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基于DSP的汽車減震彈簧故障診斷儀的設(shè)計(jì)
摘要：介紹了一個(gè)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(jì)方案與軟硬件的設(shè)計(jì)。以真實(shí)的車輛減震彈簧進(jìn)行多次試驗(yàn)，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。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(shí)方法得到彈簧的振動(dòng)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(guò)ＧＦＲＦ被準(zhǔn)確地反映。彈簧處于正常工作狀態(tài)時(shí)，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(guó)內(nèi)對(duì)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(shí)際應(yīng)用在國(guó)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(shí)算法龐大、復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)的計(jì)算能力要求很高。ＤＳＰ是專門用于數(shù)字信號(hào)處理的芯片，計(jì)算能力強(qiáng)大、運(yùn)算速度快，能夠滿足系統(tǒng)的要求。ＤＳＰ 的計(jì)算能力雖然很強(qiáng)，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(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，采用ＤＳＰ與單片機(jī)協(xié)同工作的方式：以單片機(jī)為主機(jī)，通過(guò)通訊接口對(duì)ＤＳＰ實(shí)現(xiàn)控制；同時(shí)利用單片機(jī)較強(qiáng)的外圍設(shè)備管理能力實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口、顯示等功能。主要工作流程是：彈簧的輸入輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路進(jìn)行調(diào)理后，由Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)入ＤＳＰ進(jìn)行運(yùn)算，得到的診斷結(jié)果通過(guò)通訊接口電路送入單片機(jī)，單片機(jī)將結(jié)果顯示在液晶顯示器上，并經(jīng)過(guò)串口送入到ＰＣ機(jī)。單片機(jī)通過(guò)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(jì)
２．１ 信號(hào)調(diào)理電路
采用集成開(kāi)關(guān)電容濾波器ＭＡＸ２８０組成抗混疊濾波電路。ＭＡＸ２８０是一個(gè)五階低通濾波器，截止頻率可調(diào)。當(dāng)它的時(shí)鐘管腳接內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，最大截止頻率為１．４ｋＨｚ；而汽車減震彈簧穩(wěn)定工作時(shí)，信號(hào)的頻率不超過(guò)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(guó)德州儀器公司(ＴＩ)生產(chǎn)的ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０９，它是ＴＭＳ３２０Ｃ５４ｘｘ系列的一個(gè)高速、高性價(jià)比、低功耗的１６位定點(diǎn)通用ＤＳＰ芯片。其主要特點(diǎn)包括：改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)（１條程序存儲(chǔ)器總線、３條數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線和４條地址總線），帶有專用硬件邏輯ＣＰＵ，片內(nèi)存儲(chǔ)器，６級(jí)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(dá)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(shí)間為１０ｎｓ，雙電源（１．８Ｖ和３．３Ｖ）供電，帶有符合ＩＥＥＥ１１４９．１標(biāo)準(zhǔn)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(duì)于ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０９，用戶程序存儲(chǔ)在外部數(shù)據(jù)空間（８０００Ｈ～ＦＦＦＦＨ）中，因此外擴(kuò)了一片ＦＬＡＳＨ ＲＯＭ作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(dú)擦寫其中的一塊。編程電壓只需３．３Ｖ，最快的讀取速度達(dá)到９０ｎｓ。系統(tǒng)外擴(kuò)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(dá)到１０ｎｓ。
２．３ Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換電路
信號(hào)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(hào)相位要同步，ＡＤ７８７４內(nèi)置采樣保持器，能夠?qū)崿F(xiàn)四路信號(hào)的同步采樣。同步采樣能使系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)相位匹配的誤差降到最小。Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)由上升沿觸發(fā)，四路信號(hào)轉(zhuǎn)換完成后，產(chǎn)生中斷信號(hào)。每一路的采樣頻率可達(dá)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(hào)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(shí)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(jī)電路
單片機(jī)電路實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入響應(yīng)和液晶顯示以及與ＰＣ機(jī)交互功能。
本系統(tǒng)中所用的單片機(jī)為ＡＴＭＥＬ公司的ＡＴ８９Ｃ５１。鍵盤管理通過(guò)鍵盤控制器８２７９完成。液晶模塊選用信利公司的ＶＰＧ１２８６４Ｔ（１２８×６４點(diǎn)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(kuò)了一片ＡＴ２８Ｃ２５６作為外部程序存儲(chǔ)器。ＰＣ機(jī)的ＲＳ－２３２串口的電平和單片機(jī)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(shí)現(xiàn)單片機(jī)與ＤＳＰ的通信。由于單片機(jī)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(shí)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(shí)，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。
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