、中，通過這些薄殼的磁通量都在不斷 地變化，所以沿著一層層的殼壁產生感應電流。從鐵芯的上端俯視，電流的流線 呈閉合的旋渦狀，因而這種感應電流叫做渦電流，簡稱渦流。由于大塊鐵芯的電 阻很小，因此渦流可非常大。強大的渦流在鐵芯內流動時，電能轉化為內能，從 而釋放出大量的焦耳熱，而使鐵芯的溫度升高。圖1-3渦流的產生渦流與磁感強度成正比，與交流電頻率的平方成正比，因此，電磁爐要達到 一定的熱交換功率，必須有能產生高磁感強度的交變磁場線圈，還必須提高交流 電的頻率以提高渦流功率。圖1-4是電磁爐的主要電路之一，主要是利用了 LC并 聯(lián)諧振的原理進行工作。具體的工作過程如下：220V工頻交流電經大功率全橋

5、整 流為脈動直流電，脈動直流電通過扼流圈 L1和C1的平滑濾波，將相對平穩(wěn)的直 流電供向下級PAN電磁線盤L2, PAN線盤與C2振蕩電容組成LC振蕩電路，從 而在線盤上產生交變磁場。IGBT是絕緣柵雙極晶體管（lusulated Gate Bipolar Transistor）的簡稱，是一種集BJT的大電流密度和MOSFE等電壓激勵場控型器件優(yōu)點于一體的高壓、高速大功率器件。IGBT有三個電極，分別稱為柵極 G（也叫 控制極或門極）、集電極C（亦稱漏極）及發(fā)射極E（也稱源極）。PAN電磁線盤的后 級為高壓保護二極管VD作用為保護IGBT，防止反向高壓擊穿IGBT，當IGBT的 C極電壓為0

6、V時，IGBT導通，此時的電感（勵磁線圈）進行儲能，當IGBT由導通到截止時，此時由于電感（線圈的作用），電流還會沿著先前的方向流動，由于 IGBT關斷，電感只能對電容 C2充電，從而引起C極電壓升高，隨充電電流變小 直至為零時，C極電壓最高。此值是選擇IGBT耐壓指標的直接數(shù)據，從這個時候 開始，電容C2開始經線圈放電，此時C極電壓變低，當達到0V時，控制電路檢 測到這個值，再次打開IBGT。又一循環(huán)開始，所以電感（線圈）與振蕩電容不停 的進行充電放電，從而形成振蕩。低電涼出1L 丄圖1-4電磁爐工作電路示意圖3、使用電磁爐的注意事項3.1電源線要符合要求電磁爐由于功率大，在配置電源線時應選

7、能承受 15A大電流的銅芯線，配置 專用獨立的、安全性高的電源插座、插頭、開關等。如果可能，最好在電源線插 座處安裝一只保險盒，以確保安全。3.2鍋具要符合要求應選用鐵磁性材料制作的鍋具，如鐵鍋、不銹鋼鍋、搪瓷鍋等。使用時要放 置在電磁爐中央， 并且鍋底保證有一定的平面與電磁爐充分接觸。電磁爐不能使 用諸如玻璃、鋁、銅質的容器加熱食品，這些非鐵磁性物質是不能形成渦流的。3.3放置要平整放置電磁爐的桌面要平整，特別是使用火鍋時更應注意。如果桌面不平，使 電磁爐的某一腳懸空，使用時鍋具的重力將會迫使爐體強行變形甚至損壞。另外， 如桌面有傾斜度，當電磁爐對鍋具加溫時，鍋具中的渦流磁場和爐內勵磁線盤中

8、 的磁場相互作用而使鍋具和爐體發(fā)生受迫振動，這種振動容易使鍋具滑出而發(fā)生 危險。3.4防潮通風電磁爐工作在大電流、大功率狀態(tài)，內部電路遇水汽和濕氣時會結露，而使 電路銹蝕甚至短路。爐內有風扇，故應在空氣流通處使用。電磁爐正常使用的溫度 為1040°C,溫度過高或過低，可能有些功能會受到一定的影響。3.5防止漏磁干擾電磁爐不可避免存在電磁輻射，會對家用電器及人體產生影響，故在距離電磁爐23 m的范圍內，最好不要放置電視機、手機等容易受到磁場影響的家用電 器，以免影響其正常工作。3.6操作要得當電磁爐的各按鈕屬輕觸型，使用時手指用力不要過重，要輕觸輕按。當所按動的按鈕啟動后，手指就應離開

9、，不要按住不放，以免損傷簧片和導電接觸片； 在電磁爐加熱至高溫時，瞬間功率會忽大忽小，容易損壞功率管IGBT和電磁爐機 板。使用完畢，要把功率按鈕先調到最小位置，然后關閉電源，再取下鐵鍋。3.7清潔要得法電磁爐同其他電器一樣，在使用中要注意防水防潮，并避免接觸有害液體。不能用汽油等清洗爐面或爐體。另外，也不要用金屬刷、紗布等較硬的工具來擦 拭爐面上的油跡污垢。正在使用或剛使用結束的爐面不要馬上用冷水擦，應待其 完全冷卻后，方可使用少許中性洗滌劑擦拭。6、微波爐1、微波爐的結構微波爐(microwave oven ),顧名思義，就是用微波來煮飯燒菜的。用微波爐 煮食物很方便。將冷的或生的食物放入

10、微波爐里，關好爐門，一按開關，食物在 微波爐里轉上一會兒，就燒熱煮熟了。微波爐里沒有火，是靠微波，即高頻電磁 波，作為微波爐的熱源。微波爐的基本結構一般由爐腔、爐門、電氣電路、定時 器、功率分配器、聯(lián)鎖微動開關和熱斷路器等七部分組成。微波爐內部結構如圖 2-1所示。圖2-1微波爐內部結構圖1.1爐腔爐腔是一個微波諧振腔，是把微波能變?yōu)闊崮軐κ称愤M行加熱的空間。為了使爐腔內的食物均勻加熱，微波爐爐腔內設有專門的裝置。最初生產的 微波爐是在爐腔頂部裝有金屬扇頁，即微波攪拌器，以干擾微波在爐腔中的 傳播，從而使食物加熱更加均勻。目前，則是在微波爐的爐腔底部裝一只由 微型電機帶動的玻璃轉盤，把被加熱食

11、品放在轉盤上與轉盤一起繞電機軸旋 轉，使其與爐內的高頻電磁場作相對運動，來達到爐內食品均勻加熱的目的。 國內獨創(chuàng)的自動升降型轉盤，使得加熱更均勻，烹飪效果更理想。平板式爐腔通過腔內壁對微波反射達到均勻加熱的目的。1.2爐門爐門是食品的進出口，也是微波爐爐腔的重要組成部分。對它要求很高， 絕對不能讓微波泄漏出來。爐門由金屬框架和玻璃觀察窗組成。觀察窗的玻 璃夾層中有一層金屬微孔網，既可透過它看到食品，又可防止微波泄漏。由 于玻璃夾層中的金屬網的網孔大小是經過精密計算的，所以完全可以阻擋微 波的穿透。鈦膜也多作為微波爐爐門的材料。為了防止微波的泄漏，微波爐的開關系統(tǒng)由多重安全聯(lián)鎖微動開關裝置組成。

12、爐門沒有關好，就不能使微波爐工作，微波爐不工作，也就談不上有 微波泄漏的問題了。為了防止在微波爐爐門關上后微波從爐門與腔體之間的縫隙中泄漏出來，在微波爐的爐門四周安有抗流槽結構，或裝有能吸收微波的材料，如由 硅橡膠做的門封條，能將可能泄漏的少量微波吸收掉?？沽鞑凼窃陂T內設置 的一條異型槽結構，它具有引導微波反轉相位的作用。在抗流槽入口處，微 波會被它逆向的反射波抵銷，這樣微波就不會泄漏了。由于門封條容易破損或老化而造成防泄作用降低，因此現(xiàn)在大多數(shù)微波爐均采用抗流槽結構來防止微波泄漏，很少采用硅橡膠門封條。抗流槽結構 是從微波輻射的原理上得到的防止微波泄漏的穩(wěn)定可靠的方法。1.3 電氣電路電氣電

13、路分高壓電路、控制電路和低壓電路三部分。(a) 高壓電路：高壓變壓器次級繞組之后的電路為高壓電路，主要包括磁控管、高壓電容器、高壓變壓器、高壓二極管。(b) 磁控管：磁控管是微波爐的心臟，微波能就是由它產生并發(fā)射出來的。磁控管工作時需要很高的脈動直流陽極電壓和約34V的陰極電壓。由高壓變壓器及高壓電容器、高壓二極管構成的倍壓整流電路為磁控管提供了 滿足上述要求的工作電壓。(c) 低壓電路：高壓變壓器初級繞組之前至微波爐電源入口之間的電路 為低壓電路，也包括了控制電路。主要包括保險管、熱斷路器保護開關、聯(lián) 鎖微動開關、照明燈、定時器及功率分配器開關、轉盤電機、風扇電機等。1.4定時器微波爐一般有

14、兩種定時方式，即機械式定時和計算機定時。基本功能是 選擇設定工作時間，設定時間過后，定時器自動切斷微波爐主電路。1.5功率分配器功率分配器用來調節(jié)磁控管的平均工作時間（即磁控管斷續(xù)工作時，工 作、停止時間的比例），從而達到調節(jié)微波爐平均輸出功率的目的。機械控 制式一般有36個刻度文件位，而計算機控制式微波爐可有10個調整檔位。1.6聯(lián)鎖微動開關聯(lián)鎖微動開關是微波爐的一組重要安全裝置。它有多重聯(lián)鎖作用，均通 過爐門的開門按鍵或爐門把手上的開門按鍵加以控制。當爐門未關閉好或爐 門打開時，斷開電路，使微波爐停止工作。1.7熱斷路器熱斷路器是用來監(jiān)控磁控管或爐腔工作溫度的組件。當工作溫度超過某一限值時

15、，熱斷路器會立即切斷電源，使微波爐停止工作。2、微波爐的工作原理微波是頻率為300兆赫到30萬兆赫的電磁波。微波爐實際上就是一臺微波發(fā) 生器，它產生的微波頻率是2450兆赫。這種微波有一個非常有趣的習性，遇到像 肉類、禽蛋、蔬菜這些飽含水分的食物，微波會“留駐”下來，并且“拖住”食 物中的水分子和它一起以相同的頻率振蕩，引起分子與分子之間互相摩擦，摩擦 能夠產生熱量。振蕩頻率越高，振幅越大，分子間摩擦越劇烈，產生的熱量自然 越多。2450兆赫的微波，即就是每秒鐘振蕩24.5億次。這就意味著食物中的水分子 也隨著微波每秒鐘振蕩24.5億次。這種振蕩幾乎是在食物里里外外各個部分同時 發(fā)生的，因此被

16、加熱的食品能夠在很短的時間里，里外各個部分統(tǒng)統(tǒng)熱起來，溫 度上升足以把食物由生變熟直至枯焦的程度。下面用線路圖（圖 2-2）來進一步說 明微波爐的工作原理。fl險塑6龍片轟一聯(lián)義并按第二聯(lián)煥M關 屆動開關】交調解時 選擇幵妊剋機轉盤 電機圖2-2微波爐工作原理線路圖0. 7 即 FF2 】GttWVAC當爐門一閉合，第一聯(lián)開關就合上，監(jiān)控開關斷開，電路處于準備工作狀態(tài)。按所需烹調時間，將定時器置于相應位置，再按起動開關，220V交流電經過保險絲、第一聯(lián)控開關、熱切斷器和第二聯(lián)控開關、定時器開關、烹調解凍開關加到 變壓器初級，在變壓器次級感應出 3.5V和1840V的交流電壓。其中3.5V加到磁

17、 控管燈絲，1840V經過電容和二極管組成的半波倍壓整流電路，產生 -3680V高壓, 加到陰極上。由于磁控管的陽極接地，陽極電壓則比陰極電壓高3680V,磁控管正常工作。在磁控管工作的同時，220V交流電壓也加到轉盤電機、定時器電機、解凍控 制器電機、冷卻風扇電機和爐燈上。冷卻風扇對磁控管進行冷風散熱，同時風扇 的余風通過爐燈附近處的一組小孔進入腔體，又從腔體后上方的一組小孔出來， 并通過微波爐的背部上方排出。冷卻風扇產生的風既能對磁控管散熱，又能對爐 腔內的空氣起對流作用，將微波爐加熱時產生的水蒸氣及時地排到爐外。為了保證微波加熱的均勻性，微波爐內裝有玻璃盤，玻璃盤由電機帶動，轉 速為6r

18、ound/minute。微波爐采用兩項安全措施，以有效地防止微波泄漏。安全措 施之一是爐門采用雙門鉤結構。當爐門打開時，雙門鉤同時退出，此時第一聯(lián)控 開關斷開，監(jiān)控開關接通。220V交流電源未進入變壓器，磁控管不可能工作。萬 一第一聯(lián)控開關失靈（即處于接通狀態(tài)），在220V交流電源接通的瞬間，因監(jiān)控 開關接通，使220V短路，6.3A保險絲熔斷，磁控管無法工作。由于監(jiān)控開關和第 一聯(lián)控開關都位于爐壁內，只能由門鉤才能控制開關，從而保證了磁控管工作處 于嚴格控制之下。安全措施之二是采用熱切斷器。這是一種熱敏保護元件，它與 第一聯(lián)控開關串接，安裝在磁控管附近，通過一塊金屬板與磁控管的外殼相連。 一

19、旦冷卻風扇出現(xiàn)故障，排氣通道阻塞或磁控管及爐腔溫度過高時，熱切斷器自 動斷開，起到了保護磁控管的作用。同時還要注意，用微波加熱食物，不能讓它盛入金屬容器。原因很簡單：微 波遇到金屬立即全部反射回去。如果將食物盛入金屬容器中用微波爐加熱，微波 被金屬全部反射回去，食物得不到熱源加熱，不會變熱、變熟。當然，實際上是 不允許這樣做的，因為不等你看到結果，微波爐已經燒毀了。因為高頻率微波沒 有一點損耗而全部反射去，在電子技術上叫高頻短路，后果是使發(fā)射微波的電子 管陽極產生高溫，直至燒紅損壞。了解了微波的特性，可以用陶瓷、耐熱玻璃等材料制成的容器盛裝食物。如 果加熱時間不需要很長，可以使用塑料容器，甚至

20、紙質容器。搪瓷容器看起來好 像是瓷器，其實內心是鐵皮，當然也不能使用。12三、藍牙技術隨著通信網絡的發(fā)達，各種通信電纜五花八門，不但辦公室中電纜無處不在， 家用設備的發(fā)展也使居室成了電纜的世界。人們在覺得它們必不可少的同時，又 傷透了腦筋，如電纜使用不便，連線頻出故障，各種電纜之間無法通用。電纜成 為現(xiàn)代通信中的美中不足。為了取消連線，以較低成本實現(xiàn)各設備間的無線通信， 誕生了藍牙（Bluetooth ）技術。藍牙是一種支持設備短距離通信（一般 10m內） 的無線電技術。能在包括移動電話、PDA無線耳機、筆記本電腦、相關外設等眾 多設備之間進行無線信息交換。利用“藍牙”技術，能夠有效地簡化移動

21、通信終 端設備之間的通信，也能夠成功地簡化設備與因特網In ternet之間的通信，從而數(shù)據傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。1、藍牙系統(tǒng)藍牙系統(tǒng)一般由以下4個功能單元組成：天線單元、鏈路控制（固件）單元、 鏈路管理（軟件）單元和藍牙軟件（協(xié)議）單元。它們的連接關系如圖3-1所示:圖3-1藍牙系統(tǒng)結構圖1.1天線單元藍牙要求其天線部分體積十分小巧、重量輕，因此，藍牙天線屬于微帶天線。 藍牙空中接口是建立在天線電平為OdBm的基礎上的?？罩薪涌谧裱?FederalCommunications Commission（簡稱FCC即美國聯(lián)邦通信委員會）有關電平為OdBm 的ISM頻段的標準。如

22、果全球電平達到 100mW以上，可以使用擴展頻譜功能來增加一些補充業(yè)務。頻譜擴展功能是通過起始頻率為2.402 GHz，終止頻率為2.480GHz間隔為1MHz的79個跳頻頻點來實現(xiàn)的。出于某些本地規(guī)定的考慮， 日本、法國和西班牙都縮減了帶寬。最大的跳頻速率為1660跳/秒。理想的連接范圍為100mmr 10m但是通過增大發(fā)送電平可以將距離延長至 100m藍牙工作在全球通用的 2.4GHz ISM （即工業(yè)、科學、醫(yī)學）頻段。藍牙的數(shù) 據速率為1Mb/s。ISM頻帶是對所有無線電系統(tǒng)都開放的頻帶，因此使用其中的某 個頻段都會遇到不可預測的干擾源。例如某些家電、無繩電話、汽車房開門器、 微波爐等

23、等，都可能是干擾。為此，藍牙特別設計了快速確認和跳頻方案以確保 鏈路穩(wěn)定。跳頻技術是把頻帶分成若干個跳頻信道（hop channel ），在一次連接中，無線電收發(fā)器按一定的碼序列（即一定的規(guī)律，技術上叫做“偽隨機碼”，就是“假”的隨機碼）不斷地從一個信道“跳”到另一個信道，只有收發(fā)雙方是按 這個規(guī)律進行通信的，而其它的干擾不可能按同樣的規(guī)律進行干擾，跳頻的瞬時 帶寬是很窄的，但通過擴展頻譜技術使這個窄帶成百倍地擴展成寬頻帶，使干擾 可能造成的影響變得很小。時分雙工（Time Division Duplex，簡稱TDD方案被 用來實現(xiàn)全雙工傳輸。與其它工作在相同頻段的系統(tǒng)相比，藍牙跳頻更快，數(shù)據

24、包更短，這使藍牙 比其它系統(tǒng)都更穩(wěn)定。FEC（ Forward Error Correction，前向糾錯）的使用抑制了長距離鏈路的隨機噪音，應用了二進制調頻（FM技術的跳頻收發(fā)器被用來抑制干擾和防止衰落。1.2鏈路控制（固件）單元在目前藍牙產品中，人們使用了 3個IC分別作為聯(lián)接控制器、基帶處理器以 及射頻傳輸/接收器，此外還使用了 3050個單獨調諧元件?；鶐ф溌房刂破髫撠熖幚砘鶐f(xié)議和其它一些低層常規(guī)協(xié)議?；鶐Э刂破饔?種糾錯方案：1/3比例前向糾錯（FEC）碼；2/3比例前向糾錯碼；數(shù)據的自動請求 重發(fā)方案。采用FEC（前向糾錯）方案的目的是為了減少數(shù)據重發(fā)的次數(shù)，降低數(shù)據傳輸 負載。

25、但是，要實現(xiàn)數(shù)據的無差錯傳輸，F(xiàn)EW必然要生成一些不必要的開銷比特 而降低數(shù)據的傳送效率。這是因為數(shù)據包對于是否使用FEC是彈性定義的。報頭總有占1/3比例的FECK起保護作用，其中包含了有用的鏈路信息。在無編號的ARQ方案中，在一個時隙中傳送的數(shù)據必須在下一個時隙得到收 到的確認。只有數(shù)據在收端通過了報頭錯誤檢測和循環(huán)冗余檢測后認為無錯才向 發(fā)端發(fā)回確認消，否則返回一個錯誤消息。比如藍牙的話音信道采用Co ntin uousVariableSlope Delta Modulation (簡稱 CVSD即連續(xù)可變斜率增量調制技術) 話音編碼方案，獲得高質量傳輸?shù)囊纛l編碼。CVSD編碼擅長處理丟

26、失和被損壞的語音采樣，即使比特錯誤率達到 4% CVSD®碼的語音還是可聽的。而 Cambridge Consultants 的分公司 Cambridge Silicon Radio就提出了他們的看法。這個公司的入門產品是一個單芯片傳輸器和聯(lián)接控制器。公司稱之為 BlueCore和BlueStack。這是一個完整的藍牙，不需要外部的SAW濾波器、陶瓷電容或感應器，產品集成度非常高，使用了0.18或0.15卩m技術，能夠在幾乎不增加成本的情況下把基帶電路加到芯片中。1.3鏈路管理(軟件)單元鏈路管理(LM)軟件模塊攜帶了鏈路的數(shù)據設置、鑒權、鏈路硬件配置和其 它一些協(xié)議。LM能夠發(fā)現(xiàn)其

27、它遠端LM并通過LMP(鏈路管理協(xié)議)與之通信。LM 模塊提供如下服務：(1) 發(fā)送和接收數(shù)據。(2) 請求名稱。(3) 鏈路地址查詢。(4) 建立連接。(5) 鑒權。(6) 鏈路模式協(xié)商和建立。(7) 決定幀的類型。(8) 將設備設為sniff模式。master只能有規(guī)律地在特定的時隙發(fā)送數(shù)據。(9) 將設備設為hold模式。工作在hold模式的設備為了節(jié)能在一個較長的 周期內停止接收數(shù)據，平均每4s激活一次鏈路，這由LM定義，LC (鏈路控制器) 具體操作。(10) 當設備不需要傳送或接收數(shù)據但仍需保持同步時將設備設為暫停模式。處于暫停模式的設備周期性地激活并跟蹤同步，同時檢查page消息

28、。(11) 建立網絡連接。在pico net內的連接被建立之前，所有的設備都處于standby （待命）狀態(tài)。在這種模式下，未連接單元每隔1.28s周期性地“監(jiān)聽”信息。每當一個設備被激活，它就監(jiān)聽規(guī)劃給該單元的32個跳頻頻點。跳頻頻點的數(shù)目因地理區(qū)域的不同而異，32這個數(shù)字適用于除日本、法國和西班牙之外的 大多數(shù)國家。作為master的設備首先初始化連接程序，如果地址已知，則通過尋 呼（page）消息建立連接，如果地址未知，則通過一個后接page消息的inquiry（查詢）消息建立連接。在最初的尋呼狀態(tài)，master單元將在分配給被尋呼單元的16個跳頻頻點上發(fā)送一串16個相同的page消息。

29、如果沒有應答，master則按 照激活次序在剩余16個頻點上繼續(xù)尋呼。Slave收到從master發(fā)來的消息的最大 延遲時間為激活周期的2倍（2.56s），平均延遲時間是激活周期的一半（0.6s ）。 Inquiry消息主要用來尋找藍牙設備，如共享打印機、傳真機和其它一些地址未知 的類似設備。Inquiry消息和page消息很相像，但是inquiry消息需要一個額外 的數(shù)據串周期來收集所有的響應。如果piconet中已經處于連接的設備在較長一段時間內沒有數(shù)據傳輸，藍牙 還支持節(jié)能工作模式。master可以把slave置為hold （保持）模式，在這種模式 下，只有一個內部計數(shù)器在工作。slav

30、e也可以主動要求被置為hold模式。一旦 處于hold模式的單元被激活，則數(shù)據傳遞也立即重新開始。Hold模式一般被用于 連接好幾個piconet的情況下或者耗能低的設備，如溫度傳感器。除hold模式外， 藍牙還支持另外兩種節(jié)能工作模式：sniff （呼吸）模式和park （暫停）模式。在 sniff 模式下，slave降低了從piconet “收聽”消息的速率，“呼吸”間隔可以 依應用要求做適當調整。在park模式下，設備依然與piconet同步但沒有數(shù)據傳 送。工作在park模式下的設備放棄了 MAC地址，偶爾收聽master的消息并恢復 同步、檢查廣播消息。如果我們把這幾種工作模式按照節(jié)

31、能效率以升序排一下隊， 那么依次是：呼吸模式、保持模式和暫停模式。（12）連接類型和數(shù)據包類型。連接類型定義了哪種類型的數(shù)據包能在特別連接中使用。藍牙基帶技術支持兩種連接類型：同步定向連接（Sy nchro nousConnection Oriente ，簡稱SCO類型，主要用于傳送話音；異步無連接（Asynchronous Connectionless ，簡稱 ACL類型，主要用于傳送數(shù)據包。同一個piconet中不同的主從對可以使用不同的連接類型，而且在一個階段內還可以 任意改變連接類型。每個連接類型最多可以支持16種不同類型的數(shù)據包，其中包括4個控制分組，這一點對SCO和 ACL來說都是

32、相同的。兩種連接類型都使用TDD（時分雙工傳輸方案）實現(xiàn)全雙工傳輸。SCO連接為對稱連接，利用保留時隙傳送 數(shù)據包。連接建立后，master和slave可以不被選中就發(fā)送SCO數(shù)據包。SCC數(shù) 據包既可以傳送話音，也可以傳送數(shù)據，但在傳送數(shù)據時，只用于重發(fā)被損壞的 那部分的數(shù)據。ACL鏈路就是定向發(fā)送數(shù)據包，它既支持對稱連接，也支持不對稱 連接。master負責控制鏈路帶寬，并決定 piconet中的每個slave可以占用多少 帶寬和連接的對稱性。slave只有被選中時才能傳送數(shù)據。ACL鏈路也支持接收 master發(fā)給piconet中所有slave的廣播消息。（13）鑒權和保密。藍牙基帶部分

33、在物理層為用戶提供保護和信息保密機制。 鑒權基于“請求一響應”運算法則。鑒權是藍牙系統(tǒng)中的關鍵部分，它允許用戶 為個人的藍牙設備建立一個信任域，比如只允許主人自己的筆記本電腦通過主人 自己的移動電話通信。加密被用來保護連接的個人信息。密鑰由程序的高層來管 理。網絡傳送協(xié)議和應用程序可以為用戶提供一個較強的安全機制。1.4軟件（協(xié)議）單元Bluetooth基帶協(xié)議結合電路開關和分組交換機，適用于語音和數(shù)據傳輸。每個聲道支持64kb/s同步鏈接。而異步信道支持任一方向上高達721kb/s和回程方向57.6kb/s的非對稱鏈接，也可以支持 43.2kb/s的對稱連接。因此，它可以足 夠快地應付蜂窩系

34、統(tǒng)上的非常大的數(shù)據比率。一般來說，它的鏈接范圍為100mnr 10m，如果增加傳輸功率的話，其鏈接范圍可以擴展到100m Bluetooth軟件構架規(guī)范要求與Bluetooth相順從的設備支持基本水平的互操作性。這種順從水平由 不同的應用來決定。藍牙設備需要支持一些基本互操作特性要求。對某些設備， 這種要求涉及到無線模塊、空中協(xié)議以及應用層協(xié)議和對像交換格式。Bluetooth1.0標準由兩個文件組成。一個叫 Foundation Core，它規(guī)定的是設計標準。另一 個叫Foundation Profile，它規(guī)定的是相互運作性準則。但對另外一些設備，比如耳機，這種要求就簡單得多。藍牙設備必須

35、能夠彼此識別并裝載與之相應的軟 件以支持設備更高層次的性能。藍牙對不同級別的設備（如PC手持機、移動電話、耳機等）有不同的要求，例如，你無法期望一個藍牙耳機提供地址簿。但是 移動電話、手持機、筆記本電腦就需要有更多的功能特性。軟件（協(xié)議）結構需有如下功能：設置及故障診斷工具；能自動識別其它設 備；取代電纜連接；與外設通信；音頻通信與呼叫控制以及商用卡的交易與號簿網絡協(xié)議。藍牙的軟件(協(xié)議)單元是一個獨立的操作系統(tǒng)，不與任何操作系統(tǒng)捆綁。 適用于幾種不同商用操作系統(tǒng)的藍牙規(guī)范正在完善中。2、藍牙的技術特點和產品2.1藍牙的技術特點藍牙技術利用短距離、低成本的無線連接替代了電纜連接，從而為現(xiàn)存的數(shù)

36、 據網絡和小型的外圍設備提供了統(tǒng)一的連接。下面來介紹一些它的主要技術特點。(1) 特性藍牙設備的工作頻段選在全球通用的2.4GHZ勺ISM(工業(yè)、科學、醫(yī)學)頻段, 這樣用戶不必經過申請便可以在 24002500MH范圍內選用適當?shù)乃{牙無線電收 發(fā)器頻段。頻道采用23個或79個，頻道間隔均為1MH?采用時分雙工方式。調制 方式為BT=0.5的GFSK調制指數(shù)為0.280.35。藍牙的無線發(fā)射機采用FM調制方 式，從而能降低設備的復雜性。最大發(fā)射功率分為三個等級，100mW(20dBm)2.5mW(4dBm, 1mW(0dBm)在420dBm范圍內要求采用功率控制，因此，藍牙設 備之間的有效通訊

37、距離大約為10100m(2) TDMA結構藍牙的數(shù)據傳輸率為1Mb/s，采用數(shù)據包的形式按時隙傳送每時隙 0.625卩s。 藍牙系統(tǒng)支持實時同步定向聯(lián)接和非實時的異步不定向聯(lián)接，藍牙技術支持一個 異步數(shù)據通道，3個并發(fā)的同步語音通道或一個同時傳送異步數(shù)據和同步語音通 道。每一個語音通道支持64KB/S的同步語音，異步通道支持最大速率為 721KB/S, 反向應答速度為57.6KB/S的非對稱連接，或者是速率為432.6KB/S的對稱連接。(3) 使用跳頻技術跳頻是藍牙使用的關鍵技術之一。對于單時隙包，藍牙的跳頻速率為1600跳 /秒；對于多時隙包，跳頻速率有所降低；但在建鏈時則提高為3200跳

38、/秒。使用這樣高的調頻速率，藍牙系統(tǒng)具有足夠高的抗干擾能力，且硬件設備簡單、性能優(yōu) 越。2.2藍牙產品自從1999年7月 BSIG向全世界發(fā)布藍牙技術標準1.0A版本，藍牙技術的推廣和 應用得到迅猛發(fā)展，截至目前，BSIG的成品已經超過了 2500家，幾乎涵蓋了全球 各行各業(yè)。包括通信網絡、外設、芯片、轉件等廣商，甚至消費類電器廠商和汽 車制造商也加入BSIG組織。目前國內外藍牙產品主要有藍牙芯片、藍牙適配器、藍牙記憶棒、藍牙天線、 藍牙耳機、藍牙手機、藍牙筆記本電腦、藍牙硬盤、藍牙打印機、藍牙鼠標、藍 牙手表、藍牙圓珠筆、藍牙數(shù)碼相機和藍牙標簽等。引人注目的是，BluetoothDevelo

39、pers Conference會議上推出了使用藍牙技術控制汽車內部的籃牙樣車。作為一個新興事物，藍牙技術的應用還存在許多問題和不足之處，如成本過 高、有效距離短及速度和安全性能也不令人滿意等。但毫無疑問，藍牙技術已成 為近年應用最快的無線通信技術，其席卷全球之勢不可阻擋，它必將在不久的將 來滲透到我們生活的各個方面，我們有理由相信藍牙的明天會更好。19四、磁懸浮列車磁懸浮列車是一種靠磁懸浮力（即磁的吸力和排斥力）來推動的列車。由于 其軌道的磁力使之懸浮在空中，行走時不需接觸地面，因此其阻力只有空氣的阻 力。磁懸浮列車的最高速度可以達每小時 500公里以上，比輪軌高速列車的 300 多公里還要快

40、手。磁懸浮技術的研究源于德國，早在1922年德國工程師赫爾曼肯 佩爾就提出了電磁懸浮原理，并于1934年申請了磁懸浮列車的專利。1970年代以 后，隨著世界工業(yè)化國家經濟實力的不斷加強，為提高交通運輸能力以適應其經 濟發(fā)展的需要，德國、日本等發(fā)達國家相繼開始籌劃進行磁懸浮運輸系統(tǒng)的開發(fā)。1、磁懸浮列車的原理1.1懸浮原理磁浮有3個基本原理。第一個原理是當靠近金屬的磁場改變，金屬上的電子 會移動，并且產生電流。第二個原理就是電流的磁效應。當電流在電線或一塊金 屬中流動時，會產生磁場。通電的線圈就成了一塊磁鐵。磁浮的第三個原理我們 就再熟悉不過了，磁鐵間會彼此作用，同極性相斥，異極性相吸?，F(xiàn)在看看

41、磁浮 是如何作用的：磁鐵從一塊金屬的上方經過，金屬上的電子因磁場改變而開始移 動（原理一）。電子形成回路，所以接著也產生了本身的磁場（原理二）。圖4-1以 最簡單的方式來表達這個過程，移動中的磁鐵使金屬中出現(xiàn)一塊假想的磁鐵。這 塊假想磁鐵具有方向性，因是同極性相對，因此會對原有的磁鐵產生斥力。也就 是說，如果原有的磁鐵是北極在下，假想磁鐵則是北極在上；反之亦然。因為磁 鐵的同極相斥（原理三），讓磁鐵在一塊金屬上方移動，結果會對移動中的磁鐵產 生一股往上推動的力量。如果磁鐵移動得足夠快，這個力量會大得足以克服向下 的重力，舉起移動中的磁鐵。所以當磁鐵移動時，會使得自己浮在金屬上方，并 靠著本身電

42、子移動產生的力量保持浮力。這個過程就是所謂的磁浮，這個原理可 以適用在列車上。如圖4-2，如果在列車的地板上安裝一些磁鐵，列車一開動（例 如，可以收起的充氣胎），就可產生向上的力量。這個時候，列車就像飛機在跑道 上加速準備起飛。當向上的力量足夠時，就可使得列車離開地面，浮在金屬導軌 之上。事實上，列車經過特別的設計，使得車廂在離地面10150mm處。這樣列 車就可以飛速前進了。從以上的討論可以發(fā)現(xiàn)磁浮列車的第一個優(yōu)點。因為沒有 輪子和鐵軌，它就沒有輪軌間的摩擦力所造成的能量損失。如此一來，就少了一 個傳統(tǒng)列車的主要能量損耗來源。理論上，就只剩下風阻會影響列車的行車速度 了。如果觀察一下列車是怎

43、樣行進的，就可以發(fā)現(xiàn)磁浮列車的第二個優(yōu)點。雖然 同極性會相斥（用以產生浮力），但異性可以相吸。磁浮列車就是運用這個原理前 進的。當列車下方導軌因電子運動而產生浮力的同時，兩側導軌的線路開始通電， 產生另一組比列車稍前的磁鐵。經過特殊安排，導軌上的南極會靠近列車上的磁 北極。由于這股吸力，列車得以往前移動。通過調整導軌兩側的電流，得以讓這 股吸引磁力恰好落在列車前方。事實上，列車是陷在所謂的磁波或磁場之中?？?以想象導軌兩側移動的磁鐵產生一股波浪，列車就像騎在這浪頭的沖浪者一樣， 如圖4-3所示。斥力想象的i n !金腐冒軌圖4-1磁懸浮原理圖磁找11 ' .S1 NSNSN金屬導眥i.

44、円aLE11111iEJ- 1 ,”十*I! 1 1圖4-3磁懸浮列車周圍的波導N 企屈甘軌下面具體介紹常導磁吸式（EMS和超導磁斥式（EDS列車的具體運行原理。 常導磁吸式（EMS：利用裝在車輛兩側轉向架上的常導電磁鐵（懸浮電磁鐵） 和鋪設在線路導軌上的磁鐵，在磁場作用下產生的吸引力使車輛浮起，見圖4-4所示。車輛和軌面之間的間隙與吸引力的大小成反比。為了保證這種懸浮的可靠 性和列車運行的平穩(wěn)，使直線電機有較高的功率，必須精確地控制電磁鐵中的電 流，使磁場保持穩(wěn)定的強度和懸浮力，使車體與導軌之間保持大約10mm勺間隙。通常采用測量間隙用的氣隙傳感器來進行系統(tǒng)的反饋控制。這種懸浮方式不需要 設

45、置專用的著地支撐裝置和輔助的著地車輪，對控制系統(tǒng)的要求也可以稍低一些。超導磁斥式（EDS）此種形式在車輛底部安裝超導磁體（放在液態(tài)氦儲存槽內）， 在軌道兩側鋪設一系列鋁環(huán)線圈。列車運行時，給車上線圈（超導磁體）通電流， 產生強磁場，地上線圈（鋁環(huán)）與之相切割，在鋁環(huán)內產生感應電流。感應電流 產生的磁場與車輛上超導磁體的磁場方向相反，兩個磁場產生排斥力。當排斥力 大于車輛重量時，車輛就浮起來。因此，超導磁斥式就是利用置于車輛上的超導 磁體與鋪設在軌道上的無源線圈之間的相對運動，來產生懸浮力將車體抬起來的。 如圖4-5所示。由于超導磁體的電阻為零，在運行中幾乎不消耗能量，而且磁場強度很大。 在超導

46、體和導軌之間產生的強大排斥力，可使車輛浮起。當車輛向下位移時，超導磁體與懸浮線圈的間距減小電流增大，使懸浮力增加，又使車輛自動恢復到原 來的懸浮位置。這個間隙與速度的大小有關，一般到100km/h時車體才能懸浮。因此，必須在車輛上裝設機械輔助支承裝置，如輔助支持輪及相應的彈簧支承， 以保證列車安全可靠地著地。控制系統(tǒng)應能實現(xiàn)起動和停車的精確控制。宜線電動機 次液繞爼左線電動機導向軌次級綫圈界問電瞰恢/is圖4-4常導吸引式磁懸浮原理圖“曠字形零磁Hi線圈推進線圈超導線圈（超杲磁體）兩側零磁逋線圈 對應的交叉連接線圖4-5超導磁斥式磁懸浮原理圖1.2導向原理磁懸浮列車利用電磁力的作用進行導向。下面將具體論述常導磁吸式和超導 磁斥式兩種情況。常導磁吸式的導向系統(tǒng)：與懸浮系統(tǒng)類似，是在車輛側面安裝一組專門用于 導向的電磁鐵。車體與導向軌側面之間保持一定間隙。當車輛左右偏移時，車上 的導向電磁鐵與導向軌的側面相互作用，使車輛恢復到正常位置?？刂葡到y(tǒng)通過 對導向磁鐵中的電流進行控制來保持這一側向間隙，從而達到控制列車運行方向 的目的。超導磁斥式的導向系統(tǒng)：可以采用下面 3種方式構成：在車輛上安裝機械 導向裝置實現(xiàn)列車導向。這種裝置通常采用車輛上的側向導向輔助輪，使之與導 向軌側面相互作用（滾動摩擦）以產生復原力，這個力與列車沿曲線運行時產生 的側向力相平