基于DSP的汽車減震彈簧故障診斷儀的設計

摘要：介紹了一個基于TMS320VC5409的汽車減震彈簧故障診斷系統的基本原理、總體設計方案與軟硬件的設計。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，具有很好的應用前景。

關鍵詞：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的。這種技術的基本思想是：根據采樣得到的減震彈簧的輸入和輸出數據，利用有效的非線性系統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的頻域表示形式—廣義頻率響應函數ＧＦＲＦＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＦｒｅｑｕｅｎｃｙＲｅｓｐｏｎｓｅＦｕｎｃｔｉｏｎｓ。ＧＦＲＦ是描述系統非線性傳遞特性的一種非參數模型它能夠唯一地刻畫系統傳遞特性的頻域特征因而系統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１。分析彈簧系統的ＧＦＲＦ就可判斷出彈簧的工作狀態。目前國內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用在國內外尚處于起步階段，因此該儀器具有很好的應用前景。

１系統總體方案

非線性系統辨識算法龐大、復雜，對系統的計算能力要求很高。ＤＳＰ是專門用于數字信號處理的芯片，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。為了方便地實現人機交互，采用ＤＳＰ與單片機協同工作的方式：以單片機為主機，通過通訊接口對ＤＳＰ實現控制；同時利用單片機較強的外圍設備管理能力實現人機接口、顯示等功能。主要工作流程是：彈簧的輸入輸出信號經過濾波電路進行調理后，由Ａ／Ｄ轉換器轉換為數字信號，再進入ＤＳＰ進行運算，得到的診斷結果通過通訊接口電路送入單片機，單片機將結果顯示在液晶顯示器上，并經過串口送入到ＰＣ機。單片機通過通訊接口控制ＤＳＰ的工作狀態。系統原理框圖如圖１所示。

２硬件電路設計

２．１信號調理電路

采用集成開關電容濾波器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。當它的時鐘管腳接內部時鐘時，最大截止頻率為１．４ｋＨｚ；而汽車減震彈簧穩定工作時，信號的頻率不超過５００Ｈｚ，故設定濾波器的截止頻率為７００Ｈｚ。

２．２ＤＳＰ電路

ＤＳＰ電路完成數據采集及數字濾波，利用內置的算法完成故障診斷等任務。

本系統中的ＤＳＰ采用美國德州儀器公司(ＴＩ)生產的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：改進的哈佛結構，帶有專用硬件邏輯ＣＰＵ，片內存儲器，６級流水線結構，片內外設專用的指令集。ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０９含１６Ｋ字的片內ＲＯＭ和３２Ｋ字的片內ＤＡＲＡＭ，程序空間的尋址范圍達到８Ｍ數據和Ｉ／Ｏ空間尋址范圍分別為６４Ｋ。單周期指令執行時間為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位并行自引導模式，對于ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０９，用戶程序存儲在外部數據空間中，因此外擴了一片ＦＬＡＳＨＲＯＭ作為數據存儲空間。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轉換電路

信號的采集和轉換是由ＡＤ７８７４完成的。ＡＤ７８７４是ＡＤ公司生產的１２位Ａ／Ｄ轉換器。系統要求輸入輸出信號相位要同步，ＡＤ７８７４內置采樣保持器，能夠實現四路信號的同步采樣。同步采樣能使系統的輸入輸出信號相位匹配的誤差降到最小。Ａ／Ｄ轉換的啟動由上升沿觸發，四路信號轉換完成后，產生中斷信號。每一路的采樣頻率可達２９ｋＨｚ。由于Ａ／Ｄ轉換后輸出的是ＴＴＬ電平，而ＤＳＰ工作在３．３Ｖ的信號環境，因此在Ａ／Ｄ的輸出與ＤＳＰ的輸入之間需要加入電平轉換電路。在本系統中采用ＳＮ７４ＬＶＣ２４５實現電平轉換。ＤＳＰ系統的供電由ＴＩ公司的電壓轉換模塊ＴＰＳ７６７Ｄ３１８ＰＷＰ完成，能夠輸出３．３Ｖ和１．８Ｖ兩路電壓。

２．４單片機電路

單片機電路實現鍵盤輸入響應和液晶顯示以及與ＰＣ機交互功能。

本系統中所用的單片機為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換。

２．５通信電路

通信電路實現單片機與ＤＳＰ的通信。由于單片機與ＤＳＰ間的數據通信量不大，因此采用了一片８位雙向鎖存器實現數據交換。雙向鎖存器采用ＴＩ的ＳＮ７４ＬＶＣ５４３。當ＤＳＰ向ＡＴ８９Ｃ５１發送數據時，首先將數據鎖存在ＳＮ７４ＬＶＣ５４３中，然后向ＡＴ８９Ｃ５１發中斷，ＡＴ８９Ｃ５１響應中斷，從鎖存器中取走數據。反之亦然。

３軟件設計

軟件的設計主要包括ＤＳＰ編程和單片機編程。ＤＳＰ程序的主要任務是初始化、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

在本系統中，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重新設置為讀模式，這樣才能在開發環境ＣＣＳ中看到正確的結果。ＴＥ２８Ｆ４００Ｂ３的最大讀取速度為９０ｎｓ，而ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０９最大只能設置７個等待狀態，因此設置ＤＳＰ的ＣＬＫＭＤ１、ＣＬＫＭＤ２、ＣＬＫＭＤ３管腳，使ＤＳＰ在上電復位時的系統時鐘為５０ＭＨｚ。這樣就能保證可靠地讀取ＦＬＡＳＨ的數據。在完成引導過程后，必須首先將ＣＬＫＭＤ寄存器清零，然后重新設置ＣＬＫＭＤ寄存器，使系統時鐘為100MHz。TE28F400B3的主要操作命令如表2所示。

表116位并行引導模式的代碼結構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據操作地址數據讀寫XXXFFH讀狀態寄存器寫XXX70H讀XXX寄存器數據擦除寫XXX20H寫塊地址DOH寫寫XXX40H寫程序地址程序數據

4實驗系統

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