摘? 要: 介紹了一個基于TMS320VC5409的汽車減震彈簧故障診斷" title="故障診斷">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
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汽車減震彈簧故障診斷儀" title="故障診斷儀">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)GFRF(Generalized Frequency Response Functions)。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)" title="工作狀態(tài)">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" title="A/D">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" title="串口">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。
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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。
2.2 DSP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)(1條程序存儲器總線、3條數(shù)據(jù)存儲器總線和4條地址總線),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(1.8V和3.3V)供電,帶有符合IEEE1149.1標準的JTAG邊界掃描仿真邏輯[2]。
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(8000H～FFFFH)中,因此外擴了一片F(xiàn)LASH ROM作為數(shù)據(jù)存儲空間。FLASH ROM采用INTEL公司的TE28F400B3T90(256K×16),它共分為15塊(8塊4K字,7塊32K字),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(256K×16),存取速度達到10ns。
2.3 A/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(128×64點陣),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。
3.1 DSP主程序
DSP主程序流程圖見圖2。
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3.2 DSP程序的下載和引導(dǎo)
在本系統(tǒng)中,FLASH ROM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(見表1)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FLASH ROM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取FLASH的數(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。
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系統(tǒng)時鐘為100MHz。TE28F400B3的主要操作命令如表2所示。
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)動時與擋條碰撞,懸掛系統(tǒng)使減震彈簧發(fā)生相應(yīng)的振動。
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使用兩個好的彈簧和三個壞的彈簧進行實驗。實驗結(jié)果表明,汽車減震彈簧故障診斷儀工作穩(wěn)定,診斷結(jié)果有效。
本文所設(shè)計的汽車減震彈簧故障診斷儀可直接用于汽車減震彈簧的故障診斷,并可推廣應(yīng)用到軸承磨損、制動器失效等非線性機械故障的診斷中。在此故障診斷儀的基礎(chǔ)上對電路略加改動,就可將其用于更高頻率信號系統(tǒng)的故障診斷中。
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參考文獻
1 李 涌，韓崇昭，徐為群等. 非線性譜分析在故障診斷中的應(yīng)用.西按交通大學(xué)學(xué)報,2000?鴉34(9)
2 TMS320VC5409 Fix-Point Digital Signal Processor(SPRS082C).Texas Instrument， 2000
3 3 Volt Advanced Boot Block Flash Memory (290580-011).Intel，2000