基于DSP的汽車減震彈簧故障診斷儀的設(shè)計

基于DSP的汽車減震彈簧故障診斷儀的設(shè)計

摘要：介紹了一個基于TMS320VC5409的汽車減震彈簧故障診斷系統(tǒng)的基本原理、總體設(shè)計方案與軟硬件的設(shè)計。以真實的車輛減震彈簧進行多次試驗，證明了該儀器工作穩(wěn)定，能夠有效地完成汽車減震彈簧的故障診斷，具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：DSP故障診斷非線性頻譜分析GFRF

汽車減震彈簧故障診斷儀的基本原理是基于非線性頻譜分析技術(shù)的。這種技術(shù)的基本思想是：根據(jù)采樣得到的減震彈簧的輸入和輸出數(shù)據(jù)，利用有效的非線性系統(tǒng)辨識方法得到彈簧的振動方程，再利用多維傅里葉變換得到減震彈簧的非線性傳遞函數(shù)的頻域表示形式—廣義頻率響應(yīng)函數(shù)ＧＦＲＦＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＦｒｅｑｕｅｎｃｙＲｅｓｐｏｎｓｅＦｕｎｃｔｉｏｎｓ。ＧＦＲＦ是描述系統(tǒng)非線性傳遞特性的一種非參數(shù)模型它能夠唯一地刻畫系統(tǒng)傳遞特性的頻域特征因而系統(tǒng)故障前后傳遞特性的非線性變化就能夠通過ＧＦＲＦ被準確地反映。彈簧處于正常工作狀態(tài)時，僅具有一階ＧＦＲＦ；彈簧在疲勞失效后最明顯的變化是三階ＧＦＲＦ大量出現(xiàn)１。分析彈簧系統(tǒng)的ＧＦＲＦ就可判斷出彈簧的工作狀態(tài)。目前國內(nèi)對汽車減震彈簧的故障診斷還缺乏有效的手段，而且基于這一原理的實際應(yīng)用在國內(nèi)外尚處于起步階段，因此該儀器具有很好的應(yīng)用前景。

１系統(tǒng)總體方案

非線性系統(tǒng)辨識算法龐大、復(fù)雜，對系統(tǒng)的計算能力要求很高。ＤＳＰ是專門用于數(shù)字信號處理的芯片，計算能力強大、運算速度快，能夠滿足系統(tǒng)的要求。ＤＳＰ的計算能力雖然很強，但其事件管理能力較弱，而且直接支持的Ｉ／Ｏ口很少。為了方便地實現(xiàn)人機交互，采用ＤＳＰ與單片機協(xié)同工作的方式：以單片機為主機，通過通訊接口對ＤＳＰ實現(xiàn)控制；同時利用單片機較強的外圍設(shè)備管理能力實現(xiàn)人機接口、顯示等功能。主要工作流程是：彈簧的輸入輸出信號經(jīng)過濾波電路進行調(diào)理后，由Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再進入ＤＳＰ進行運算，得到的診斷結(jié)果通過通訊接口電路送入單片機，單片機將結(jié)果顯示在液晶顯示器上，并經(jīng)過串口送入到ＰＣ機。單片機通過通訊接口控制ＤＳＰ的工作狀態(tài)。系統(tǒng)原理框圖如圖１所示。

２硬件電路設(shè)計

２．１信號調(diào)理電路

采用集成開關(guān)電容濾波器ＭＡＸ２８０組成抗混疊濾波電路。ＭＡＸ２８０是一個五階低通濾波器，截止頻率可調(diào)。當(dāng)它的時鐘管腳接內(nèi)部時鐘時，最大截止頻率為１．４ｋＨｚ；而汽車減震彈簧穩(wěn)定工作時，信號的頻率不超過５００Ｈｚ，故設(shè)定濾波器的截止頻率為７００Ｈｚ。

２．２ＤＳＰ電路

ＤＳＰ電路完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)字濾波，利用內(nèi)置的算法完成故障診斷等任務(wù)。

本系統(tǒng)中的ＤＳＰ采用美國德州儀器公司(ＴＩ)生產(chǎn)的ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０９，它是ＴＭＳ３２０Ｃ５４ｘｘ系列的一個高速、高性價比、低功耗的１６位定點通用ＤＳＰ芯片。其主要特點包括：改進的哈佛結(jié)構(gòu)，帶有專用硬件邏輯ＣＰＵ，片內(nèi)存儲器，６級流水線結(jié)構(gòu)，片內(nèi)外設(shè)專用的指令集。ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０９含１６Ｋ字的片內(nèi)ＲＯＭ和３２Ｋ字的片內(nèi)ＤＡＲＡＭ，程序空間的尋址范圍達到８Ｍ數(shù)據(jù)和Ｉ／Ｏ空間尋址范圍分別為６４Ｋ。單周期指令執(zhí)行時間為１０ｎｓ，雙電源供電，帶有符合ＩＥＥＥ１１４９．１標準的ＪＴＡＧ邊界掃描仿真邏輯。

ＤＳＰ電路采用１６位并行自引導(dǎo)模式，對于ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０９，用戶程序存儲在外部數(shù)據(jù)空間中，因此外擴了一片ＦＬＡＳＨＲＯＭ作為數(shù)據(jù)存儲空間。ＦＬＡＳＨＲＯＭ采用ＩＮＴＥＬ公司的ＴＥ２８Ｆ４００Ｂ３Ｔ９０，它共分為１５塊，可單獨擦寫其中的一塊。編程電壓只需３．３Ｖ，最快的讀取速度達到９０ｎｓ。系統(tǒng)外擴了一片ＳＲＡＭ作為外部程序空間。ＳＲＡＭ采用ＣＹＰＲＥＳＳ公司的ＣＹ７Ｃ１０４１ＢＶ３３，存取速度達到１０ｎｓ。

２．３Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換電路

信號的采集和轉(zhuǎn)換是由ＡＤ７８７４完成的。ＡＤ７８７４是ＡＤ公司生產(chǎn)的１２位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)要求輸入輸出信號相位要同步，ＡＤ７８７４內(nèi)置采樣保持器，能夠?qū)崿F(xiàn)四路信號的同步采樣。同步采樣能使系統(tǒng)的輸入輸出信號相位匹配的誤差降到最小。Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的啟動由上升沿觸發(fā)，四路信號轉(zhuǎn)換完成后，產(chǎn)生中斷信號。每一路的采樣頻率可達２９ｋＨｚ。由于Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換后輸出的是ＴＴＬ電平，而ＤＳＰ工作在３．３Ｖ的信號環(huán)境，因此在Ａ／Ｄ的輸出與ＤＳＰ的輸入之間需要加入電平轉(zhuǎn)換電路。在本系統(tǒng)中采用ＳＮ７４ＬＶＣ２４５實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。ＤＳＰ系統(tǒng)的供電由ＴＩ公司的電壓轉(zhuǎn)換模塊ＴＰＳ７６７Ｄ３１８ＰＷＰ完成，能夠輸出３．３Ｖ和１．８Ｖ兩路電壓。

２．４單片機電路

單片機電路實現(xiàn)鍵盤輸入響應(yīng)和液晶顯示以及與ＰＣ機交互功能。

本系統(tǒng)中所用的單片機為ＡＴＭＥＬ公司的ＡＴ８９Ｃ５１。鍵盤管理通過鍵盤控制器８２７９完成。液晶模塊選用信利公司的ＶＰＧ１２８６４Ｔ，它內(nèi)置Ｔ６９６３Ｃ控制器，能夠工作在文本或圖形模式下。液晶顯示界面程序比較大，所以外擴了一片ＡＴ２８Ｃ２５６作為外部程序存儲器。ＰＣ機的ＲＳ－２３２串口的電平和單片機串口的ＴＴＬ電平不兼容，使用ＭＡＸ２３２完成兩種電平之間的轉(zhuǎn)換。

２．５通信電路

通信電路實現(xiàn)單片機與ＤＳＰ的通信。由于單片機與ＤＳＰ間的數(shù)據(jù)通信量不大，因此采用了一片８位雙向鎖存器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。雙向鎖存器采用ＴＩ的ＳＮ７４ＬＶＣ５４３。當(dāng)ＤＳＰ向ＡＴ８９Ｃ５１發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先將數(shù)據(jù)鎖存在ＳＮ７４ＬＶＣ５４３中，然后向ＡＴ８９Ｃ５１發(fā)中斷，ＡＴ８９Ｃ５１響應(yīng)中斷，從鎖存器中取走數(shù)據(jù)。反之亦然。

３軟件設(shè)計

軟件的設(shè)計主要包括ＤＳＰ編程和單片機編程。ＤＳＰ程序的主要任務(wù)是初始化、管理ＤＳＰ外圍電路和完成故障診斷的算法。單片機程序包括鍵盤控制程序、液晶驅(qū)動顯示程序、與ＤＳＰ及ＰＣ機通信的程序。

３．１ＤＳＰ主程序

ＤＳＰ主程序流程圖見圖２。

３．２ＤＳＰ程序的下載和引導(dǎo)

在本系統(tǒng)中，ＦＬＡＳＨＲＯＭ是ＴＳＯＰ封裝，焊接在電路板上，無法通過燒錄器燒寫，只能自己編寫擦寫程序。按照１６位并行引導(dǎo)模式自舉表的格式寫好程序代碼，編譯鏈接后通過ＪＴＡＧ口下載到ＤＳＰ中；編寫ＴＥ２８Ｆ４００Ｂ３的擦寫程序，將程序下載到ＤＳＰ中不同的位置。運行擦寫程序，程序代碼就被寫入到ＦＬＡＳＨ中。要注意的是，由于ＦＬＡＳＨ的寫速度與ＤＳＰ相比很慢，因此在每次寫完一個字后，要延時足夠的時間，否則就不能正常地寫入下一個字。寫完后，需要將ＦＬＡＳＨＲＯＭ重新設(shè)置為讀模式，這樣才能在開發(fā)環(huán)境ＣＣＳ中看到正確的結(jié)果。ＴＥ２８Ｆ４００Ｂ３的最大讀取速度為９０ｎｓ，而ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０９最大只能設(shè)置７個等待狀態(tài)，因此設(shè)置ＤＳＰ的ＣＬＫＭＤ１、ＣＬＫＭＤ２、ＣＬＫＭＤ３管腳，使ＤＳＰ在上電復(fù)位時的系統(tǒng)時鐘為５０ＭＨｚ。這樣就能保證可靠地讀?。疲蹋粒樱鹊臄?shù)據(jù)。在完成引導(dǎo)過程后，必須首先將ＣＬＫＭＤ寄存器清零，然后重新設(shè)置ＣＬＫＭＤ寄存器，使系統(tǒng)時鐘為100MHz。TE28F400B3的主要操作命令如表2所示。

表116位并行引導(dǎo)模式的代碼結(jié)構(gòu)10AASWWSR寄存器的初始值BSCR寄存器的初始值程序入口地址XPC值程序入口地址PC值程序代碼的長度程序起始地址XPC值程序起始地址PC值程序代碼...0000

表2TE28F400B3的主要操作命令命令第一總線周期第二總線周期操作地址數(shù)據(jù)操作地址數(shù)據(jù)讀寫XXXFFH讀狀態(tài)寄存器寫XXX70H讀XXX寄存器數(shù)據(jù)擦除寫XXX20H寫塊地址DOH寫寫XXX40H寫程序地址程序數(shù)據(jù)

4實驗系統(tǒng)

減震彈簧振動實驗系統(tǒng)如圖3所示。平臺使用真實的桑塔納2000的懸掛系統(tǒng)和減震彈簧。電機的轉(zhuǎn)動由變頻器控制，通過傳動軸帶動車輪轉(zhuǎn)動。車輪的下端與一個裝在固定支架上的可旋轉(zhuǎn)的表面帶有凸出擋條的鐵棍相接觸。車輪轉(zhuǎn)動到與擋條碰撞，