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
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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GFRF(Generalized Frequency Response Functions)。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" title="工作狀態">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" title="A/D">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" 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。系統原理框圖如圖1所示。
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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。
2.2 DSP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(1條程序存儲器總線、3條數據存儲器總線和4條地址總線),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(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位并行自引導模式,對于TMS320VC5409,用戶程序存儲在外部數據空間(8000H～FFFFH)中,因此外擴了一片FLASH ROM作為數據存儲空間。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(128×64點陣),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。
3.1 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
在本系統中,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。
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系統時鐘為100MHz。TE28F400B3的主要操作命令如表2所示。
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。車輪轉動時與擋條碰撞,懸掛系統使減震彈簧發生相應的振動。
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使用兩個好的彈簧和三個壞的彈簧進行實驗。實驗結果表明,汽車減震彈簧故障診斷儀工作穩定,診斷結果有效。
本文所設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上對電路略加改動,就可將其用于更高頻率信號系統的故障診斷中。
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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用.西按交通大學學報,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