汽車(chē)減震彈簧故障診斷儀的設(shè)計(jì)方案解析

汽車(chē)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(huà)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)。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(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(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(mén)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(chē)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F(xiàn)LASH ROM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。FLASH ROM采用INTEL公司的TE28F400Ｂ3T90（256Kx16），它共分為15塊（8塊4K字，7塊32K字），可單獨(dú)擦寫(xiě)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（256Kx16），存取速度達(dá)到10ns。