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基于DSP的汽车减震弹簧故障诊断仪的设计

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

  摘要:介绍了一个基于TMS320VC5409的汽车减震弹簧故障诊断系统的基本原理、总体设计方案与软硬件的设计。以真实的车辆减震弹簧进行多次试验,证明了该仪器工作稳定,能够有效地完成汽车减震弹簧的故障诊断,具有很好的应用前景。
  关键词:DSP故障诊断非线性频谱分析GFRF
  
  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GeneralizedFrequencyResponseFunctions。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1。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。
  
  2.2DSP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

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