基于XC878的汽車發(fā)動機振動檢測系統(tǒng)

溫陽東， 朱 楊， 殷運鵬

（合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009）

基于XC878的汽車發(fā)動機振動檢測系統(tǒng)

溫陽東， 朱 楊， 殷運鵬

（合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009）

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

振動檢測；離散傅氏變換的快速算法；A／D轉(zhuǎn)換

發(fā)動機是車輛的動力源，其整體性能將直接影響車輛的總體性能。轉(zhuǎn)速是發(fā)動機的一個重要參數(shù)，是發(fā)動機運行狀況的一個綜合體現(xiàn)，其中蘊含著豐富的信息。瞬時轉(zhuǎn)速是指發(fā)動機在一個工作循環(huán)中每一瞬時的轉(zhuǎn)速，對于汽車的檢測、診斷、維修以及發(fā)動機瞬時轉(zhuǎn)速的測量均具有重大意義。國外在發(fā)動機檢測方面起步較早，在20世紀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定器等檢測儀器，這些是發(fā)動機檢測與診斷設(shè)備的雛形。我國的發(fā)動機檢測技術(shù)起步比較晚，20世紀60年代才開始進行相關(guān)研究，直到20世紀90年代以后，汽車檢測與診斷技術(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)動機瞬時測量技術(shù)（如機械式、光電式、電磁式、霍爾式及頻閃法等）已經(jīng)相當成熟，也具備相當?shù)臏y量精度，但在實際應(yīng)用中，總是不可避免地存在著弊端，這些測量方法一般都需要在發(fā)動機內(nèi)部器件上安裝傳感器，費時費力，不符合快速實時的檢測要求，降低了檢測效率。研究表明，發(fā)動機振動信號的基頻與發(fā)動機轉(zhuǎn)速之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，只要提取出發(fā)動機振動的基頻信號，發(fā)動機瞬時轉(zhuǎn)速就可以方便地進行測量［2］。這為開發(fā)一種基于發(fā)動機振動信號的發(fā)動機瞬時轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

本文系統(tǒng)采用單片機作為核心，整個系統(tǒng)輕便靈活，現(xiàn)場測量顯示瞬時轉(zhuǎn)速信息時不需要額外依賴計算機，在惡劣復雜的工況下也能實現(xiàn)對車輛的無拆卸檢測。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的發(fā)動機振動檢測系統(tǒng)的硬件總體框圖如圖1所示。在發(fā)動機缸蓋處安裝傳感器后，發(fā)動機的振動量首先經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換成直流電壓，再通過調(diào)理電路［2］傳送到單片機內(nèi)模／數(shù)（A／D）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲及處理。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地顯示發(fā)動機瞬時轉(zhuǎn)速。同時分析片內(nèi)存儲單元數(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

本系統(tǒng)選定對振動最為敏感的缸蓋作為振動檢測的測點，振動傳感器則安裝在缸蓋上的緊固螺釘上，多次試驗證明該位置獲得的振動信息量最為豐富［3］。振動傳感器和信號調(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，即傳感器的信號輸出和內(nèi)置IC放大器所需的恒流激勵為同一根線，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轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?/p>

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、各類數(shù)字信號器處理（digital signal processor，DSP）和高性能的ARM處理器。由于系統(tǒng)需要對振動信號進行離散傅氏變換的快速算法（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）處理，所以主頻相對較低的單片機不能滿足需要［3］。本文采用的XC878單片機處理器的運算單元具有強大的數(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。其功能強大，最大外部時鐘頻率可以達到144 MHz，可以滿足FFT運算。同時，該單片機CPU使用2個時鐘周期，允許快速訪問隨機存儲器（random access memory，ROM）或只讀存儲器（read－only memory，RAM），不需要等待狀態(tài)，可以滿足數(shù)據(jù)的即時存儲。

本系統(tǒng)對于A／D轉(zhuǎn)換速率和精度要求較高。而XC878內(nèi)含1個帶有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1路信號進行加轉(zhuǎn)換，為了防止信號串擾，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送入單片機A／D轉(zhuǎn)換器進行采樣。轉(zhuǎn)換完成后結(jié)果寫入目標結(jié)果寄存器，用于進行FFT運算及相應(yīng)處理。

2 軟件設(shè)計

2.1 程序設(shè)計

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，模塊時鐘fADC會產(chǎn)生A／D轉(zhuǎn)換器模塊模擬和數(shù)字部分所需的各種時鐘信號，其中fADCD為數(shù)字部分的輸入時鐘。根據(jù)位域CTC的值不同預(yù)分頻因子可選擇2、3、4、32，對應(yīng)的模擬時鐘分別為12、8、6、0.75 MHz。

本系統(tǒng)中，在XC878外接晶振頻率取24 MHz時，計算1 024點的FFT大約需要4 ms。為保證系統(tǒng)的實時性，選擇0.75 MHz作為數(shù)字部分輸入時鐘即可滿足本系統(tǒng)要求。同時為了保持模擬采樣和數(shù)字處理部分之間的同步，單片機需要一段轉(zhuǎn)換時間fADCI，即模擬部分內(nèi)部時鐘。開始采樣后起動轉(zhuǎn)換器，采樣位Sample和轉(zhuǎn)換器忙Busy標志位被置位。每個模擬輸入通道在這段持續(xù)時間都是相同的，采樣時間控制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)果寫入到目標寄存器內(nèi)，產(chǎn)生結(jié)果中斷［5］以觸發(fā)FFT相關(guān)計算。

2.2 基頻提取算法及其實現(xiàn)

2.2.1 基頻提取算法

本文采用轉(zhuǎn)速測量算法對振動信號基頻進行提取。汽車發(fā)動機在運轉(zhuǎn)時，汽缸爆發(fā)壓力、活塞往復慣性力、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)動機運轉(zhuǎn)不平衡的主要原因，而這種復雜的由發(fā)動機運轉(zhuǎn)不平衡所產(chǎn)生的振動激勵信號的頻率與曲軸轉(zhuǎn)速成一定比例關(guān)系［6］。測得的振動信號中含有豐富的頻率分量時，可以設(shè)想應(yīng)該能夠從中提取出相關(guān)頻譜，從而計算得到發(fā)動機曲軸的轉(zhuǎn)速。一般情況下，把內(nèi)燃機中的曲軸及與其相連的連桿、活塞、飛輪等運動構(gòu)件稱為曲軸扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)，由于該軸系并不是一個絕對的剛體，因此，也具有一個扭振自振頻率，即為發(fā)動機固有頻率［7］。另一方面，曲軸是在周期性變化的扭矩作用下工作的，這個周期性變化的扭矩在振動中被稱為干擾力矩。干擾力矩是產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動的根源，作用在內(nèi)燃機曲軸上的干擾力矩，主要是氣缸內(nèi)燃氣壓力以及曲軸連桿機構(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)燃機一個氣缸所發(fā)出的扭矩為：

其中，M0為燃氣作用力所形成的平均扭矩；Mv為v次簡諧力矩的振幅；Ω為干擾力矩的圓頻率；v為數(shù)學簡諧次數(shù)（v＝1，2，3，…）；Ψv為v 次簡諧力矩的初相位。

經(jīng)分析可知［7］，對于缸數(shù)為f的發(fā)動機，由于曲軸旋轉(zhuǎn)2轉(zhuǎn)，共有i個氣缸依次經(jīng)過一個熱力循環(huán)，輸出不平衡力、力矩和扭矩，當測得的振動基頻信號頻率為f0時，曲軸轉(zhuǎn)速為：

其中，τ為沖程數(shù)。

對于缸數(shù)和沖程數(shù)確定的發(fā)動機，如果能夠通過采樣其振動信號，并分離出振動基頻信號，就可以通過（2）式求出實時的轉(zhuǎn)速。對于本文所選用的桑塔納實驗車輛來說，發(fā)動機沖程f＝4，發(fā)動機缸數(shù)i＝4，代入（2）式即得理論轉(zhuǎn)速為發(fā)動機振動基頻的30倍。假設(shè)采樣頻率為fs，信號頻率為f，采樣點數(shù)為N，則經(jīng)過FFT運算后所得結(jié)果為1個N點的復數(shù)。每個點對應(yīng)著1個頻率點，該點的模值即為該頻率值下的幅度特性。

自相關(guān)函數(shù)與原信號有著相同的周期性，對應(yīng)有相同的基頻值，并且周期特性更為明顯。故本系統(tǒng)利用壓電傳感器測定發(fā)動機缸蓋處的振動信號，將采得的振動信號經(jīng)過加窗、濾波等預(yù)處理后先對其進行自相關(guān)運算，然后對自相關(guān)函數(shù)進行傅里葉變換，由于基頻處蘊含有最大能量，故變換后除直流分量外復數(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 算法的單片機實現(xiàn)

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

3 結(jié)果與討論

實驗所用普通桑塔納轎車發(fā)動機在怠速700 r／min時，由振動傳感器實際采集的振動時域部分波形及頻譜如圖3所示。由圖3可看出，蘊含最大能量即基頻處對應(yīng)頻率為24.1 Hz，計算后得出理論轉(zhuǎn)速為723 r／min，與實際轉(zhuǎn)速相比，誤差為3.3%，精度較高。

圖3 發(fā)動機700 r／min怠速時的時域波形及頻譜

對普通桑塔納轎車發(fā)動機的轉(zhuǎn)速進行實際測量和理論分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 理論轉(zhuǎn)速與實測轉(zhuǎn)速的比較

由圖4可知，理論轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速基本吻合，誤差很小。發(fā)動機實際工作時，由于噴油器、繼電器等感性負載的驅(qū)動電路斷電，有可能會產(chǎn)生瞬時過電壓和沖擊電流，這些強電干擾信號會產(chǎn)生電磁感應(yīng)，可能在實際轉(zhuǎn)速曲線上造成較大的抖動［9］。理論轉(zhuǎn)速可以較好地表征瞬時轉(zhuǎn)速，說明基于XC878的汽車發(fā)動機振動檢測系統(tǒng)是可行的，可實現(xiàn)對汽車無拆卸情況下的嵌入式檢測。

4 結(jié)束語

采用本系統(tǒng)對車輛進行基本性能檢測時，采集與處理的數(shù)據(jù)精度受到諸多因素的影響，而試驗對參數(shù)采集精度、靈敏度及系統(tǒng)的穩(wěn)定性等要求均很高，試驗數(shù)據(jù)的可靠性將直接決定汽車性能評價結(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)計中，采用的濾波模塊可以進一步削弱采樣信號中的干擾成分，信息處理中可加入數(shù)字濾波模塊來減小測量誤差。另外，在系統(tǒng)中可加入上位機實現(xiàn)人機接口的實時控制，在對FFT結(jié)果進行分析提取基頻時可加入小波分解［10］對信號進行預(yù)處理、對提取的基頻序列進行平滑處理［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)大學教授，碩士生導師.

（責任編輯 閆杏麗）