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汽车减震弹簧故障诊断仪的设计方案解析
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2017-11-01
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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。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（256Kx16），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（256Kx16），存取速度达到10ns。
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。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（256Kx16），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（256Kx16），存取速度达到10ns。
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