溫陽東， 朱 楊， 殷運(yùn)鵬

（合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

基于XC878的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

溫陽東， 朱 楊， 殷運(yùn)鵬

（合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

文章針對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)難以測(cè)量的問題，提出一種基于單片機(jī)XC878的振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)與處理系統(tǒng)，即通過加速度傳感器將發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，濾波和放大后經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換器送入單片機(jī)，用離散傅氏變換的快速算法（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析和處理后得到汽車轉(zhuǎn)速，以避免測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)裝卸困難和機(jī)器損壞，提高了設(shè)備的可靠性，降低了設(shè)備維修成本。

振動(dòng)檢測(cè)；離散傅氏變換的快速算法；A／D轉(zhuǎn)換

發(fā)動(dòng)機(jī)是車輛的動(dòng)力源，其整體性能將直接影響車輛的總體性能。轉(zhuǎn)速是發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)，是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況的一個(gè)綜合體現(xiàn)，其中蘊(yùn)含著豐富的信息。瞬時(shí)轉(zhuǎn)速是指發(fā)動(dòng)機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)中每一瞬時(shí)的轉(zhuǎn)速，對(duì)于汽車的檢測(cè)、診斷、維修以及發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的測(cè)量均具有重大意義。國外在發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)方面起步較早，在20世紀(jì)60年代后期，國外就出現(xiàn)了示波器、轉(zhuǎn)速表、功率表及一氧化碳測(cè)定器等檢測(cè)儀器，這些是發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)與診斷設(shè)備的雛形。我國的發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)技術(shù)起步比較晚，20世紀(jì)60年代才開始進(jìn)行相關(guān)研究，直到20世紀(jì)90年代以后，汽車檢測(cè)與診斷技術(shù)才得到快速發(fā)展，并取得了一些研究成果［1］。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)測(cè)量技術(shù)（如機(jī)械式、光電式、電磁式、霍爾式及頻閃法等）已經(jīng)相當(dāng)成熟，也具備相當(dāng)?shù)臏y(cè)量精度，但在實(shí)際應(yīng)用中，總是不可避免地存在著弊端，這些測(cè)量方法一般都需要在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部器件上安裝傳感器，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不符合快速實(shí)時(shí)的檢測(cè)要求，降低了檢測(cè)效率。研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)的基頻與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，只要提取出發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的基頻信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速就可以方便地進(jìn)行測(cè)量［2］。這為開發(fā)一種基于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

本文系統(tǒng)采用單片機(jī)作為核心，整個(gè)系統(tǒng)輕便靈活，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量顯示瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信息時(shí)不需要額外依賴計(jì)算機(jī)，在惡劣復(fù)雜的工況下也能實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的無拆卸檢測(cè)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件總體框圖如圖1所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋處安裝傳感器后，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)量首先經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換成直流電壓，再通過調(diào)理電路［2］傳送到單片機(jī)內(nèi)模／數(shù)（A／D）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理。經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)通過數(shù)／模（D／A）模塊接上示波器后即可即時(shí)地顯示發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。同時(shí)分析片內(nèi)存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)，也可以方便地分析歷史轉(zhuǎn)速曲線。

1.2 傳感器及XC878模塊電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選定對(duì)振動(dòng)最為敏感的缸蓋作為振動(dòng)檢測(cè)的測(cè)點(diǎn)，振動(dòng)傳感器則安裝在缸蓋上的緊固螺釘上，多次試驗(yàn)證明該位置獲得的振動(dòng)信息量最為豐富［3］。振動(dòng)傳感器和信號(hào)調(diào)理電路兩部分共同組成傳感器模塊，本系統(tǒng)采用AD系列ICP加速度傳感器。它的輸出具有兩線聯(lián)接特征，即傳感器的信號(hào)輸出和內(nèi)置IC放大器所需的恒流激勵(lì)為同一根線，另一根線為地線。以此把外部加速度引起的慣性敏感元件的位移信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。

目前，在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域，最常用的微控前單元（micro control unit，MCU）和微處理器（micro processor unit，MPU）有51系列單片機(jī)、各類數(shù)字信號(hào)器處理（digital signal processor，DSP）和高性能的ARM處理器。由于系統(tǒng)需要對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行離散傅氏變換的快速算法（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）處理，所以主頻相對(duì)較低的單片機(jī)不能滿足需要［3］。本文采用的XC878單片機(jī)處理器的運(yùn)算單元具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，包括算術(shù)邏輯單元（arithmetic and logic unit，ALU）、ACC寄存器、B寄存器和程序狀態(tài)字（program status word，PSW）寄存器等。其功能強(qiáng)大，最大外部時(shí)鐘頻率可以達(dá)到144 MHz，可以滿足FFT運(yùn)算。同時(shí)，該單片機(jī)CPU使用2個(gè)時(shí)鐘周期，允許快速訪問隨機(jī)存儲(chǔ)器（random access memory，ROM）或只讀存儲(chǔ)器（read－only memory，RAM），不需要等待狀態(tài)，可以滿足數(shù)據(jù)的即時(shí)存儲(chǔ)。

本系統(tǒng)對(duì)于A／D轉(zhuǎn)換速率和精度要求較高。而XC878內(nèi)含1個(gè)帶有8路模擬輸入選擇的高性能10位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。該A／D轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近技術(shù)，最多可轉(zhuǎn)換8種不同模擬通道的電壓電平。由于本系統(tǒng)只需對(duì)1路信號(hào)進(jìn)行加轉(zhuǎn)換，為了防止信號(hào)串?dāng)_，將其他的7路A／D轉(zhuǎn)換器輸入端接地［4］。CPU的A／D轉(zhuǎn)換器輸入引腳AN3通道用于轉(zhuǎn)換。經(jīng)過調(diào)理電路處理后的電壓信號(hào)送入單片機(jī)A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。轉(zhuǎn)換完成后結(jié)果寫入目標(biāo)結(jié)果寄存器，用于進(jìn)行FFT運(yùn)算及相應(yīng)處理。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

XC878中A／D轉(zhuǎn)換時(shí)序分為同步階段、采樣階段、轉(zhuǎn)換以及結(jié)果輸出階段。在XC878中，模塊時(shí)鐘fADC會(huì)產(chǎn)生A／D轉(zhuǎn)換器模塊模擬和數(shù)字部分所需的各種時(shí)鐘信號(hào)，其中fADCD為數(shù)字部分的輸入時(shí)鐘。根據(jù)位域CTC的值不同預(yù)分頻因子可選擇2、3、4、32，對(duì)應(yīng)的模擬時(shí)鐘分別為12、8、6、0.75 MHz。

本系統(tǒng)中，在XC878外接晶振頻率取24 MHz時(shí)，計(jì)算1 024點(diǎn)的FFT大約需要4 ms。為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，選擇0.75 MHz作為數(shù)字部分輸入時(shí)鐘即可滿足本系統(tǒng)要求。同時(shí)為了保持模擬采樣和數(shù)字處理部分之間的同步，單片機(jī)需要一段轉(zhuǎn)換時(shí)間fADCI，即模擬部分內(nèi)部時(shí)鐘。開始采樣后起動(dòng)轉(zhuǎn)換器，采樣位Sample和轉(zhuǎn)換器忙Busy標(biāo)志位被置位。每個(gè)模擬輸入通道在這段持續(xù)時(shí)間都是相同的，采樣時(shí)間控制tS＝（2＋STC）tADC。將模擬量通過逐次逼近轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，結(jié)束后將結(jié)果寫入到目標(biāo)寄存器內(nèi)，產(chǎn)生結(jié)果中斷［5］以觸發(fā)FFT相關(guān)計(jì)算。

2.2 基頻提取算法及其實(shí)現(xiàn)

2.2.1 基頻提取算法

本文采用轉(zhuǎn)速測(cè)量算法對(duì)振動(dòng)信號(hào)基頻進(jìn)行提取。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，汽缸爆發(fā)壓力、活塞往復(fù)慣性力、旋轉(zhuǎn)慣性力及其扭轉(zhuǎn)是曲軸轉(zhuǎn)角的周期性函數(shù)，是造成發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡的主要原因，而這種復(fù)雜的由發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡所產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)的頻率與曲軸轉(zhuǎn)速成一定比例關(guān)系［6］。測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)中含有豐富的頻率分量時(shí)，可以設(shè)想應(yīng)該能夠從中提取出相關(guān)頻譜，從而計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)速。一般情況下，把內(nèi)燃機(jī)中的曲軸及與其相連的連桿、活塞、飛輪等運(yùn)動(dòng)構(gòu)件稱為曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)，由于該軸系并不是一個(gè)絕對(duì)的剛體，因此，也具有一個(gè)扭振自振頻率，即為發(fā)動(dòng)機(jī)固有頻率［7］。另一方面，曲軸是在周期性變化的扭矩作用下工作的，這個(gè)周期性變化的扭矩在振動(dòng)中被稱為干擾力矩。干擾力矩是產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的根源，作用在內(nèi)燃機(jī)曲軸上的干擾力矩，主要是氣缸內(nèi)燃?xì)鈮毫σ约扒S連桿機(jī)構(gòu)的慣性力所產(chǎn)生的切向力矩，其次還有因受功部件吸收功率不均勻而產(chǎn)生的干擾力矩［7］。內(nèi)燃機(jī)一個(gè)氣缸所發(fā)出的扭矩為：

其中，M0為燃?xì)庾饔昧λ纬傻钠骄ぞ?；Mv為v次簡(jiǎn)諧力矩的振幅；Ω為干擾力矩的圓頻率；v為數(shù)學(xué)簡(jiǎn)諧次數(shù)（v＝1，2，3，…）；Ψv為v 次簡(jiǎn)諧力矩的初相位。

經(jīng)分析可知［7］，對(duì)于缸數(shù)為f的發(fā)動(dòng)機(jī)，由于曲軸旋轉(zhuǎn)2轉(zhuǎn)，共有i個(gè)氣缸依次經(jīng)過一個(gè)熱力循環(huán)，輸出不平衡力、力矩和扭矩，當(dāng)測(cè)得的振動(dòng)基頻信號(hào)頻率為f0時(shí)，曲軸轉(zhuǎn)速為：

其中，τ為沖程數(shù)。

對(duì)于缸數(shù)和沖程數(shù)確定的發(fā)動(dòng)機(jī)，如果能夠通過采樣其振動(dòng)信號(hào)，并分離出振動(dòng)基頻信號(hào)，就可以通過（2）式求出實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)速。對(duì)于本文所選用的桑塔納實(shí)驗(yàn)車輛來說，發(fā)動(dòng)機(jī)沖程f＝4，發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)i＝4，代入（2）式即得理論轉(zhuǎn)速為發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)基頻的30倍。假設(shè)采樣頻率為fs，信號(hào)頻率為f，采樣點(diǎn)數(shù)為N，則經(jīng)過FFT運(yùn)算后所得結(jié)果為1個(gè)N點(diǎn)的復(fù)數(shù)。每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)著1個(gè)頻率點(diǎn)，該點(diǎn)的模值即為該頻率值下的幅度特性。

自相關(guān)函數(shù)與原信號(hào)有著相同的周期性，對(duì)應(yīng)有相同的基頻值，并且周期特性更為明顯。故本系統(tǒng)利用壓電傳感器測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋處的振動(dòng)信號(hào)，將采得的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過加窗、濾波等預(yù)處理后先對(duì)其進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算，然后對(duì)自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換，由于基頻處蘊(yùn)含有最大能量，故變換后除直流分量外復(fù)數(shù)模值最大處即為基頻［8］，即可根據(jù)基頻求取理論轉(zhuǎn)速值。

2.2.2 算法的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)

51單片機(jī)通?？梢允褂肒eil公司開發(fā)的u Vison系列軟件進(jìn)行軟件開發(fā)。在編寫對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的控制系統(tǒng)軟件時(shí)，將C與匯編相結(jié)合進(jìn)行編程。本系統(tǒng)FFT運(yùn)算主體即用混編語言編寫。實(shí)現(xiàn)1 024點(diǎn)FFT中蝶形因子運(yùn)算程序的一部分如下：

3 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)所用普通桑塔納轎車發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速700 r／min時(shí)，由振動(dòng)傳感器實(shí)際采集的振動(dòng)時(shí)域部分波形及頻譜如圖3所示。由圖3可看出，蘊(yùn)含最大能量即基頻處對(duì)應(yīng)頻率為24.1 Hz，計(jì)算后得出理論轉(zhuǎn)速為723 r／min，與實(shí)際轉(zhuǎn)速相比，誤差為3.3%，精度較高。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)700 r／min怠速時(shí)的時(shí)域波形及頻譜

對(duì)普通桑塔納轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)際測(cè)量和理論分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 理論轉(zhuǎn)速與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速的比較

由圖4可知，理論轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速基本吻合，誤差很小。發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作時(shí)，由于噴油器、繼電器等感性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路斷電，有可能會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)過電壓和沖擊電流，這些強(qiáng)電干擾信號(hào)會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)，可能在實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線上造成較大的抖動(dòng)［9］。理論轉(zhuǎn)速可以較好地表征瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，說明基于XC878的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是可行的，可實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車無拆卸情況下的嵌入式檢測(cè)。

4 結(jié)束語

采用本系統(tǒng)對(duì)車輛進(jìn)行基本性能檢測(cè)時(shí)，采集與處理的數(shù)據(jù)精度受到諸多因素的影響，而試驗(yàn)對(duì)參數(shù)采集精度、靈敏度及系統(tǒng)的穩(wěn)定性等要求均很高，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性將直接決定汽車性能評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度，因此需要采取相應(yīng)的改善措施，以保證系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，采用的濾波模塊可以進(jìn)一步削弱采樣信號(hào)中的干擾成分，信息處理中可加入數(shù)字濾波模塊來減小測(cè)量誤差。另外，在系統(tǒng)中可加入上位機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口的實(shí)時(shí)控制，在對(duì)FFT結(jié)果進(jìn)行分析提取基頻時(shí)可加入小波分解［10］對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、對(duì)提取的基頻序列進(jìn)行平滑處理［11］等優(yōu)化算法以減小誤差。

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XC878－based automotive engine vibration detection system

WEN Yang－dong， ZHU Yang， YIN Yun－peng

（School of Electric Engineering and Automation，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

In this paper，a XC878 microcontroller－based vibration signal detection and processing system is proposed，for the car engine speed signal is difficult to measure.The vibration signals of the cylinder head of the engine are transformed into the electrical signals through the acceleration sensor，and then put into the microcontroller through A／D converter after filtering and amplification.The frequencydomain analysis and processing of the signals are carried out by using fast Fourier transform（FFT）algorithm and the car engine speed is gotten，thus avoiding machine damage and handling difficulties when measuring speed，improving the reliability of the equipment and reducing the maintenance costs.

vibration detection；fast fourier transform（FFT）；A／D conversion

TP23

A

1003－5060（2015）02－0149－04

10.3969／j.issn.1003－5060.2015.02.002

2014－02－17；

2014－05－27

溫陽東（1955－），男，安徽合肥人，合肥工業(yè)大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師.

（責(zé)任編輯 閆杏麗）