双微处理器数字信号处理技术用于汽车振动分析

1、文章编号:1005-4014(200202-0137-04双微处理器数字信号处理技术用于汽车振动分析!金伟,叶孟蜍(大连轻工业学院信息工程系,辽宁大连116034关键词:数字信号处理;双微处理器;汽车;振动摘要:介绍了采用双CPU结构(T MS320VC5402和AT89C52及数字信号处理技术,对振动信号实现高速实时处理。以便用于结构简单,高性能/价格比的便携式汽车振动分析仪器。中图分类号:TP277、TP274文献标识码:ATwin-micro p rocessor di g ital si g nal p rocessin g a pp liedin automobile Vibrati

2、on anal y sisJIN Wei,YE Men g-chu(De p t.of Inf.En g.,Daiian Inst.of Li g ht Ind.,Daiian116034,ChinaKe y words:di g itai si g nai p rocessin g;twin-micro p rocessor;automobiie;vibrationAbstract:We ado p t doubie CPUs(T MS320VC5402and AT89C52and di g itai si g nai p rocessin g technoio g ies to reaii

3、Ze hi g h-s p eed and reai-time vibration si g nai p rocessin g.It is usabie for automobiie vibration anai y Z-in g,as a sim p ie and hi g h p erformance/p rice ratio p ortabie si g nai p rocessin g a pp aratus.汽车的综合性能检测,汽车振动分析仪表的研制,已有很长历史和多种产品。但是简便、廉价、而能保持良好精度的便携式振动分析仪仍待开发。计算技术的迅猛发展,为数据采集、信号处理提供了有利

4、条件,因此可以采用通用的压电式传感器和电荷放大器测量振动信号,输出信号由T MS320VC5402高速数字信号处理器进行相关分析处理。实时记录安装在汽车车身的传感器输出波形,快速进行信号分析,及时获得汽车运行中的振动信号,实时分析汽车的特性和车况。另外,在已知试验汽车特性的情况下可以实时对路况进行分析和记录。1硬件结构1,2硬件由压电式传感器、电荷放大器等信号调理电路、数字信号处理模块以及操作显示界面等部分组成,结构框图如图1所示。电荷放大器与压电式传感器配接可进行加速度、压力、力等非电量测量。最大输入电荷量:105PC;最大输出:1 10V p;增益:0.1mV1V/PC;频响(-3dB:

5、0.3100kHZ;精度:11.5%;噪声(折合到输入端:10!V;仪器有低通和高通两个分档,低通分档:1,3,10,30,100kHZ;高通分档:0.3,1,5HZ。电荷放大器输出信号经A/D转换后,可进行采样 波形显示并进行信号处理。图1硬件结构框图数字信号处理模块采用双CPU结构3,由T MS320VC5402作为下位机完成复杂的数据分析和处理工作,由AT89C52作为上位机完成程序调度、人机接口、显示、记录和报警等工作。硬件结构如图2所示。1.1TMS320VC5402芯片1,4T MS320VC5402芯片是TI公司于1996年推出的一款定点型DSP芯片。它的基本结构包第21卷第2期

6、2002年6月大连轻工业学院学报Journal of Dalian Institute of Li g ht Industr yVoi.21,No.2"""""""""""""""""""""""""""""""""""""&qu

7、ot;"""""""""""""""""""""""Jun.2002!收稿日期:2002-05-10作者简介:金伟(1955,男,教授. 图2双CPU 硬件组成方框图括:(1Harvard 多总线结构,可以对程序空间与数据空间的存储器进行独立编址,独立访问;(2多个处理单元,如40位累加器(ACC ,40位算术逻辑单元(ALU ,2个辅助算术单元(ARAU0、ARAU

8、1、17>17位的乘法器、DMA 控制器以及比较、选择和存储单元(CSSU 等;(3流水线结构,6级流水线将单指令周期降到最小值(10ns ;(4特殊的DSP 指令。该芯片在系统中主要负责杂波滤除、时域加窗和自相关函数运算等复杂的数字处理工作。1.2AT 89C 52AT89C52是AT MEL 公司推出的一种带8K字节闪速可编程可擦除只读存储器(PEROM 的低能耗、低电压、高性能的8位微控制器。内部含有256>8位的RAM ,32条可编程I /O 线,三个16位定时器/计数器,8个中断源。1.3AD 678AD678是一个高档的、多功能的12位A /D 转换器芯片,内部含有采样

9、/保持器、高精度参考电源、内部时钟和三态缓冲数据输出等部件。完成一次A /D 转换仅需5!s 。1.4高速缓存FIFO高速缓存FIFO 选用了CY7C4245,它是高速、低功耗4K >18的FIFO 存储器,读写时间为10ns ,具有独立的18位输入输出接口和读写时钟信号,可以实现同步读写操作。1.5双端口RAM双端口RAM 采用IDT 公司的IDT7140,它具有两组完全对称的地址线、数据线和控制线,一组连T MS320VC5402,另一组连在AT89C52上,T MS320VC5402和AT89C52分别为它分配地址,它有4种工作方式:中断、硬件、令牌和软件。本系统中双端口RAM 采

10、用中断方式协调T MS320VC5402和AT89C52之间的通讯。1.6LCD 显示器系统中的LCD 显示器选用DMC161C 器件,它由LCD 屏、PCB 板和驱动电路组成,功率约为1015mW 。可显示文字、数据和时域、频域等波形。1.7EPROM 27512和RAM 7C 199程序固化在EPROM27512中;采样和处理数据由快速RAM7C199存储,可以满足程序的无等待运行。2软件设计TI 公司为其DSP 芯片提供了专用的软件开发平台CCS (Code Com p oser Studio ,它是TI 公司新推出的DSP 集成开发平台,该平台集成了编辑、编译连接、调试及仿真等功能,支

11、持ASM 、C 等语言,并提供多种实时分析和编程方法,是目前功能最齐全的DSP 开发平台。下位机T MS320VC5402的软件就是采用CCS 开发系统进行开发的。AT89C52的软件开发平台采用ASM -51汇编语言进行开发。系统软件采用模块化设计。其中主要包括主程序、初始化程序、数据接收子程序、数据处理子程序、键盘扫描子程序、数据显示及打印子程序和报警子程序等。初始化程序包括关中断,定义变量、常数,对数据空间清零,设置计算模式和中断模式,以及各寄存器清零等。初始化工作完成后,由软件开中断,进行实时采样及信号处理。本文以信号的相关分析技术对汽车振动进行分析为例,介绍软件的设计开发过程。自相关

12、函数的定义式如下:Rx (!=Ex (z x (z +!=Iim T ! 1T "Tx (z x (z +!d z(1式中,Rx (!为自相关函数;E 为数学期望;x (z 为记录样本,是时间z 的函数;!为时间平6大连轻工业学院学报第21#卷移量。选择T =T 0,T 0为某一较大的时间常数,由式(l 可得Rx (!的估计值表达式如下:R x (!=l TJ T 00x(I x (I +!d I (2对x (I 采样,得离散的时间序列x (i ,i=0,l ,2,N < ,且应满足N 3N T + ,N T 3IN T(T 0/!I 。其中IN T 为取整数;N T 为相关项

13、数;!I 为采样间隔; 为间隔数( =!/!I 。故式(2积分运算变为求和运算如下:R x ( !=l T 0Z N T -li =0x (i x (i + !I (3若T 0匀!IN T ,则公式(3改写为R x ( !=l N T Z N T -l i =0x(i x (i + (4根据式(4开发自相关函数计算程序,软件流程图如图3 所示。图3自相关函数计算程序流程图对振动分析的校验是通过由信号发生器产生一正弦函数作为输入信号,采样得到的波形如图4(a ,自相关函数计算如图4(b 所示,结果与理 论计算的结果一致。图4振动分析的验证试验3应用示例相关分析技术是在噪声背景下提取有用信息的一个

14、非常有效的手段。试验是让汽车在沙石搓板路上高速行驶,在汽车车身安装有压电式垂直加速度传感器,图5(a 是传感器输出波形的记录,即x (I 的采样波形。x (I 信号中掺杂着随机噪声,在这种被“噪声污染”的信号中,无法直接分析汽车减振装置的性能。为此,采用便携式振动分析仪,对记录信号x (I 进行自相关函数Rx (!计算。首先对x (I 进行采样,得一有限长(长度为N 序列x (i ,由相关分析计算得到自相关函数图Rx (!,如图5(b 所示。波形曲线反映了压电式垂直加速度传感器输出的信号中的频率构成,从图中可以看出Rx (!为一周期性衰减的偶函数,从横轴坐标可读出周期T 大约为0.l S ,频

15、率f 为l0HZ 左右,因此可知汽车车身存在有规律的周期振动。通过对汽车车身存在的频率为l0HZ 的有规律的周期性振动的分析,可判断汽车的减振器的性能。4结束语采用了DSP 芯片,使得汽车振动分析具有数据处理速度快、低功耗、体积小等优点,能够快速地分析汽车的振动特征,及时给出汽车性能的测试报告。对于使用中的汽车可以进行经常性的检测,发现故障时,可得到及时的诊断和维修,避免故障的发生和事故隐患的扩大。l6第2期一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一金伟等:双微处理器数字信号处理技术用于汽车振动分析 图5汽车振动分

16、析试验参考文献:1戴明桢,周建江.T MS32OC54X ,DSP 结构、原理及应用M .北京:航空航天大学出版社,2OO1.2张思.振动测试与分析技术M .北京:清华大学出版社,1992.3陈云窗,侯朝桢,汤霞清.T MS32OC31和8OC196双CPU 构成的高速实时控制系统J .电子技术应用,2OO1,27(8:76-77.4张雄伟.DSP 芯片的原理与开发应用M .北京:电子工业出版社,1997.5胡书广.数字信号处理理论、算法与实现M .北京:清华大学出版社,!""""1997.中国学术期刊检索与评价数据规范参考文献(一各类参考文献条目的编排

17、格式及示例如下:a.专著、论文集、学位论文、报告序号主要责任者.文献题名文献类型标识.出版地:出版者,出版年.起止页码(任选.1刘国钧,陈绍业,王凤翥.图书馆目录M .北京:高等教育出版社,1957.15-18.2辛希孟.信息技术与信息服务国际研讨会论文集:A 集C .北京:中国社会科学出版社,1994.3张筑生.微分半动力系统的不变集D .北京:北京大学数学系数学研究所,1983.4冯西桥.核反应堆压力管道与压力容器的LBB 分析R .北京:清华大学核能技术设计研究院,1997.b.期刊文章序号主要责任者.文献题名J .刊名,年,卷(期:起止页码.5何龄修.读顾城南明史J .中国史研究,19

18、98,(3:167-173.6金显贺,王昌长,王忠东,等.一种用于在线检测局部放电的数字滤波技术J .清华大学学报(自然科学版,1993,33(4:62-67.c.论文集中的析出文献序号析出文献主要责任者.析出文献题名A .原文献主要责任者(任选.原文献题名C .出版地:出版者,出版年.析出文献起止页码.7钟文发.非线性规划在可燃毒物配置中的应用A .赵纬.运筹学的理论与应用中国运筹学会第五届大会论文集C .西安:西安电子科技大学出版社,1996.468-471.d.报纸文章序号主要责任者.文献题名N .报纸名,出版日期(版次.8谢希德.创造学习的新思路N .人民日报,1998-12-25(1O .e.国际、国家标准序号标准编号,标准名称S .9GB /T 16159-1996,汉语拼音正词法基本规则S .f.专利序号专利所有者.专利题名P .专利国别:专利号,出版日期.1O 姜锡洲.一种温热外敷药制备方案P .中国专利:881O56O73,19