基于MEMS麥克風(fēng)的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院　吳　倩　王　武　王民慧

0　引言

發(fā)動(dòng)機(jī)是車輛的動(dòng)力裝置，其狀態(tài)好壞直接影響車輛性能。發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作條件惡劣，因此是車輛運(yùn)行中故障最多的組成之一[1]。所以，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是具有重要現(xiàn)實(shí)意義的。

傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法常見(jiàn)的有熱工參數(shù)監(jiān)測(cè)法、磨損特征分析法[2]等，這些方法要求在發(fā)動(dòng)機(jī)多個(gè)部位上安裝傳感器，不僅自動(dòng)化程度低，而且測(cè)試耗時(shí)費(fèi)力，難以滿足現(xiàn)實(shí)需求，所以開(kāi)發(fā)操作簡(jiǎn)便、可靠性高的新型監(jiān)測(cè)方法已變得十分迫切。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，每一種聲響都對(duì)應(yīng)于特定頻譜，當(dāng)其運(yùn)行狀態(tài)不同時(shí)，如出現(xiàn)故障，其發(fā)出的聲音頻譜會(huì)出現(xiàn)變異和失真，總有一些特征頻譜區(qū)別于其他聲響[3]。因此檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)發(fā)出的聲音信號(hào)，并利用LabVIEW編寫聲音信號(hào)處理軟件，能快速有效的提取聲音的特征信息。實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，為汽車安全運(yùn)行和后續(xù)故障診斷[4]提供依據(jù)和保障。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以STM32F407做主控芯片，利用音頻傳感器作拾音器，將其安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架上，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行音頻采樣和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，采集汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在不同狀態(tài)下因振動(dòng)而發(fā)出的聲音信息[5]，再用LabVIEW編寫程序?qū)Σ杉降囊纛l信號(hào)進(jìn)行處理和顯示，從中分析出發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)的特征。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括主控模塊、信號(hào)采集模塊、通信模塊和上位機(jī)。音頻傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音信號(hào)，將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入主控芯片進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)送到上位機(jī)的LabVIEW程序，對(duì)其進(jìn)行處理，做譜分析，提取有用信息。

2.1　音頻采集模塊

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聲音檢測(cè)的硬件是MP45DT02 MEMS麥克風(fēng)，該模塊由3V電源供電，麥克風(fēng)帶有A/D轉(zhuǎn)換功能，主控模塊中由SPI或I2S外設(shè)產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)主控芯片STM32F407的PB10引腳輸入MP45DT02，作為音頻采集的時(shí)鐘信號(hào)。該模塊采集聲音后，輸出PDM格式的高頻1位數(shù)字流信號(hào)，頻率范圍為1到3.25MHz，經(jīng)由PC3腳輸入主控模塊。而主控芯片通過(guò)同步串口I2S對(duì)輸入的PDM數(shù)據(jù)流以8個(gè)樣本為一組進(jìn)行采樣，再經(jīng)過(guò)主程序的PDM Filter庫(kù)處理，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成16位脈沖編碼調(diào)制（PCM）格式的數(shù)據(jù)流，產(chǎn)生音頻的原始信號(hào)，保存在大容量存儲(chǔ)介質(zhì)中并送到LabVIEW程序處理分析[6]。

2.2　按鍵通信模塊

本系統(tǒng)采用按鍵中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集和主控芯片的控制關(guān)系。系統(tǒng)采用的用戶按鍵電路由3.3V電源供電，該模塊通過(guò)按下按鍵，將高電平信號(hào)從PA0腳輸入STM32F407，相當(dāng)于發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)，控制音頻采集程序的開(kāi)始及初始化，在系統(tǒng)中起到監(jiān)視音頻采集的作用。

而應(yīng)用的復(fù)位按鍵電路，連接的是STM32F407的NRST腳，它是異步復(fù)位腳。當(dāng)通過(guò)控制復(fù)位鍵，從NRST腳將低電平輸入主控制器時(shí)，MCU執(zhí)行復(fù)位程序，重設(shè)內(nèi)部寄存器，以及片內(nèi)SRAM；而當(dāng)輸入高電平時(shí)，芯片被置位，PC指針從0地址開(kāi)始。

2.3　主控模塊

主控模塊是整個(gè)系統(tǒng)的中心部分，包含了基本的電源電路。主控芯片時(shí)鐘信號(hào)是程序運(yùn)行的基礎(chǔ)，這個(gè)模塊包含了高速外部時(shí)鐘（HSE）電路和低速外部時(shí)鐘（LSE）電路，可根據(jù)不同的需要來(lái)選擇不同的時(shí)鐘電路。同時(shí)，該模塊中還含有LED燈電路，通過(guò)其不同的發(fā)光狀態(tài)，來(lái)了解程序執(zhí)行到哪一步，便于程序排錯(cuò)及處理。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分主要由主程序、系統(tǒng)初始化管理、按鍵管理、顯示管理、中斷管理、時(shí)鐘管理、通信管理等模塊組成。主程序可調(diào)用各模塊，引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，協(xié)調(diào)軟、硬件有條不紊地工作。顯示模塊主要是在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中指示燈的不同狀態(tài)代表不同的程序運(yùn)行階段顯示和在數(shù)據(jù)分析中得到的圖譜和特征值顯示。而系統(tǒng)的通信則包括單片機(jī)與拾音器的通信和單片機(jī)與上位機(jī)的通信。

圖1　系統(tǒng)主流程圖

3.1　主控模塊軟件設(shè)計(jì)

主控模塊主要是通過(guò)單片機(jī)STM32F407來(lái)控制各個(gè)外設(shè)的運(yùn)行，系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)入系統(tǒng)初始化，初始化可編程器件、輸入/輸出端口和相關(guān)參數(shù)，之后主程序處于循環(huán)掃描模式，等待定時(shí)及按鍵中斷，以便捕捉中斷信號(hào)從而進(jìn)入相應(yīng)地服務(wù)模塊。系統(tǒng)主流程圖如圖1所示，整個(gè)程序由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析三個(gè)部分構(gòu)成循環(huán)體系，當(dāng)?shù)玫筋A(yù)期的音頻圖譜后，就返回主程序。

3.2　數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中使用的音頻采集芯片是MP45DT02 MEMS麥克風(fēng)。在數(shù)據(jù)采集開(kāi)始之前，首先要進(jìn)行初始化，將I2S外設(shè)產(chǎn)生的1024KHz時(shí)鐘配置為主時(shí)鐘，以生成正確的數(shù)字麥克風(fēng)輸入時(shí)鐘1024MHz。1024MHz的時(shí)鐘頻率可根據(jù)輸出音頻數(shù)據(jù)流(16KHz)和選擇的采樣因子(64)計(jì)算得出(16000Hz x 64 =1024MHz)。之后執(zhí)行數(shù)據(jù)采集循環(huán)程序，直到獲得16位PDM數(shù)據(jù)樣本，才進(jìn)入下一中斷程序。

3.3　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊軟件設(shè)計(jì)

音頻信號(hào)被捕獲以后，經(jīng)MEMS麥克風(fēng)處理輸出的音頻信號(hào)是PDM格式1位數(shù)據(jù)流，這是一種在數(shù)字域中表示模擬信號(hào)的形式，它的表示方式是對(duì)一系列與模擬信號(hào)幅值對(duì)應(yīng)的脈沖的相對(duì)密度進(jìn)行編碼。而本系統(tǒng)中LabVIEW程序不能處理PDM數(shù)據(jù)，所以要通過(guò)PDM Filter lib對(duì)其進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換為PCM數(shù)據(jù)。該庫(kù)要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和采樣處理，因?yàn)辂溈孙L(fēng)輸出的PDM數(shù)據(jù)的頻率與輸入的時(shí)鐘信號(hào)頻率一樣，比較高，所以在這個(gè)過(guò)程中，首先要做的是降低采樣頻率。之后還要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，先用高通濾波器消除信號(hào)的直流偏移，保證信號(hào)的質(zhì)量，然后用低通濾波器送出數(shù)據(jù)。整個(gè)過(guò)程完成之后，才能將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化PCM格式。而調(diào)節(jié)中涉及到的兩個(gè)濾波器可在程序中通過(guò)初始化函數(shù)使能、禁止和配置，相關(guān)增益G=MicGain/64。

3.4　數(shù)據(jù)分析模塊軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)分析部分要在上位機(jī)的LabVIEW中用圖形化編程語(yǔ)言完成，該部分要對(duì)存儲(chǔ)的音頻文件做濾波和頻譜分析等處理，數(shù)據(jù)分析程序框圖如圖2所示。進(jìn)入數(shù)據(jù)分析子程序后，先要進(jìn)行初始化，將PCM數(shù)據(jù)讀進(jìn)來(lái)，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波除噪，然后分別對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜變換、特征值測(cè)量和單頻測(cè)量，將得到的相應(yīng)圖譜和數(shù)據(jù)顯示在前面板上。

圖2　數(shù)據(jù)分析程序框圖

這里使用的濾波器是IIR數(shù)字濾波器，其幅頻特性精度很高，是非線性相位，用于對(duì)相位信息不敏感的音頻信號(hào)上比較合適。之后為了更好的觀察信號(hào)的特點(diǎn)，最主要的是對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜變換，這里采用快速傅氏變換（FFT）對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。用FFT將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域，使時(shí)域隱藏的現(xiàn)象和特征在頻率域內(nèi)顯示出來(lái)，便于分析。而這里用頻譜變換將隨時(shí)間變化的音頻信號(hào)分解成不同頻率的基本波形，并通過(guò)頻譜特征值測(cè)量顯示了頻譜的基本信息，幫助我們更好地分析頻譜結(jié)構(gòu)，從而了解發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的聲音信號(hào)狀態(tài)特征。

圖3　發(fā)動(dòng)機(jī)音頻信號(hào)調(diào)試結(jié)果圖

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

系統(tǒng)平臺(tái)搭建好后，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至1檔時(shí)，采集發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的音頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后調(diào)試結(jié)果如圖3所示；將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至2檔后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速加大，再次采集音頻信號(hào)，信號(hào)處理結(jié)果如圖4所示。

圖4　發(fā)動(dòng)機(jī)音頻信號(hào)調(diào)試結(jié)果圖

由處理后的聲音信號(hào)波形圖可以看到原始音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后的波形，再將濾波后的信號(hào)變換到頻域范圍，可以看到發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為1檔時(shí)，在頻率約為100Hz時(shí)，有最大幅值，也就是最大能量；而在轉(zhuǎn)速為2檔時(shí)，約在180Hz時(shí)，有最大幅值。推測(cè)該發(fā)動(dòng)機(jī)故障容易在這些頻率點(diǎn)出現(xiàn)，故障頻率集中在低頻處，所以可主要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低頻段的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；而高頻段非常平緩，推測(cè)此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看出，在不同轉(zhuǎn)速下，同一發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的聲音信號(hào)頻譜的均方根值基本不變，這可以作為正常狀態(tài)監(jiān)測(cè)的特征量之一。

5　結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的基于拾音器的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要由MEMS麥克風(fēng)、單片機(jī)等器件組成，是典型的軟硬件結(jié)合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)音頻信號(hào)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行分析監(jiān)測(cè)的功能。而采集發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音信號(hào)，相比于采集振動(dòng)信號(hào)、液壓信號(hào)等方式更容易，且損耗小、成本低，發(fā)展前景廣闊。

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