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基于DSP的汽車(chē)減震彈簧故障診斷儀的設計
摘要：介紹了一個(gè)基于TMS320VC5409的汽車(chē)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(shí)的車(chē)輛減震彈簧進(jìn)行多次試驗，證明了該儀器工作穩定，能夠有效地完成汽車(chē)減震彈簧的故障診斷，具有很好的應用前景。汽車(chē)減震彈簧故障診斷儀的基本原理是基于非線(xiàn)性頻譜分析技術(shù)的。這種技術(shù)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(xiàn)性系統辨識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(xiàn)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(xiàn)性傳遞特性的一種非參數模型?它能夠唯一地刻畫(huà)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(xiàn)性變化就能夠通過(guò)ＧＦＲＦ被準確地反映。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?１?。分析彈簧系統的ＧＦＲＦ?就可判斷出彈簧的工作狀態(tài)。目前國內對汽車(chē)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(xiàn)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(zhuān)門(mén)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(mǎn)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(shí)現人機交互，采用ＤＳＰ與單片機協(xié)同工作的方式：以單片機為主機，通過(guò)通訊接口對ＤＳＰ實(shí)現控制；同時(shí)利用單片機較強的外圍設備管理能力實(shí)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(jīng)過(guò)濾波電路進(jìn)行調理后，由Ａ／Ｄ轉換器轉換為數字信號，再進(jìn)入ＤＳＰ進(jìn)行運算，得到的診斷結果通過(guò)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(jīng)過(guò)串口送入到ＰＣ機。單片機通過(guò)通訊接口控制ＤＳＰ的工作狀態(tài)。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(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。當它的時(shí)鐘管腳接內部時(shí)鐘時(shí)，最大截止頻率為１．４ｋＨｚ；而汽車(chē)減震彈簧穩定工作時(shí)，信號的頻率不超過(guò)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(wù)。
本系統中的ＤＳＰ采用美國德州儀器公司(ＴＩ)生產(chǎn)的ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０９，它是ＴＭＳ３２０Ｃ５４ｘｘ系列的一個(gè)高速、高性?xún)r(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)的哈佛結構（１條程序存儲器總線(xiàn)、３條數據存儲器總線(xiàn)和４條地址總線(xiàn)），帶有專(zhuān)用硬件邏輯ＣＰＵ，片內存儲器，６級流水線(xiàn)結構，片內外設專(zhuān)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(shí)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。
ＤＳＰ電路采用１６位并行自引導模式，對于ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０９，用戶(hù)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(xiě)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(chǎn)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(shí)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(dòng)由上升沿觸發(fā)，四路信號轉換完成后，產(chǎn)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(huán)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(shí)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(shí)現鍵盤(pán)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(pán)管理通過(guò)鍵盤(pán)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(shí)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(shí)現數據交換。雙向鎖存器采用ＴＩ的ＳＮ７４ＬＶＣ５４３。當ＤＳＰ向ＡＴ８９Ｃ５１發(fā)送數據時(shí)，首先將數據鎖存在ＳＮ７４ＬＶＣ５４３中，然后向ＡＴ８９Ｃ５１發(fā)中斷，ＡＴ８９Ｃ５１響應中斷，從鎖存器中取走數據。反之亦然。
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