汽車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)。目前國內(nèi)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(shí)際應(yīng)用在國內(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)辨識算法龐大、復(fù)雜，對系統(tǒng)的計(jì)算能力要求很高。DSP是專門用于數(shù)字信號處理的芯片，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)，通過通訊接口對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經(jīng)過濾波電路進(jìn)行調(diào)理后，由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再進(jìn)入DSP進(jìn)行運(yùn)算，得到的診斷結(jié)果通過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)過串口送入到PC機(jī)。單片機(jī)通過通訊接口控制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信號調(diào)理電路

采用集成開關(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；而汽車減震彈簧穩(wěn)定工作時(shí)，信號的頻率不超過500Hz，故設(shè)定濾波器的截止頻率為700Hz。

2．2DSP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。

2．3A/D轉(zhuǎn)換電路

信號的采集和轉(zhuǎn)換是由AD7874完成的。AD7874是AD公司生產(chǎn)的12位A/D轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)要求輸入輸出信號相位要同步，AD7874內(nèi)置采樣保持器，能夠?qū)崿F(xiàn)四路信號的同步采樣。同步采樣能使系統(tǒng)的輸入輸出信號相位匹配的誤差降到最小。A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)由上升沿觸發(fā)，四路信號轉(zhuǎn)換完成后，產(chǎn)生中斷信號。每一路的采樣頻率可達(dá)29ｋHz。由于A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路。在本系統(tǒng)中采用SN74LVC245實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。DSP系統(tǒng)的供電由TI公司的電壓轉(zhuǎn)換模塊TPS767D318PＷP完成，能夠輸出3．3V和1．8V兩路電壓。

2．4單片機(jī)電路

單片機(jī)電路實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入響應(yīng)和液晶顯示以及與PC機(jī)交互功能。

本系統(tǒng)中所用的單片機(jī)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(diǎn)陣），它內(nèi)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(kuò)了一片AT28C256作為外部程序存儲(chǔ)器。PC機(jī)的RS－232串口的電平和單片機(jī)串口的TTL電平不兼容，使用MAX232完成兩種電平之間的轉(zhuǎn)換。

2．5通信電路

通信電路實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與DSP的通信。由于單片機(jī)與DSP間的數(shù)據(jù)通信量不大，因此采用了一片8位雙向鎖存器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。雙向鎖存器采用TI的SN74LVC543。當(dāng)DSP向AT89C51發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先將數(shù)據(jù)鎖存在SN74LVC543中，然后向AT89C51發(fā)中斷，AT89C51響應(yīng)中斷，從鎖存器中取走數(shù)據(jù)。反之亦然。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)主要包括DSP編程和單片機(jī)編程。DSP程序的主要任務(wù)是初始化、管理DSP外圍電路和完成故障診斷的算法。單片機(jī)程序包括鍵盤控制程序、液晶驅(qū)動(dòng)顯示程序、與DSP及PC機(jī)通信的程序。

3．1DSP主程序

DSP主程序流程圖見圖2。

3．2DSP程序的下載和引導(dǎo)

在本系統(tǒng)中，F(xiàn)LASH 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(dǎo)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(yùn)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(gè)字后，要延時(shí)足夠的時(shí)間，否則就不能正常地寫入下一個(gè)字。

寫完后，需要將FLASH ROM重新設(shè)置為讀模式，這樣才能在開發(fā)環(huán)境CCS中看到正確的結(jié)果。TE28F400Ｂ3的最大讀取速度為90ns，而TMS320VC5409最大只能設(shè)置7個(gè)等待狀態(tài)，因此設(shè)置DSP的CLKMD1、CLKMD2、CLKMD3管腳，使DSP在上電復(fù)位時(shí)的系統(tǒng)時(shí)鐘為50MHz。這樣就能保證可靠地讀取FLASH的數(shù)據(jù)。在完成引導(dǎo)過程后，必須首先將CLKMD寄存器清零，然后重新設(shè)置CLKMD寄存器，使系統(tǒng)時(shí)鐘為100MHz。TE28F400B3的主要操作命令如表2所示。

4實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

減震彈簧振動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。平臺(tái)使用真實(shí)的桑塔納2000的懸掛系統(tǒng)和減震彈簧。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)由變頻器控制，通過傳動(dòng)軸帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。車輪的下端與一個(gè)裝在固定支架上的可旋轉(zhuǎn)的表面帶有凸出擋條的鐵棍相接觸。車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與擋條碰撞，懸掛系統(tǒng)使減震彈簧發(fā)生相應(yīng)的振動(dòng)。

使用兩個(gè)好的彈簧和三個(gè)壞的彈簧進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，汽車減震彈簧故障診斷儀工作穩(wěn)定，診斷結(jié)果有效。

本文所設(shè)計(jì)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(yīng)用到軸承磨損、制動(dòng)器失效等非線性機(jī)械故障的診斷中。在此故障診斷儀的基礎(chǔ)上對電路略加改動(dòng)，就可將其用于更高頻率信號系統(tǒng)的故障診斷中。