基于DSP的汽车减震弹簧故障诊断仪的设计

关键词：DSP 故障诊断 非线性频谱分析 GFRF

汽车减震弹簧故障诊断仪的基本原理是基于非线性频谱分析技术的。这种技术的基本思想是：根据采样得到的减震弹簧的输入和输出数据，利用有效的非线性系统辨识方法得到弹簧的振动方程，再利用多维傅里叶变换得到减震弹簧的非线性传递函数的频域表示形式—广义频率响应函数ＧＦＲＦＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ。ＧＦＲＦ是描述系统非线性传递特性的一种非参数模型它能够唯一地刻画系统传递特性的频域特征因而系统故障前后传递特性的非线性变化就能够通过ＧＦＲＦ被准确地反映。弹簧处于正常工作状态时，仅具有一阶ＧＦＲＦ；弹簧在疲劳失效后最明显的变化是三阶ＧＦＲＦ大量出现１。分析弹簧系统的ＧＦＲＦ就可判断出弹簧的工作状态。目前国内对汽车减震弹簧的故障诊断还缺乏有效的手段，而且基于这一原理的实际应用在国内外尚处于起步阶段，因此该仪器具有很好的应用前景。

１ 系统总体方案

非线性系统辨识算法庞大、复杂，对系统的计算能力要求很高。ＤＳＰ是专门用于数字信号处理的芯片，计算能力强大、运算速度快，能够满足系统的要求。ＤＳＰ 的计算能力虽然很强，但其事件管理能力较弱，而且直接支持的Ｉ／Ｏ口很少。为了方便地实现人机交互，采用ＤＳＰ与单片机协同工作的方式：以单片机为主机，通过通讯接口对ＤＳＰ实现控制；同时利用单片机较强的外围设备管理能力实现人机接口、显示等功能。主要工作流程是：弹簧的输入输出信号经过滤波电路进行调理后，由Ａ／Ｄ转换器转换为数字信号，再进入ＤＳＰ进行运算，得到的诊断结果通过通讯接口电路送入单片机，单片机将结果显示在液晶显示器上，并经过串口送入到ＰＣ机。单片机通过通讯接口控制ＤＳＰ的工作状态。系统原理框图如图１所示。

２ 硬件电路设计

２．１ 信号调理电路

采用集成开关电容滤波器ＭＡＸ２８０组成抗混叠滤波电路。ＭＡＸ２８０是一个五阶低通滤波器，截止频率可调。当它的时钟管脚接内部时钟时，最大截止频率为１．４ｋＨｚ；而汽车减震弹簧稳定工作时，信号的频率不超过５００Ｈｚ，故设定滤波器的截止频率为７００Ｈｚ。

２．２ ＤＳＰ电路

ＤＳＰ电路完成数据采集及数字滤波，利用内置的算法完成故障诊断等任务。

本系统中的ＤＳＰ采用美国德州仪器公司(ＴＩ)生产的ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０９，它是ＴＭＳ３２０Ｃ５４ｘｘ系列的一个高速、高性价比、低功耗的１６位定点通用ＤＳＰ芯片。其主要特点包括：改进的哈佛结构（１条程序存储器总线、３条数据存储器总线和４条地址总线），带有专用硬件逻辑ＣＰＵ，片内存储器，６级流水线结构，片内外设专用的指令集。ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０９含１６Ｋ字的片内ＲＯＭ和３２Ｋ字的片内ＤＡＲＡＭ，程序空间的寻址范围达到８Ｍ数据和Ｉ／Ｏ空间寻址范围分别为６４Ｋ。单周期指令执行时间为１０ｎｓ，双电源（１．８Ｖ和３．３Ｖ）供电，带有符合ＩＥＥＥ１１４９．１标准的ＪＴＡＧ边界扫描仿真逻辑。

ＤＳＰ电路采用１６位并行自引导模式，对于ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０９，用户程序存储在外部数据空间（８０００Ｈ～ＦＦＦＦＨ）中，因此外扩了一片ＦＬＡＳＨ ＲＯＭ作为数据存储空间。ＦＬＡＳＨ ＲＯＭ采用ＩＮＴＥＬ公司的ＴＥ２８Ｆ４００Ｂ３Ｔ９０（２５６Ｋ×１６），它共分为１５块（８块４Ｋ字，７块３２Ｋ字），可单独擦写其中的一块。编程电压只需３．３Ｖ，最快的读取速度达到９０ｎｓ。系统外扩了一片ＳＲＡＭ作为外部程序空间。ＳＲＡＭ采用ＣＹＰＲＥＳＳ公司的ＣＹ７Ｃ１０４１ＢＶ３３（２５６Ｋ×１６），存取速度达到１０ｎｓ。

２．３ Ａ／Ｄ转换电路

信号的采集和转换是由ＡＤ７８７４完成的。ＡＤ７８７４是ＡＤ公司生产的１２位Ａ／Ｄ转换器。系统要求输入输出信号相位要同步，ＡＤ７８７４内置采样保持器，能够实现四路信号的同步采样。同步采样能使系统的输入输出信号相位匹配的误差降到最小。Ａ／Ｄ转换的启动由上升沿触发，四路信号转换完成后，产生中断信号。每一路的采样频率可达２９ｋＨｚ。由于Ａ／Ｄ转换后输出的是ＴＴＬ电平，而ＤＳＰ工作在３．３Ｖ的信号环境，因此在Ａ／Ｄ的输出与ＤＳＰ的输入之间需要加入电平转换电路。在本系统中采用ＳＮ７４ＬＶＣ２４５实现电平转换。ＤＳＰ系统的供电由ＴＩ公司的电压转换模块ＴＰＳ７６７Ｄ３１８ＰＷＰ完成，能够输出３．３Ｖ和１．８Ｖ两路电压。

２．４ 单片机电路

单片机电路实现键盘输入响应和液晶显示以及与ＰＣ机交互功能。

本系统中所用的单片机为ＡＴＭＥＬ公司的ＡＴ８９Ｃ５１。键盘管理通过键盘控制器８２７９完成。液晶模块选用信利公司的ＶＰＧ１２８６４Ｔ（１２８×６４点阵），它内置Ｔ６９６３Ｃ控制器，能够工作在文本或图形模式下。液晶显示界面程序比较大，所以外扩了一片ＡＴ２８Ｃ２５６作为外部程序存储器。ＰＣ机的ＲＳ－２３２串口的电平和单片机串口的ＴＴＬ电平不兼容，使用ＭＡＸ２３２完成两种电平之间的转换。

２．５ 通信电路

通信电路实现单片机与ＤＳＰ的通信。由于单片机与ＤＳＰ间的数据通信量不大，因此采用了一片８位双向锁存器实现数据交换。双向锁存器采用ＴＩ的ＳＮ７４ＬＶＣ５４３。当ＤＳＰ向ＡＴ８９Ｃ５１发送数据时，首先将数据锁存在ＳＮ７４ＬＶＣ５４３中，然后向ＡＴ８９Ｃ５１发中断，ＡＴ８９Ｃ５１响应中断，从锁存器中取走数据。反之亦然。
３ 软件设计

软件的设计主要包括ＤＳＰ编程和单片机编程。ＤＳＰ程序的主要任务是初始化、管理ＤＳＰ外围电路和完成故障诊断的算法。单片机程序包括键盘控制程序、液晶驱动显示程序、与ＤＳＰ及ＰＣ机通信的程序。

３．１ ＤＳＰ主程序

ＤＳＰ主程序流程图见图２。

３．２ ＤＳＰ程序的下载和引导

在本系统中，ＦＬＡＳＨ ＲＯＭ是ＴＳＯＰ封装，焊接在电路板上，无法通过烧录器烧写，只能自己编写擦写程序。按照１６位并行引导模式自举表（见表１）的格式写好程序代码，编译链接后通过ＪＴＡＧ口下载到ＤＳＰ中；编写ＴＥ２８Ｆ４００Ｂ３的擦写程序，将程序下载到ＤＳＰ中不同的位置。运行擦写程序，程序代码就被写入到ＦＬＡＳＨ中。要注意的是，由于ＦＬＡＳＨ的写速度与ＤＳＰ相比很慢，因此在每次写完一个字后，要延时足够的时间，否则就不能正常地写入下一个字。写完后，需要将ＦＬＡＳＨ ＲＯＭ重新设置为读模式，这样才能在开发环境ＣＣＳ中看到正确的结果。ＴＥ２８Ｆ４００Ｂ３的最大读取速度为９０ｎｓ，而ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０９最大只能设置７个等待状态，因此设置ＤＳＰ的ＣＬＫＭＤ１、ＣＬＫＭＤ２、ＣＬＫＭＤ３管脚，使ＤＳＰ在上电复位时的系统时钟为５０ＭＨｚ。这样就能保证可靠地读取ＦＬＡＳＨ的数据。在完成引导过程后，必须首先将ＣＬＫＭＤ寄存器清零，然后重新设置ＣＬＫＭＤ寄存器，使系统时钟为100MHz。TE28F400B3的主要操作命令如表2所示。

表1 16位并行引导模式的代码结构

10AA SWWSR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 程序代码的长度 程序起始地址XPC值 程序起始地址PC值 程序代码... 0000（表示自举有结束）

表2 TE28F400B3的主要操作命令

命 令 第一总线周期 第二总线周期 操作 地址 数据 操作 地址 数据 读 写 XXX FFH 　 　 　 读状态寄存器 写 XXX 70H 读 XXX 寄存器数据 擦除 写 XXX 20H 写 块地址 DOH 写 写 XXX 40H 写 程序地址 程序数据

4 实验系统

减震弹簧振动实验系统如图3所示。平台使用真实的桑塔纳2000的悬挂系统和减震弹簧。电机的转动由变频器控制，通过传动轴带动车轮转动。车轮的下端与一个装在固定支架上的可旋转的表面带有凸出挡条的铁棍相接触。车轮转动到与挡条碰撞，悬挂系统使减震弹簧发生相应的振动。

使用两个好的弹簧和三个坏的弹簧进行实验。实验结果表明，汽车减震弹簧故障诊断仪工作稳定，诊断结果有效。

本文所设计的汽车减震弹簧故障诊断仪可直接用于汽车减震弹簧的故障诊断，并可推广应用到轴承磨损、制动器失效等非线性机械故障诊断。在此故障诊断仪的对电路略加改动，就可将其用于更高频率信号系统故障诊断中。